一种干湿耦合厌氧发酵快速产酸协同产气的方法与流程

1.本发明涉及沼气发酵技术领域，特别是涉及一种干湿耦合厌氧发酵快速产酸协同产气的方法。


背景技术：

2.中国是农业大国，每年生产大量的畜禽粪便和秸秆等农业废弃物，随着农村生活水平的提高，农村生产生活产生的有机废弃物产生量每年以8％～10％的速度增长，同时具有基数大、种类多、成分复杂等特点。厌氧发酵技术作为处理农业废弃物、生产清洁能源的重要方式之一，目前，湿法厌氧发酵技术处理农业废弃物(ts《15％)已得到了广泛的应用，技术较为成熟，但不适用于处理高含固率废弃物。干法厌氧发酵可以满足处理高含固率(ts》20％)有机废弃物的需求，但由于有机负荷高，传质、传热困难，易出现挥发性脂肪酸积累产生抑制作用，严重影响系统的产气效率。因此，需要探寻一种技术，能够避免中间产物抑制，提高厌氧发酵产气效率及农业废弃物资源化利用率。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了一种干湿耦合厌氧发酵快速产酸协同产气的方法。本发明提供的方法可有效避免微生物和代谢产物之间的抑制作用，同时提高厌氧发酵的产气效率及农业废弃物资源化利用率。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明提供了一种干湿耦合厌氧发酵快速产酸协同产气的方法，包括以下步骤：
6.将原始发酵底物与外源沼液混合启动干法厌氧发酵；所述原始发酵底物的初始碳氮比为(20～30)：1；所述外源沼液的ph值为5.0～7.0；
7.将干法厌氧发酵产生的沼液取出作为底物与湿法厌氧发酵体系混合，同时将湿法厌氧发酵体系产生的沼液回流到干法厌氧发酵体系中，直至干法厌氧发酵结束。
8.优选的，所述外源沼液与发酵底物干重的质量比为(20～30)：100。
9.优选的，所述干法厌氧发酵产生的沼液与湿法厌氧发酵体系得到的沼液的体积相等。
10.优选的，所述回流的频率为1～2次/d。
11.优选的，所述发酵底物的初始含固率为20％～30％。
12.优选的，所述干法厌氧发酵包括序批式干法厌氧发酵。
13.优选的，所述干法厌氧发酵的温度为35～40℃，干法厌氧发酵的周期为15～20d。
14.优选的，所述干法厌氧发酵的原始发酵底物包括秸秆和粪便。
15.优选的，所述湿法厌氧发酵体系包括处于稳定产甲烷时期的湿法厌氧发酵体系。
16.优选的，所述湿法厌氧发酵体系的发酵温度为35～40℃。
17.有益效果：
18.本发明提供了一种干湿耦合厌氧发酵快速产酸协同产气的方法，包括以下步骤：
将原始发酵底物与外源沼液混合启动干法厌氧发酵；所述原始发酵底物的初始碳氮比为(20～30)：1；所述外源沼液的ph值为5.0～7.0；将干法厌氧发酵产生的沼液取出作为底物与湿法厌氧发酵体系混合，同时将湿法厌氧发酵体系产生的沼液回流到干法厌氧发酵体系中，直至干法厌氧发酵结束。本发明通过适宜的底物配比(碳氮比)和调节外源沼液ph值复合调控的方法，可有效避免微生物和代谢产物之间的抑制作用，强化产酸相快速产酸，提高底物降解程度，缩短水解产酸周期至3d，同时进一步强化产酸相(干法厌氧发酵)第3d的挥发酸产量；另外，将富含大量可溶性物质的酸化沼液送入产甲烷相(湿法厌氧发酵体系)高效产气，提高了厌氧发酵的产气效率，同时产甲烷相产生的沼液可回流喷淋至产酸相循环利用，提高底物利用率和出水质量，进而提高了农业废弃物资源化利用率。本发明通过适宜的底物配比(碳氮比)和调节外源沼液ph值复合调控的方法，可以使产酸相酸化率提高到55％以上，产酸峰值达3.0g/l
·
d以上，产甲烷相容积产气率最高达2.0l/l
·
d以上。
附图说明
19.图1为实施例1的工艺流程图。
具体实施方式
20.本发明提供了一种干湿耦合厌氧发酵快速产酸协同产气的方法，包括以下步骤：
21.将原始发酵底物与外源沼液混合启动干法厌氧发酵；所述原始发酵底物的初始碳氮比为(20～30)：1；所述外源沼液的ph值为5.0～7.0；
22.将干法厌氧发酵产生的沼液取出作为底物与湿法厌氧发酵体系混合，同时将湿法厌氧发酵体系产生的沼液回流到干法厌氧发酵体系中，直至干法厌氧发酵结束。
23.本发明将原始发酵底物与外源沼液混合启动干法厌氧发酵；所述原始发酵底物的初始碳氮比为(20～30)：1，优选为(22～28)：1，更优选为25：1；所述外源沼液的ph值为5.0～7.0，优选为5.2～6.0，更优选为5.5。在本发明中，所述外源沼液与发酵底物干重的质量比优选为(20～30)：100，更优选为30：100。本发明所述外源沼液的接种量优选为每次接种的质量；接种次数优选为4次/天；优选当干法厌氧发酵产生的沼液和湿法厌氧发酵产生的沼液能够循环利用时，停止外源沼液的接种。
24.在本发明中，所述原始发酵底物优选包括秸秆和粪便；所述粪便优选包括牛粪。本发明通过适宜的底物配比(碳氮比)和调节外源沼液ph值复合调控的方法，可有效避免微生物和代谢产物之间的抑制作用，强化产酸相快速产酸，提高底物降解程度，缩短水解产酸周期至3d，同时进一步强化产酸相(干法厌氧发酵)第3d的挥发酸产量。
25.在本发明中，所述干法厌氧发酵优选包括序批式干法厌氧发酵，所述序批式干法厌氧发酵优选为原始发酵底物启动厌氧发酵后至发酵结束不再补充底物，发酵结束后取出沼渣并补充新的原始发酵底物再次进行厌氧发酵；所述干法厌氧发酵的温度优选为35～40℃，更优选为38℃；所述干法厌氧发酵的周期优选为15～20d，更优选为18d；所述干法厌氧发酵周期为原始发酵底物进行干法厌氧发酵的时间，即序批式干法厌氧发酵从开始发酵到出料的时间。
26.在本发明中，所述原始发酵底物的初始含固率优选为20％～30％，进一步优选为22％～28％，更优选为25％。本发明提供的方法可对含固率为20％～30％的底物进行发酵，
在提高底物处理量的同时实现整个发酵系统协同高效产酸产甲烷。
27.启动干法厌氧发酵后，本发明将干法厌氧发酵产生的沼液取出作为底物与湿法厌氧发酵体系混合，同时将湿法厌氧发酵体系产生的沼液回流到干法厌氧发酵体系中，直至干法厌氧发酵结束。本发明通过取出干法厌氧发酵产生的沼液可以避免微生物和中间产物之间的抑制作用，强化产酸相快速产酸，提高底物降解程度。
28.在本发明中，所述取出优选包括将干法厌氧发酵产生的沼液收集在沼液池中；所述干法厌氧发酵产生的沼液与湿法厌氧发酵体系得到的沼液的体积优选相等；所述回流的频率优选为1～2次/d。
29.在本发明中，所述湿法厌氧发酵体系优选包括处于稳定产甲烷时期的湿法厌氧发酵体系；所述湿法厌氧发酵体系的发酵温度优选为35～40℃，更优选为38℃。本发明将处于稳定产甲烷时期的湿法厌氧发酵体系作为产甲烷相，可以直接利用干法厌氧发酵产生的沼液中的挥发性有机酸，省略液化和酸化的步骤，从而提高了产气效率；另外，本发明将富含大量可溶性物质的酸化沼液送入产甲烷相(湿法厌氧发酵)高效产气，提高了厌氧发酵(产甲烷相)的产气效率，同时产甲烷相产生的沼液可回流喷淋至产酸相循环利用，提高底物利用率和出水质量，进而提高了农业废弃物资源化利用率。
30.本发明提供的方法可实现干湿耦合厌氧发酵快速酸化协同产气，高效利用厌氧发酵中间产物，使整个厌氧发酵工艺达到最佳状态，有效解决农业废弃物产量大于能源短缺等问题。
31.为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种干湿耦合厌氧发酵快速产酸协同产气的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
32.实施例1
33.一种干湿耦合厌氧发酵快速产酸协同产气的方法(工艺流程图见图1)，由以下步骤组成：
34.1)以玉米秸秆和牛粪混合为发酵原料，调节秸秆和牛粪的质量比为7:3(碳氮比为(25
±
0.44):1)；以0.5mol/l的盐酸调节外源沼液(三河某奶牛养殖场养殖废水，ph值为8.0)的ph值为5.5，按接种量为1l/次(外源沼液每次接种量为发酵原料干重的30wt.％)，4次/天，将调节ph值后的外源沼液添加到发酵原料中，以5l的渗滤床反应器作为干湿耦合厌氧发酵产酸相进行序批式干法厌氧发酵；在38℃、总ts(含固率)为25％条件下完成干湿耦合厌氧发酵水解酸化过程，酸化周期为15d，产生的酸化沼液储存在储液罐中；
35.2)将储液罐中的沼液作为底物与湿法厌氧发酵体系(处于稳定产甲烷时期的污泥)混合，同时将湿法厌氧发酵体系产生的沼液并按1～2次/d的频率回流至渗滤床反应器中，使干法厌氧发酵和湿法厌氧发酵的沼液循环利用，直至干法厌氧发酵结束。
36.实施例2
37.一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤1)中的秸秆和牛粪的质量比为6:4(碳氮比为(24
±
0.14):1)。
38.实施例3
39.一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤1)中的秸秆和牛粪的质量比为5:5(碳氮比为(21
±
0.66):1)。
40.实施例4
41.一种与实施例3相似的方法，区别在于，步骤1)中以0.5mol/l的盐酸调节外源沼液调节外源沼液的ph值为6.5。
42.实施例5
43.一种与实施例3相似的方法，区别在于，步骤1)中以0.5mol/l的盐酸调节外源沼液调节外源沼液的ph值为6.0。
44.对比例1
45.一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤1)中的外源沼液未进行ph值的调节。
46.对比例2
47.一种与实施例2相似的方法，区别在于，步骤1)中的外源沼液未进行ph值的调节。
48.对比例3
49.一种与实施例3相似的方法，区别在于，步骤1)中的外源沼液未进行ph值的调节。
50.应用例1
51.通过气相色谱法(具体方法参考文献为yu j,zhao y,liu b,et al.accelerated acidification by inoculation with a microbial consortia in a complex open environment[j].bioresource technology,2016,216:294-30.)测定实施例1～5和对比例1～3中酸化周期内每天产生沼液的挥发酸组成及浓度，测定结果见表1；
[0052]
通过便携式沼气测定仪(biogas 5000,geotech,uk)法测定产甲烷相每天容积产气率。
[0053]
表1不同组产酸相酸化第三天沼液的挥发酸组成及浓度(g/l)
[0054][0055][0056]
由表1可知，实施例1和2的总有机酸产量与对比例1和2无较大差异，但易于产甲烷菌代谢转化的乙酸含量有所提高，更有助于产甲烷。通过测定酸化周期内每天产生沼液的挥发酸组成及浓度，在未调节外源沼液ph值时，秸秆和牛粪配比为7:3和6:4在第3天即达到产酸峰值，最高可达3.2～3.7g/l
·
d，而秸秆和牛粪配比为5:5在第5天才达到产酸峰值，为
1.9g/l；通过适当降低初始ph各实验组酸化周期缩短至第3天达到日产酸峰值，降低ph至5.5时复合调控效果最佳，日产酸峰值提高到3.0g/l以上，产酸相酸化率提高到55％以上，产酸峰值达3.0g/l
·
d以上。
[0057]
通过测定产甲烷相的容积产气率可知，实施例1～3的产甲烷相容积产气率较未调ph组(对比例1～3)分别提高20％～40％，最高达2.0～2.1l/l
·
d。
[0058]
可见，降低初始喷淋ph值提高产酸速率和产酸量的同时，提高了畜禽粪便处理量，有助于实现秸秆牛粪协同处理。
[0059]
综上所述，本发明通过适宜的底物配比(碳氮比)和调节外源沼液ph值复合调控的方法，可有效避免微生物和代谢产物之间的抑制作用，强化产酸相快速产酸，提高底物降解程度，缩短水解产酸周期至3d，同时进一步强化产酸相(干法厌氧发酵)第3d的挥发酸产量；另外，将富含大量可溶性物质的酸化沼液送入产甲烷相(湿法厌氧发酵)高效产气，提高了厌氧发酵的产气效率，同时产甲烷相产生的沼液可回流喷淋至产酸相循环利用，提高底物利用率和出水质量，进而提高了农业废弃物资源化利用率。
[0060]
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。