一種以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法
2023-10-08 04:40:14 1
專利名稱：一種以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法
技術領域：
本發明屬於資源與環境技術領域，具體涉及一種以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法。
背景技術：
互花米草(Spartina aterniflora)原產於美國，是一種生長在潮間帶的多年鹽沼植物。互花米草植株粗壯高大，根系異常發達，地面高度一般可達1.0～2.0m，根系深入土壤中可達1.5m左右，具有較強的抗風消浪、保灘護岸、促淤造陸、綠化海灘的作用。我國沿海地區當時經常受到風暴潮、颱風等自然災害襲擊，沿海地區經濟和人民生命財產受到極大危害。1980年初，互花米草引入我國沿海灘涂，在保灘護岸、促淤造陸、促進沿海地區經濟發展、生態環境的改善和減災等多方面做出了重大貢獻，但經過20多年的發展，互花米草在我國沿海地區形成5萬hm2以上的外來入侵種優勢群落，給沿海地區帶來一系列的負面影響。互花米草作為一個具有極強繁殖能力的外來物種，其生長旺，繁殖快，植株高而密，與本土物種競爭激烈，改變了淤泥質光灘的景觀和本土物種的棲息環境，譬如互花米草侵佔灘涂貝類養殖的場所，導致貝類在密集的米草草灘中無法自由活動，將康生長，甚至會窒息死亡；一些貝類不得不遷移至米草草灘外；一些港區也由於互花米草的侵入淤積加快，影響船隻出入。在夏秋季互花米草的落葉隨著潮水四處漂移，進入灘涂或淺海的藻類養殖地，就會對紫菜，海帶等海藻的生產與產品的質量產生一定的影響。
目前治理互花米草的措施有(1)物理方法，主要是人工及機械清除，消耗的人力物力大、效率低下；(2)化學方法，使用除草劑，但除草劑通常只能清除地表以上部分，對於灘涂土壤中的種子和根系效果較差，並且存在汙染問題；(3)生物方法，使用動物天敵和致病微生物的生物防治尚在實驗階段，作為外來入侵種其天敵和致病微生物也是外來種，存在極大的生態風險。這些措施存在諸多弊端和不足，不能從根本上治理互花米草。面對如此巨大生物量的互花米草，將其看成一種能源資源進行沼氣發酵利用，目前在國內外還未有報導。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠提高海灘空間資源經濟效益、生態效益和改善生態環境的以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法。
本發明提出的以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法，其具體步驟如下(1)原料互花米草的粉碎預處理；
(2)向步驟(1)所得的預處理互花米草中添加含N元素物質，混合，得到混合料，控制混合料的碳氮比為20∶1--30∶1；(3)將步驟(2)中所得混合料投入到發酵裝置中，並加入接種物進行接種，得到發酵原料，原料具體投加和接種方式根據發酵方法而不同，具體發酵方法包括三類單相不循環發酵方法、單相內循環發酵方法或固液兩相發酵方法等；(4)向步驟(3)中的發酵原料中加水，加入量為水面至少高於發酵原料5cm；(5)封閉發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，控制反應溫度在30-40℃，進行發酵產氣，經過1-2天即可產生沼氣，即目標產品；發酵經過20-60天，互花米草中的可厭氧生物降解的有機物質基本被微生物的作用轉化為沼氣，當發酵裝置每日反應產氣量大幅度降低時，反應即可結束，進行新一輪發酵。
本發明中，所述含N元素物質為尿素、碳酸氫銨或畜禽糞便等一至多種。
本發明中，所述接種物為沼渣、沼液或厭氧消化汙泥等中任一種。
本發明中，步驟(3)中，當選擇單相不循環發酵方法時，接種物的乾重投加量不少於投加原料互花米草乾重的20％。
本發明中，步驟(3)中，當選擇單相循環發酵方法時，接種物的乾重投加量不少於投加原料互花米草乾重的20％。
本發明中，步驟(3)中，當選擇固液兩相發酵方法時，發酵原料不接種直接投加到固態原料管理反應器，液態微生物管理反應容器接種量按反應體積計算16000-20000mg/l。
本發明中，所述的互花米草原料的粉碎預處理可以採取以下常規方法將收割後的互花米草地上部分，通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機對其進行預處理等。
本發明中，根據不同用戶的技術條件和需求，選擇不同發酵方法。可以選擇不同的發酵方法有單相不循環發酵方法、單相內循環發酵方法、固液兩相發酵方法等。
單相不循環方法本方法將原料與接種物直接混合投加到一個簡單的沼氣反應裝置中進行發酵，接種物的乾重投加量不少於投加原料乾重的20％，反應結束後，須要全部清空反應器進行新一輪投料接種。優點是可以直接利用原有的沼氣池來利用互花米草，設備簡單，易於操作和管理，比較適合農戶使用。
單相內循環方法本方法將原料與接種物直接混合投加到一個簡單的沼氣反應裝置中進行發酵，接種物的乾重投加量不少於投加原料乾重的20％。反應開始後，定期通過外動力，比如泵，將反應裝置底部中的液體循環到反應裝置的上部，增加微生物與原料的接觸，以提高反應效率。反應結束後，須要全部清空反應器進行新一輪投料接種。優點是反應效率高，發酵周期短，可以提高產氣量和減小反應裝置的體積，比較適合技術條件比較好的用戶利用互花米草生產沼氣。
固液兩相發酵方法本方法反應裝置包括兩個反應容器，分別為固態原料管理容器和液態微生物管理容器；固態原料管理容器用於投加互花米草原料，投加原料時不需要進行接種，只接投加原料即可；液態微生物管理容器用於微生物接種管理，不投加反應原料，僅接種接種物按反應器體積計算16000-20000mg/l，接種時在該反應器中添加一定量的填料，如塑料填料、玻璃球填料、礦渣等，來截流產甲烷反應器中的汙泥，使微生物最大限度的停留在反應器中。反應開始後，定期通過外動力，如泵，將固態原料管理容器的液體抽到液態微生物管理容器中，再將液態微生物管理容器的溢出液回流到固態原料管理容器中。這樣一方面固態原料管理容器的溶解在液體中的有機質可以很快在液態微生物管理容器發酵產生沼氣，另一方面，液態微生物管理容器回流到固態原料管理容器的液體中的微生物，逐步完成固態原料管理容器的接種。反應結束後，只需全部清空固態原料管理容器中的殘渣，在直接投入原料，即可進行新一輪發酵，不需要再對液態微生物管理容器進行接種。本裝置的優點是大大提高反應裝置的效率，縮短原料的發酵周期，增加產氣量，同時，減少接種工作量，比較適合技術條件好的規模化的利用互花米草。
本發明中，當發酵裝置每日反應產氣量大幅度降低時，即日產氣量低於平均日產氣量的30％，停止反應，進行重新投料開始新一輪反應。
本發明的優點本發明充分實現了互花米草的資源化、減量化和無害化的利用，將破壞生態環境和危害海洋經濟的害草——互花米草轉化成為一種能源植物。由於受自然條件的影響，全國互花米草的單位面積生產力差別較大，但是根據目前的研究基本在2-5kg/(乾物質)範圍內，取平均數據3kg/m2(乾物質)；全國目前有互花米草面積80-100萬畝，考慮生態保護等多種因素影響，按收穫率80％計算，取70萬畝收穫面積；綜合以上兩個方面的考慮，單純考慮自然群落，全國每年可以收穫互花米草生物質資源量達到14萬噸(乾物質)。根據研究互花米草乾物質產氣潛力可以達到0.2-0.3m3/kg，以上原料總共可以產氣2800-4200萬立方米的沼氣，可以替代3-5萬噸標準煤。
圖1為實施例1日產氣量曲線。
圖2為實施例2日產氣量曲線。
圖3為實施例3日產氣量曲線。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步說明本發明。
實施例1某農戶家利用互花米草製備沼氣。
(1)原料互花米草的預處理；將收割後的互花米草地上部分，通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；(2)向步驟(1)所得的互花米草250kg中添加含N元素物質尿素5kg，混合，調整混合料的碳氮比，使混合料中的C/N為20∶1；(3)將步驟(2)中所得混合料投入到4立方米的普通沼氣發酵裝置中，並加入接種物含水量為80％的厭氧消化汙泥500kg，得到發酵原料；(4)向步驟(3)中的發酵原料中加水，直至水面高於發酵原料5cm；(5)封閉發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，控制反應溫度為30-35℃，進行發酵產氣，反應第2天即開始產氣，反應進行了36天，每日反應產氣量大幅度降低，結束一輪反應進行另一輪投料和接種。
在步驟(5)中儲氣裝置的出氣管上接上膜式煤氣表，每天進行沼氣體積的計量，日產氣量結果見圖1，總產氣量為35立方米，池容產氣率為0.26m3/m3d。
實施例2某小型企業利用互花米草製備沼氣。
(1)原料互花米草的預處理；將收割後的互花米草地上部分，通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；(2)向步驟(1)所得的互花米草1250kg中添加含N元素物質碳酸氫銨30kg，混合，調整混合料的碳氮比；使混合料的C/N為30∶1；(3)將步驟(2)中所得混合料投入到體積為20立方米單相內循環發酵裝置中，並加入接種物沼液5立方米進行接種，得到發酵原料；(4)向步驟(3)中的發酵原料中加水，直至水面高於發酵原料20cm；(5)封閉發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，控制反應溫度為60-65℃進行發酵產氣，經過43天，互花米草中的有機物質通過微生物的作用轉化為沼氣，即得所需產品，當發酵裝置每日反應產氣量大幅度降低時，反應結束。
在步驟(5)中儲氣裝置的出氣管上接上膜式煤氣表，每天進行沼氣體積的計量，日產氣量結果見圖2，總產氣量為293.5立方米，池容產氣率為0.34m3/m3d。
實施例3某中型企業利用互花米草製備沼氣。
(1)原料互花米草的預處理將收割後的互花米草地上部分，通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；(2)固態原料管理髮酵裝置將6250kg預處理後的互花米草原料投加到100立方米固態原料管理髮酵裝置中，添加尿素125kg使混合液中碳氮比達到25∶1；(3)液態微生物管理反應裝置將5立方米體積的聚乙烯球狀填料投入到體積為20立方米液態微生物管理反應裝置中，加入接種物含水量為80％的厭氧消化汙泥2500kg，加入一定量的水，在反應器上部留有20cm的空間；(4)封閉發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，在自然溫度下進行發酵產氣，經過43天，互花米草中的有機物質通過微生物的作用轉化為沼氣，即得所需產品，當發酵裝置每日反應產氣量大幅度降低時，反應結束。
在步驟(5)中儲氣裝置的出氣管上接上膜式煤氣表，每天進行沼氣體積的計量，日產氣量結果見圖3，總產氣量為1215立方米，池容產氣率為0.28m3/m3d。
權利要求
1.一種以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法，其特徵在於具體步驟如下(1)原料互花米草的粉碎預處理；(2)向步驟(1)所得的預處理互花米草中添加含N元素物質，混合，得到混合料，控制混合料的碳氮比為20∶1--30∶1；(3)將步驟(2)中所得混合料投入到發酵裝置中，並加入接種物進行接種，得到發酵原料，具體投加和接種方式根據發酵方法而不同，具體發酵方法包括三類單相不循環發酵方法、單相內循環發酵方法或固液兩相發酵方法；(4)向步驟(3)中的發酵原料中加水，加入量為水面至少高於發酵原料5cm；(5)封閉發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，控制反應溫度在30-40℃，進行發酵產氣，經過1-2天即可產生沼氣，即目標產品；發酵經過20-60天，互花米草中可厭氧生物降解的有機物質基本被微生物作用轉化為沼氣，當發酵裝置每日反應產氣量大幅度降低時，即日產氣量低於平均日產氣量的30％時，反應即可結束，進行新一輪發酵。
2.根據權利要求1所述的以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法，其特徵在於所述含N元素物質為尿素、碳酸氫銨或畜禽糞便中一至多種。
3.根據權利要求1所述的以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法，其特徵在於所述接種物為沼渣、沼液或厭氧消化汙泥中任一種。
4.根據權利要求1所述的以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法，其特徵在於步驟(3)中，當選擇單相不循環發酵方法時，接種物的乾重投加量不少於投加原料互花米草乾重的20％。
5.根據權利要求1所述的以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法，其特徵在於步驟(3)中，當選擇單相循環發酵方法時，接種物的乾重投加量不少於投加原料互花米草乾重的20％。
6.根據權利要求1所述的以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法，其特徵在於步驟(3)中，當選擇固液兩相發酵方法時，發酵原料不接種直接投加到固態原料管理反應器，液態微生物管理反應容器接種量按反應體積計算16000-20000mg/l。
全文摘要
本發明屬於資源與環境技術領域，具體涉及一種以互花米草為原料發酵製備沼氣的方法。具體步驟為原料互花米草的預處理，預處理後的互花米草中添加含N元素物質，調整碳氮比為20∶1－30∶1，然後投入到發酵裝置中，接種進行發酵，1－2天即可產生沼氣，原料經過20－60天完成一個發酵周期。互花米草沼氣發酵的周期受發酵方法的影響。互花米草沼氣發酵原料的具體投加和接種方式根據發酵方法而不同，具體發酵方法包括三類單相不循環發酵方法、單相內循環發酵方法、固液兩相發酵方法。本發明充分實現了互花米草的資源化、減量化和無害化的利用，將破壞生態環境和危害海洋經濟的害草——互花米草轉化成為一種能源植物。
文檔編號C05F17/00GK1923732SQ20061011614
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月18日 優先權日2006年9月18日
發明者朱洪光, 陳小華, 王彪, 朱鵬 申請人:同濟大學