一種用於提高生物質原料厭氧消化產甲烷產量的方法
2023-08-06 10:49:46
一種用於提高生物質原料厭氧消化產甲烷產量的方法
【專利摘要】一種用於低劣生物質原料厭氧消化提高甲烷產量的方法，屬於農業廢棄物處理【技術領域】。本發明以各種廢棄低劣生物質原料為處理對象，通過在厭氧反應器中添加微量的電子載體血晶素或維生素K2，改善沼氣厭氧發酵整個發酵體系的還原力水平，進而促進厭氧消化過程中水解酸化菌的及產甲烷菌的生長及其活性，從而提高反應系統的水解效率，縮短厭氧消化時間、提高甲烷產量及低劣生物質原料的轉化率。由於微量血晶素及維生素K2的添加量極其微量，且工業級的血晶素及維生素K2對於本發明同樣適用，因此，本發明方法不僅操作簡便和高效，而且成本低，可望在工程實踐中得到廣泛運用。
【專利說明】一種用於提高生物質原料厭氧消化產甲烷產量的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於農業廢棄物處理【技術領域】，具體涉及一種用於提高生物質原料厭氧消 化提高甲烷產量的方法。
【背景技術】
[0002] 利用可再生生物質資源生產可替代化石能源的生物質能源受到日益關注。目前生 物質能利用技術包括固化成型、熱化學轉化、厭氧發酵等多種方式，其中以產甲烷發酵為代 表的厭氧發酵技術，主要是利用厭氧微生物將生物質轉化為CH 4、C02或者H2。CH4具有較高 的燃燒熱值（802.3 kj/mol)，是理想的能源物質。厭氧發酵技術由於可以在生產清潔能源 的同時實現環境淨化，並且發酵剩餘物還可以作為有機肥料，兼具能源、環保和生態三方面 效益，是解決當前的能源、環境問題的切實可行手段，因此具有廣闊的應用前景。
[0003] 目前沼氣工程應用現狀還是主要集中在對不同原料的預處理方式以及混合原料 厭氧發酵產甲烷的研究，對厭氧發酵體系自身的代謝調節及產能機制上研究較少。在混合 原料厭氧發酵製備甲烷方面，國外普遍採用混合原料，而國內大型沼氣工程以動物糞便為 主，採用結杆為原料的很少；容積產氣率國外1.5 m3/m3*d，國內0. 8 m3/m3*d。我國農作 物秸杆資源豐富，全國每年可收集利用的秸杆量約7億噸，在民間，焚燒掉的秸杆導致了嚴 重的環境汙染和社會問題，將秸杆最大程度的收集並高效產甲烷成為研究的熱點。
[0004] 厭氧發酵過程只能通過中間代謝產物將還原力NADH再生，在厭氧合成體系存在 還原力NADH不平衡現象。生物質厭氧消化產甲烷作為一種典型的厭氧發酵過程，也同樣存 在還原力供應不足的現象，導致甲烷的產值較低，但是鮮有報導針對活性汙泥厭氧發酵體 系還原力調控發酵過程的研究。因此，在厭氧消化產甲烷條件下維持反應系統合適的還原 力將能從厭氧呼吸強化方面提高沼氣中甲烷含量以及甲烷自身代謝中合成更多的甲烷，達 到廣甲燒的商效、可控生廣，為提商結杆能源化利用效率提供新的思路。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種用於提高低劣生物質原料厭氧消化產甲烷能力的方法， 通過添加血晶素或維生素 K2，改善厭氧消化過程中還原力匱乏現象，加速厭氧消化過程中 水解速率，縮短發酵周期，並提高產甲烷菌活性，進而提高甲烷產量。
[0006] 為了實現上述目的，採取如下技術方案： 一種用於提高生物質原料厭氧消化產甲烷產量的方法，其特徵在於，包括如下步驟： (1) 將生物質原料乾物質切碎為l~5cm的小段，備用； (2) 取接種物備用； (3) 在厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述（2)的接種物，調整 C/N比，加入血晶素或維生素1(2，最後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為反應容器有效 容積的80% (v/v)，並調整初始pH ;其中，生物質原料乾物質佔上述80%有效容積的6?10% (g/100mL)，接種物佔上述80%有效容積的60% (g/100mL)。
[0007] (4)封閉厭氧消化，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過搖動或攪拌方式使 物料反應均勻，24~36h內開始產生甲烷，並開始計算平均日產氣量，當發酵進行到日產氣量 低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一輪投料或接種。該發酵過程中通過 靜置培養，每天一次混合消化器中的物料使物料反應均勻，防止物料分層，使低劣生物質原 料與接種物均勻接觸；或者在發酵過程中通過攪拌裝置，時物料反應均勻。
[0008] 優選的，所述的生物質原料為秸杆原料或廚餘垃圾；其中，所述的秸杆原料為麥秸 杆、水稻秸杆、玉米秸杆、薯類秸杆、油料秸杆、棉花秸杆、甘蔗渣、蔬菜秸杆、水葫蘆一種或 幾種混合。本發明方法適用於各種低劣的生物質原料，尤其是秸杆原料，充分利用了我國資 源豐富的農作物秸杆。
[0009] 本發明所述的接種物適用於任一產甲烷菌或複合菌(菌劑)。為了凸顯本明在生產 清潔能源的同時實現環境淨化，並且發酵剩餘物還可以作為有機肥料，兼具能源、環保和生 態三方面效益，優選的，所述的接種物為、厭氧汙泥或動物糞便。
[0010] 優選的，所述的厭氧汙泥為老沼氣池的沼渣、腐敗河泥或城市汙水處理廠的厭氧 消化汙泥中的一種或多種。
[0011] 優選的，所述的動物糞便為豬糞、牛糞、雞糞一種或幾種混合。
[0012] 優選的，所述步驟（3)中C/N比調節至25: f 30:1，pH調節至7. (Γ7. 6。
[0013] 優選的，所述步驟（3)中血晶素或維生素 K2的添加量為lmg/L~50mg/L，優選的添 加量為 lmg/L"!〇mg/L。
[0014] 優選的，所述的厭氧消化發酵產甲烷的方式為分批培養發酵、補料分批培養發酵 或連續培養發酵。
[0015] 本發明的有益效果：本發明通過在生物質原料厭氧消化體系中添加微量的血晶素 或維生素1( 2，來強化厭氧發酵過程中呼吸鏈強度，提高厭氧效果過程中反應體系的還原力， 使NADH/NAD+維持在最佳的範圍，從而促進水解及厭氧產甲烷過程，改善厭氧消化過程中還 原力匱乏現象，加速厭氧消化過程中水解速率，縮短發酵周期，並提高產甲烷菌活性，進而 大大提高厭氧發酵甲烷的產量。促使農業廢棄物中的秸杆生物質及廚餘垃圾能高效的以甲 烷的形式回收，進而消除秸杆原料為代表的農業廢棄物的焚燒給環境帶來的汙染。厭氧消 化過程中添加的血晶素或維生素 K2量為lmg/L~50mg/L時，與未添加的普通農業廢棄物及 廚餘垃圾厭氧消化產甲烷相比，生物氣的總產氣量提高了 15%以上，生物氣中有效成分甲 烷的平均含量提高10%以上。
[0016] 下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細描述，但並不因此限制本發明的內 容。
[0017] 本發明中調整C/N比的方法為：測定秸杆原料和接種底物的碳氮比，然後用一定 量的尿素調節反應體系的C/N比至25:1~30:1。
[0018] 實施例1本發明說明提高生物質原料厭氧消化產甲烷產量的方法 具體步驟如下： (1) 將麥秸原料切碎為3cm的小段，備用； (2) 老沼氣池的沼渣作為接種物，備用； (3) 在有效容積為5L的厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述 (2)的接種物，調整C/N比至25:1，按每L有效容積lmg的量添加血晶素或維生素 K25mg，最 後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為4L，並調整初始pH至7. Ο ;其中，上述4L中，生物 質原料乾重為240g，接種物為2. 4kg。
[0019] (4)封閉厭氧消化器，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過靜置培養，至少每 天一次搖動消化器中的物料，防止物料分層，使秸杆原料與厭氧汙泥均勻接觸；24h開始產 甲烷，當日產氣量低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一輪投料或接種。
[0020] 厭氧消化過程中添加血晶素或維生素 K2與同等條件下未添加的普通農業廢棄物 厭氧消化產甲烷相比，生物氣的總產氣量提高了 28. 3%和26. 2%，生物氣中有效成分甲烷的 平均含量分別提高24. 5%和18. 7%。
[0021] 實施例2本發明說明提高生物質原料厭氧消化提高甲烷產量的方法 具體步驟如下： (1) 將水稻結杆原料切碎為5cm的小段，備用； (2) 取腐敗河泥作為接種物，備用； (3) 在有效容積為5L的厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述 (2)的接種物，調整C/N比至30:1，按每L有效容積10mg的量添加血晶素或維生素 K250mg， 最後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為4L，並調整初始pH至7. 6 ;其中，上述4L中，含 有生物質原料400g，接種物為2. 4kg。
[0022] (4)封閉厭氧消化器，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過靜置培養，至少每 天一次搖動消化器中的物料，防止物料分層，使秸杆原料與厭氧汙泥均勻接觸；28h開始產 生甲烷，當日產氣量低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一輪投料或接種。
[0023] 厭氧消化過程中添加血晶素或維生素 K2與同等條件下未添加的普通農業廢棄物 厭氧消化產甲烷相比，生物氣的總產氣量提高了 27. 6%和23. 5%，生物氣中有效成分甲烷的 平均含量分別提高23. 2%和16. 6%。
[0024] 實施例3本發明說明提高生物質原料厭氧消化提高甲烷產量的方法 具體步驟如下： (1) 將玉米秸杆原料切碎為4cm的小段，備用； (2) 取城市汙水處理廠的厭氧消化汙泥作為接種物，備用； (3) 在有效容積為5L的厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述 (2)的接種物，調整C/N比至30: 1，按每L有效容積50mg的量添加血晶素或維生素 K2250mg， 最後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為反應容器有效容積的4L，並調整初始pH至 7. 6 ;其中，上述4L中，生物質原料乾重280g，接種物為2. 4kg。
[0025] (4)封閉厭氧消化器，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過攪拌使物料反應 均勻；36h內即可產生甲烷，當日產氣量低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新 一輪投料或接種。
[0026] 厭氧消化過程中添加血晶素或維生素 K2與同等條件下未添加的普通廢棄物厭氧 消化產甲烷相比，生物氣的總產氣量分別提高了 16. 1%和15. 6%，生物氣中有效成分甲烷的 平均含量分別提高14. 2%和11. 3%。
[0027] 實施例4本發明說明提高生物質原料厭氧消化提高甲烷產量的方法 本實施例所用的生物質為薯類秸杆，本實施例中具體為甘薯、馬鈴薯、山藥、芋類作物 結杆。
[0028] 具體步驟如下： (1) 將薯類秸杆原料切碎為lcm的小段，備用； (2) 取豬糞接種物，備用； (3) 在有效容積為5L的厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述 (2)的接種物，調整C/N比至25:1，按每L有效容積lmg的量添加血晶素或維生素 K25mg，最 後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為4L，並調整初始pH至7. 0 ;其中，在上述的4L，生 物質原料乾重為320g，接種物為2. 4kg。
[0029] (4)封閉厭氧消化器，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過攪拌使物料反應 均勻；30h開始產生甲烷，當日產氣量低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一 輪投料或接種。
[0030] 厭氧消化過程中添加血晶素或維生素 K2與同等條件下未添加的普通廢棄物厭氧 消化產甲烷相比，生物氣的總產氣量分別提高了 28. 2%和25. 5%，生物氣中有效成分甲烷的 平均含量提高21. 3%和18. 7%。
[0031] 實施例5本發明說明提高生物質原料厭氧消化提高甲烷產量的方法 本實施例所用的生物質為油類秸杆，本實施例中具體為油菜、大豆、花生、芝麻、向日 葵、棉籽、蓖麻、蘇子、油用亞麻和大麻的秸杆。
[0032] 具體步驟如下： (1) 油類秸杆原料切碎為4cm的小段，備用； (2) 取老沼氣池的沼渣和腐敗河泥的混合物作為接種物，備用； (3) 在有效容積為5L的厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述 (2)的接種物，調整C/N比至25:1，按每L有效容積10mg的量添加血晶素或維生素 K250mg， 最後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為4L，並調整初始pH至7. 0 ;其中，上述4L中，生 物質原料乾重為400g，接種物為2. 4kg。
[0033] (4)封閉厭氧消化器，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過攪拌使物料反應 均勻；25h開始產生甲烷，當日產氣量低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一 輪投料或接種。
[0034] 厭氧消化過程中添加血晶素或維生素 K2與同等條件下未添加的普通廢棄物厭氧 消化產甲烷相比，生物氣的總產氣量分別提高了 17. 2%和18. 3%，生物氣中有效成分甲烷的 平均含量提高分別提高了 11. 4%和13. 1%。
[0035] 實施例6本發明說明提高生物質原料厭氧消化提高甲烷產量的方法 具體步驟如下： (1) 棉花秸杆和甘蔗渣原料切碎為5cm的小段，備用； (2) 取城市汙水處理廠的厭氧消化汙泥和腐敗河泥的混合物作為接種物，備用； (3) 在有效容積為5L的厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述 (2)的接種物，調整C/N比至27:1，按每L有效容積20mg的量添加血晶素或維生素 K2100mg， 最後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為4L，並調整初始pH至7. 0 ;其中，上述4L，生物 質原料乾重為400g，接種物為2. 4kg。
[0036] (4)封閉厭氧消化器，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過攪拌使物料反應 均勻；28h開始產生甲烷，當日產氣量低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一 輪投料或接種。
[0037] 厭氧消化過程中添加血晶素或維生素 K2與同等條件下未添加的普通廢棄物厭氧 消化產甲烷相比，生物氣的總產氣量分別提高了 16. 7%和15. 1%，生物氣中有效成分甲烷的 平均含量分別提高了 11. 7%和12. 1%。
[0038] 實施例7本發明說明提高生物質原料厭氧消化提高甲烷產量的方法 本實施例所用的生物質為蔬菜秸杆，本實施例中具體為葉菜類和瓜果類作物秸杆。
[0039] 具體步驟如下： (1) 蔬菜秸杆切碎為lcm的小段，備用； (2) 取城市汙水處理廠的厭氧消化汙泥作為接種物，備用； (3) 在有效容積為5L的厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述 (2)的接種物，調整C/N比至27: 1，按每L有效容積30mg的量添加血晶素或維生素 K2150mg， 最後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為4L，並調整初始pH至7. 0 ;其中，上述4L中，生 物質原料乾重為400g，接種物為2. 4kg。
[0040] (4)封閉厭氧消化器，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過攪拌使物料反應 均勻；28h開始產生甲烷，當日產氣量低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一 輪投料或接種。
[0041] 厭氧消化過程中添加血晶素或維生素 K2與同等條件下未添加的普通廢棄物厭氧 消化產甲烷相比，生物氣的總產氣量分別提高了 16. 7%和15. 6%，生物氣中有效成分甲烷的 平均含量分別提高了 13. 3%和11. 6%。
[0042] 實施例8本發明說明提高生物質原料厭氧消化提高甲烷產量的方法 具體步驟如下： (1) 水葫蘆和麥秸杆切碎為lcm的小段，備用； (2) 取豬糞和牛糞的混合物作為接種物，備用； (3) 在有效容積5L的厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述（2) 的接種物，調整C/N比至30:1，按每L有效容積40mg的量添加血晶素或維生素 K2200mg，最 後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為4L，並調整初始pH至7. 0 ;其中，上述4L，生物質 原料乾重為240g，接種物為2. 4kg (4) 封閉厭氧消化器，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過攪拌使物料反應均勻； 25h開始產生甲烷，當日產氣量低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一輪投 料或接種。
[0043] 厭氧消化過程中添加血晶素或維生素 K2與同等條件下未添加的普通廢棄物厭氧 消化產甲烷相比，生物氣的總產氣量分別提高15. 6%和15. 1%，生物氣中有效成分甲烷的 平均含量分別提高了 10. 9%和11. 7%。
[0044] 實施例9本發明說明提生物質厭氧消化提高甲烷產量的方法 具體步驟如下： (1) 將廚餘垃圾切碎為2cm的小段，放入-20°c冰箱冷藏備用； (2) 取牛糞和雞糞的混合物作為接種物，備用； (3) 在有效容積5L 的厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述 (2)的接種物，調整C/N比至30:1，按每L有效容積lmg的量添加血晶素或維生素 K25mg，最 後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為4L，並調整初始pH至7. 6 ;其中，上述4L中，生物 質原料乾重為400g，接種物為2. 4kg。
[0045] (4)封閉厭氧消化器，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過靜置培養，至少 每天一次搖動消化器中的物料，防止物料分層，使原料與接種物均勻接觸；26h開始產生甲 烷，當日產氣量低於平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一輪投料或接種。
[0046] 厭氧消化過程中添加血晶素或維生素 K2與同等條件下未添加的廚餘垃圾厭氧消 化產甲烷相比，生物氣的總產氣量分別提高了 26. 3%和21. 8%，生物氣中有效成分甲烷的平 均含量提高16. 2%和11. 1%應系統的還原力是促進。
[0047] 本發明中改善厭氧反應器中低劣生物質厭氧消化過程中整個反水解速率及甲烷 產量提高的關鍵。本發明是在厭氧反應器中，添加適量的血晶素或維生素 Κ2，提高反應系統 的還原力，使NADH/NAD+維持在最佳的範圍，從而促進水解及厭氧產甲烷過程。在厭氧消化 器中調整運行條件，為厭氧微生物創造適宜的碳氮比及汙泥停留時間、水力停留時間、pH值 等環境條件。通過添加適量血晶素或維生素 K2改善厭氧反應器中的還原力，促進水解菌及 產甲烷菌的生長及其活性，從而加速厭氧消化速率及提高反應系統甲烷的產量。
【權利要求】
1. 一種用於提高生物質原料厭氧消化產甲烷產量的方法，其特徵在於，包括如下步 驟： (1) 將生物質原料乾物質切碎為l~5cm的小段，備用； (2) 取接種物備用； (3) 在厭氧消化器中，加入上述（1)的生物質原料乾物質以及上述（2)的接種物，調整 C/N比，加入血晶素或維生素1(2，最後用水補至整個厭氧消化器中所有物料為反應容器有效 容積的80%，並調整初始pH ;其中，生物質原料乾物質含量佔上述80%有效容積的6~10%，接 種物佔上述80%有效容積的60% ; (4) 封閉厭氧消化，反應溫度控制在35±2°C，發酵過程中通過搖動或攪拌方式使物料 反應均勻，24~36h內開始產生甲烷，並開始計算平均日產氣量，當發酵進行到日產氣量低於 平均日產氣量的25%時，反應即可結束，進行新一輪投料或接種。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的生物質原料為秸杆原料或廚餘垃 圾；其中，所述的秸杆原料為麥秸杆、水稻秸杆、玉米秸杆、薯類秸杆、油料秸杆、棉花秸杆、 甘蔗渣、蔬菜秸杆、水葫蘆一種或幾種混合。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的接種物為厭氧汙泥或動物糞便。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述的厭氧汙泥為老沼氣池的沼渣、腐敗 河泥或城市汙水處理廠的厭氧消化汙泥中的一種或多種。
5. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述的動物糞便為豬糞、牛糞、雞糞一種 或幾種混合。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟（3)中C/N比調節至25:1~30:1， 初始pH調節至7. (Γ7. 6。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟（3)中血晶素或維生素 K2的添 加量為lmg/L~50mg/L，優選的添加量為lmg/L~10mg/L。
8. 根據權利要求1-7所述的方法，其特徵在於，所述的厭氧消化發酵產甲烷的方式為 分批培養發酵、補料分批培養發酵或連續培養發酵。
【文檔編號】C12P5/02GK104152493SQ201410393473
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】奚永蘭, 常志州, 葉小梅, 徐蓉, 杜靜, 陳廣銀 申請人:江蘇省農業科學院