一种固态发酵制备沼气的工艺与装备

摘要

本发明属于沼气制备领域。涉及一种畜禽粪污与农作物秸秆固态发酵制备沼气的工艺与装备。工艺特征是，它包括至少一组或多组沼气发酵单元组成的固态发酵制备沼气的系统，也包括沼气原料的预处理步骤。总体采用序批式固态发酵工艺，即先将农作物秸秆揉撕，自然堆沤3-7天发酵，得原料1；再将畜禽粪污中的干鲜粪污堆沤酸化3-5天发酵，得原料2；然后将原料1和原料2按适宜碳氮比混合得到混合发酵原料，再向所述混合原料中接种适量的沼气池污泥或污水处理厂污泥，以这些土著微生物促进沼气生产。本发明的装备总体上由26个的独立的和互为连通的发酵装置、行车运送装置、进料装置、出料装置、沼液输出装置、沼液回流装置和沼气收集装置组成。本发明为低碳经济提供了新技术。

权利要求

1.一种固态发酵制备沼气的工艺，其特征在于：

(1)将揉撕后的农作物的秸秆，用沼气池的原沼液润湿所述秸秆后堆沤制3-7天，控制原料堆的发酵温度为33-37℃，至原料堆温度至60度以上且堆温由最高值开始下降，在堆料中可见白色微生物产生停止沤制，得到发酵原料1；

(2)将畜禽粪污中的干鲜粪污在池中堆沤3-5天，控制原料堆的发酵温度为33-37℃，至所述的原料堆颜色由黄色变为黑褐色，使该原料堆的pH至6.8-7.4，保持该pH值的相对稳定至堆沤结束，得到发酵原料2；

(3)按碳氮比为20-30为基准的量混合步骤1)所得的发酵原料1和步骤2)所得的发酵原料2，按发酵原料1和发酵原料2总重量的20-40％接种沼气池污泥或污水处理厂污泥，混合均匀后装入发酵专用设备中的发酵装置中，控制发酵周期为20-30天，控制发酵温度为33℃-37℃，调整发酵物的pH至7；

所述的发酵专用设备包括20-30个单一的独立的发酵装置(1，19，20，21，22，23，24)、行车运送装置(2)、进料装置(3)、出料装置(4)、沼液收集装置(5，26)、沼液回流装置(6)和沼气收集装置(7，25)构成；所述发酵装置(1，19，20，21，22，23，24)的主体为圆柱形，其下部为锥形，它还包括如下特征：A、每个发酵装置(1，19，20，21，22，23，24)由固定部分底座(8)、移动部分内胆(9)和移动水封盖(11)组成，底座(8)下端内部支撑内胆(9)，并连接沼液收集装置(5)；水封盖(11)放置在底座(8)上端的水槽(10)中，连接沼气收集装置(7，25)和沼液回流装置(6)；

B、每个发酵装置(1，19，20，21，22，23，24)的下端通过底座(8)与沼液收集装置(5，26)相连，利用压力差使沼液自流到沼液收集装置(5，26)；每个发酵装置(1，19，20，21，22，23，

24)上端通过水封盖(11)与沼气收集装置(7，25)和沼液回流装置(6)相连，水封盖(11)放置在深度为40cm以上的水槽(10)中，并在水封盖(11)的顶端中部开有沼液回流孔(12)，其侧面开有沼气输出孔(14)，分别连接到储气柜和储液池；

C、所述水槽(10)为U型，槽深为40cm，所述的水封盖(11)安装在底座(8)上，水封盖(11)通过固定在水槽底端内壁的卡柱与水槽(10)连接；

D、每个发酵装置(1，19，20，21，22，23，24)的水封盖(11)内部顶端安装一个半径为水封盖圆面1/3半径圆环形的喷淋管(13)，喷淋管(13)的直径小于10cm，其表面开有3排直径为1-2mm的通孔。

说明书

一种固态发酵制备沼气的工艺与装备

技术领域

[0001] 本发属于农业生物能源利用技术领域，尤其属于农业沼气制备技术领域。具体涉及一种利用畜禽粪污与农作物秸秆为发酵原料的两相固态发酵制备沼气的工艺与装备，背景技术

[0002] 随着集约化畜禽养殖业的迅速发展，生产模式已由原来的庭院式生产方式转向现在的集约化、规模化、商品化的生产方式。生产模式的改变会带来一定的风险性，因为在集约化养殖中，畜禽粪污(含粪、尿和冲洗水)产生量大，且高度集中，如果不能有效处置，将很容易造成环境污染，使得集约化养殖场场成为一个大型的污染物排放源；同时也为生产过程中的污染物的集中管理和处置提供了可能性，如果采用合理的技术，这些污染物可成为可以循环利用的资源。

[0003] 针对上述问题，研究者提出了众多可行的技术，包括自然堆放发酵法、太阳能大棚发酵法、充氧动态发酵法(堆肥)、高温快速干燥法、热喷法、微波干燥法和沼气发酵法等，其中沼气发酵技术则被认为是最为切实可行的一种技术，其既可以有效处理废弃物，又能产生便利和清洁的沼气能源。

[0004] 对于传统的沼气工程技术而言，主要采用厌氧湿发酵技术，即利用粪水进行厌氧发酵生产沼气(一般需对畜禽粪便加水2-3倍进行稀释)，这种方式发酵原料固形物浓度低，需要反应器体积巨大，容积产气率低，而且发酵后沼液可溶性COD浓度非常高，难以固液分离，极难处理，容易造成环境的二次污染。

[0005] 因此，开发新的体积小、投资省和后处理简单的适用于农业沼气利用的新型厌氧发酵工艺与装备是非常必要的。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于解决上述问题，提供一种可用于大中型畜禽养殖场的两相固态发酵制备沼气的工艺与装备，经过小规模长时间运行证明，本发明的工艺及装备设计合理可行、操作简便，不但可以高效持续的产沼气，还可将发酵后沼渣沼液开发成有机肥进一步利用。该工艺与装备可在较广泛地区应用推广。

[0007] 实现本发明的工艺如下：

[0008] 一种固态发酵制备沼气的方法，它包括有至少一组或多组沼气发酵单元组成的固态发酵

[0009] 制备沼气的系统，也包括制备所述沼气的原料的预处理步骤，其实施步骤如下：

[0010] (1)将揉撕后的农作物的秸秆，用沼气池的原沼液润湿所述秸秆后堆沤制3-7天，控制原料堆的发酵温度为33-37℃，至原料堆温度至60度以上且堆温由最高值开始下降，在堆料中可见白色微生物产生停止沤制，得到发酵原料1；

[0011] (2)将畜禽粪污中的干鲜粪污在池中堆沤3-5天，控制原料堆的发酵温度为33-37℃，至所述的原料堆颜色由黄色变为黑褐色，使该原料堆的pH至6.8-7.4，保持该pH值的相对稳定至堆沤结束，得到发酵原料2；

[0012] (3)按碳氮比为20-30(最佳碳氮比为25)为基准的量混合步骤1)所得的发酵原料1和步骤2)所得的发酵原料2，按发酵原料1和发酵原料2总重量的20-40％接种沼气池污泥或污水处理厂污泥，混合均匀后装入发酵装备中的发酵装置中，控制发酵周期为20-30天(最佳值为25天)，控制发酵温度为33℃-37℃(最佳温度控制在35℃)，调整发酵物的pH至7。

[0013] 适用于上述工艺方法的专用装备，由20-30个单一的独立的发酵装置(1，19，20，21，22，23，24，25，26)、行车运送装置(2)、进料装置(3)、出料装置(4)、沼液收集装置(5，
26)、沼液回流装置(6)和沼气收集装置(7，25)构成；所述发酵装置(1，19，20，21，22，23，
24，25，26)的主体为圆柱形，其下部为锥形，通过进料装置(2)和出料装置(3)分别完成发酵原料的装卸。

[0014] 每个发酵装置(1，19，20，21，22，23，24，25，26)由固定部分底座(8)、移动部分内胆(9)和移动水封盖(11)组成，底座(8)下端内部支撑内胆(9)，起保温作用，并连接沼液输出装置(5)；水封盖(11)放置在底座(8)上端的水槽(10)中，连接沼气收集装置(7或25)和沼液回流装置(6)；内胆(9)中装发酵原料，并可在揭开水封盖(11)后，通过行车运送装置(2)吊起在各个底座和装料地点间来回运送。

[0015] 每个发酵装置(1，19，20，21，22，23，24，25，26)的下端通过底座(8)与沼液收集装置(5，26)相连，利用压力差使沼液自流到沼液收集装置(5，26)；每个发酵装置(1，19，20，21，22，23，24，25，26)上端通过水封盖(11)与沼气收集装置(7，25)和沼液回流装置(6)相连，水封盖(11)放置在深度为40cm以上的水槽(10)中，并在水封盖(11)的顶端中部开有沼液回流孔(12)和侧边开有沼气输出孔(14)，并分别连接到储气柜和储液池。

[0016] 所述的水槽(10)为U型，槽深为40mm，所述的水封盖(11)安装在底座(8)上，水封盖(11)通过固定在水槽底端内壁的卡柱与水槽(10)连接。

[0017] 沼液回流通过连接到沼液收集装置(5，26)的泵提供压力，并在每个发酵装置(1，19)的水封盖(11)内部顶端安装一个半径为水封盖圆面1/3半径圆环形的喷淋管(13)，喷淋管(13)的直径小于10cm，其表面开有3排直径为1-2mm的通孔。

附图说明

[0018] 图1是本发明的总体工艺装备布局示意图。

[0019] 图中编号：1-发酵装置；2-行车运送装置；3-进料装置；4-出料装置；5-沼液收集装置；6-沼液回流装置；7-沼气收集装置。

[0020] 图2是本发明固体沼气发酵装置结构示意图。

[0021] 图中编号：8-固定底座；9-移动内胆；10-水槽(U形)；11-水封盖；12-沼液回流孔；13-喷淋管；14-沼气输出孔；15-热水注入孔；16-温度传感器插入孔；17-沼液排出口。

[0022] 图3是固体发酵装置结构示意图。

[0023] 图中编号：18-沼液回流泵和阀；19、20、21、22、23、24-发酵装置(发酵工作单元)；25-沼气收集装置；26-沼液收集装置。

具体实施方式

[0024] 本实施例具体设计参照上述《发明内容》以及《附图说明》所述的技术方案，为节省篇幅，本段对上述已经公开的技术细节不再重复。

[0025] 本发明的工艺步骤如下

[0026] 1)根据畜禽养殖场养殖规模，估算日排粪便量，按照常规方法测定粪便的含水率和碳氮比；

[0027] 2)确定拟加入其中作为调理剂即农作物秸秆的种类，一般可选择稻草、麦秆、油菜秆、玉米秆等农作物的秸秆，也可以是青草和树叶等，使用前按照常规方法测定其含水率和碳氮比；

[0028] 3)根据发酵原料碳氮比为20至30，最佳值为25，固形物浓度为15％至20％，最佳值20％，确定粪便和秸秆的用量；

[0029] 4)根据步骤3)的用量，测算首次运行需要接种物用量，所述接种物为沼气池污泥或污水处理厂污泥，接种物的质量比例为20-40％，最佳值为30％，以后不用再添加接种物，即用沼液回流方式利用原沼液作为接种物即可；

[0030] 5)根据粪便、秸秆和接种物(沼气池污泥或污水处理厂污泥，)用量，测算其体积，确定所需发酵装置的容积；

[0031] 6)控制发酵温度为33-37℃，最佳温度控制在35℃，发酵周期控制为20天至30天，最佳值为25天，确定适宜发酵温度和发酵周期，并确定发酵装置总数量和厂房面积，厂房长度为单个发酵装置的直径的2倍乘以数量，宽度为单个发酵装置的直径的3倍；

[0032] 7)原料预处理，秸秆经过机械揉撕至2-3cm、用原沼液润湿后堆沤3-7天，至出现高温后下降并产生可见的大量白色微生物(例如白腐霉)；畜禽粪污中的干鲜粪污在酸化池中堆沤3-5天，至颜色由黄色变成黑褐色，使pH值达到6-8并保持该pH值的相对稳定；

[0033] 8)将步骤7)预处理好的秸秆和粪污与接种物(即步骤6)所述的沼气池污泥或污水处理厂污泥)混合均匀后装入发酵装置。

[0034] 适宜本发明工艺的专用装备总体上的发酵装备部分由发酵装置(1，19，20，21，22，23，24，25，26)、行车运送装置(2)、进料装置(3)、出料装置(4)、沼液收集装置(5，26)、沼液回流装置(6)和沼气收集装置(7或25)构成；发酵装置(1，19，20，21，22，23，24，25，26)的容积和数量由上述工艺方法中步骤5)和6)确定，发酵装置(1，19，20，21，22，23，24，25，26)为钢结构或其他复合材料构成，其主体部分为圆柱形，下部为锥形。每个发酵装置((1，19，
20，21，22，23，24，25，26)由固定部分底座(8)、移动部分内胆(9)、移动水封盖(11)组成，底座(8)下端内部支撑内胆(9)，起保温作用，并接沼液输出装置(5)；水封盖(11)放置在底座(8)上端的水槽(10)中，在水封盖(11)顶端中部开有沼液回流孔(12)连接到沼液回流装置(6)，侧边开有沼气输出孔(14)连接到沼气收集装置(7，25)；内胆(9)中装入发酵原料1和2以及接种物沼气池污泥或污水处理厂污泥，并可在揭开水封盖(11)后，通过行车运送装置(2)吊起在各个底座和装料地点间来回运送，在装料地点通过进料装置(2)和出料装置(3)分别完成发酵原料的装卸；每个发酵装置(1，19)的下端通过底座(8)与沼液收集装置(5，26)相连，利用压力差使沼液自流到沼液收集装置(5，26)；上端通过水封盖(11)与沼气收集装置(7或)和沼液回流装置(6)相连，水封盖(11)放置在深度为40cm以上的水槽中，并在水封盖(11)的侧边开沼气输出孔和沼液回流孔，并分别连接到储气柜和储液池。水槽(10)为U型，槽深为40mm，内装自来水用于密封发酵装置内沼气(槽深取决于发酵装置(1，19)内气体压力要求，一般可选择为40mm)，所述的水封盖(11)安装在底座(8)上，水封盖(11)通过固定在水槽底端内壁的卡柱与水槽(10)连接。

[0035] 沼液回流通过连接到沼液收集装置(5，26)的泵提供压力，并在每个发酵装置(1，19)的水封盖(11)内部顶端安装一个半径为水封盖圆面1/3半径圆环形的喷淋管(13)，喷淋管(13)直径小于10cm，表面开有3排直径为1-2mm的通孔。发酵装置(1，19)的内胆(9)的底部为网状结构，液体可以流向底座(8)，在底座(8)与内胆(9)的接合处放置一块孔径小于1cm的过滤钢丝网。沼液收集装置(5，26)底部安装过滤钢丝网，网格直径小于1mm，且进液口位于出液口的下部，滤网位于两者之间，最下端安装一个大口径的阀门，用于排放沼渣；进料装置采用绞龙传送带；出料装置放置在进料装置附近，行车运送装置(2)吊起发酵装置(1，19)中的内胆(9)后运送到出料地点，放置在出料装置上，固定后，转动出料装置，将发酵后原料倾倒。

[0036] 针对一个万头规模的养猪场，按照实际存栏量约为5000头商品猪，按每头商品猪每天产干鲜粪2千克，则整个猪场每日产干鲜粪共约10吨(原料2)，经过测定这些干鲜粪的含水率约为85％。碳氮比约为13，如果加入的作物秸秆(原料)为稻草(原料1)，按照稻草的含水率约为13％和碳氮比约为65，根据本发明工艺提出的发酵原料碳氮比最佳值25，固形物浓度最佳值20％计算，需要加入稻草2吨，使最沼气发酵原料的终含水率约为
20％和碳氮比约为25，按发酵原料总量的重量加入接种物(即沼气池污泥或污水处理厂污
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泥)20％计算，发酵物总重量约13吨，总体积约10m3，故每个发酵装置设计体积为10m ；按最佳发酵周期25天，则需要制造发酵装置25个，另需配备周转发酵装置1个，共需26个发酵装置；每个发酵装置按直径与高相等，确定发酵装置的内胆直径和高度约2.5m，故厂房(发酵车间)长度约为130m，宽度约为7.5m。

[0037] 发酵装备包括26套发酵装置(见附图11，附图2中19和附图3中19，20，21，22，23，24，25，26所示)、1套行车运送装置(2)、1套进料装置(3)、1套出料装置(4)、1套沼液收集装置(5，26)、1套沼液回流装置(6)和1套沼气收集装置(7，25)，其中每套发酵装置包括与沼液收集装置(5，26)、沼液回流装置(6)和沼气收集装置(7，25)的接口与管道。本实例中发酵装置中发酵物的发酵采用中温即35℃发酵，其温控系统采用市场上常用的温控和检测仪表及元件。

[0038] 发酵物的装料位置一般控制在离发酵装置1的内胆(9)上沿10cm处，停止装料后盖上水封盖(11)并转动，使其通过卡柱实现与水槽的连接，水槽加满水密封，同时连接好沼液收集装置(5，26)、沼液回流装置(6)和沼气收集装置(7，25)的接口与管道，打开相关阀门。发酵开始后发酵装置内的沼液通过压力差自流到沼液收集装置(5，26)，产生的沼气会在超过沼气收集装置(7，25)压力后进入沼气收集装置(7，25)。沼液收集罐(5)的上端通过管道与沼气收集装置(7，25)连接，以确保回流时沼液罐内部压力平衡并保持厌氧环境。回流沼液从发酵罐顶部均匀喷淋至发酵原料，通过回流可以增加各种微生物与发酵原料的接触。在整个发酵周期中，控制发酵时间为20-30天为一个周期，控制发酵温度为33℃-37℃，调整发酵物的pH至6.8-7.4(例如通过向回流液中添加石灰水来调节回流液或发酵物的pH)。

[0039] 以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。