阅读说明：本技术 一种鸡粪与玉米秸秆干发酵快速启动工艺及稳定运行方法 (Chicken manure and corn straw dry fermentation rapid start process and stable operation method ) 是由 王立闯 丁岳峰 高有清 张晓光 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种鸡粪与玉米秸秆干发酵快速启动工艺及稳定运行方法。本发明专利采用鸡粪与玉米秸秆进行干式厌氧发酵,对干玉米秸秆采用“机械粉碎+微生物腐化”的预处理工序后与鸡粪配比混合进行干式厌氧发酵。快速启动工艺采用干法启动,利用特殊培养和驯化污泥进行接种,同时调节反应器初期pH稳定性,提高产甲烷菌活性并有助于甲烷菌的快速繁殖增量,减少调试启动期的碱液添加。本方法实现了干式厌氧发酵系统的快速、稳定启动和后期的稳定运行。(The invention relates to a quick starting process and a stable operation method for dry fermentation of chicken manure and corn straw. The invention discloses a method for preparing corn stalk dry anaerobic fermentation, which comprises the steps of performing dry anaerobic fermentation on chicken manure and corn stalks, and performing dry anaerobic fermentation on the dry corn stalks after a pretreatment process of mechanical crushing and microbial decay. The quick starting process adopts dry starting, utilizes special culture and domesticated sludge for inoculation, simultaneously adjusts the initial pH stability of the reactor, improves the activity of methanogens, is beneficial to quick propagation increment of methanogens, and reduces alkali liquor addition in a debugging starting period. The method realizes the rapid and stable start and the later stable operation of the dry anaerobic fermentation system.)

一种鸡粪与玉米秸秆干发酵快速启动工艺及稳定运行方法

技术领域

本发明涉及一种鸡粪与玉米秸秆干发酵快速启动工艺及稳定运行方 法。

背景技术

中国作为农业大国，玉米秸秆资源丰富，2018年全国主要农作物玉米 秸秆可收集资源量为9亿吨，其中玉米秸秆所占比例大于1/3，合理的将这 部分资源转化为可利用的能源至关重要。畜牧业作为农业的重要组成部分 之一，是农业生产的重大支柱产业，也是农民收入的主要来源之一，目前 我国大量玉米秸秆和鸡粪没有得到有效利用，造成资源浪费，而厌氧发酵 技术是实现玉米秸秆资源化利用的有效手段，解决玉米秸秆浪费的同时产生甲烷气等再生能源对缓解我国能源紧张状况，促进社会经济的可持续发 展和改善生态环境都具有重要意义。目前厌氧发酵技术均采用单一物料进 行厌氧发酵，且多为湿发酵，但是单独的鸡粪发酵中、发酵后产物浓度较 低，能源消耗较大，且碳氮比失衡，发酵工艺稳定性差。而玉米秸秆中木 质素含量过高，难以水解，导致玉米秸秆作为单一物料进行厌氧发酵时发 酵周期长且产沼气效率低，无法实现最大化沼气工程效益。此外，城市污 水处理厂中污泥产量巨大，由于污泥中质量含水率过高，燃烧后热值较低， 填埋又占用土地资源，而且易造成二次污染，且目前传统厌氧发酵技术手 段为防止初始阶段物料投加量过高，甲烷菌不足导致反应器水解酸化严重， 出现启动失败情况，均选择湿法启动来保证稳定运行，随后持续调节物料 投放量直到反应器处于干发酵状态。但湿法启动初始阶段物料投加量少， 反应器中总固体含量低，反应周期较长，反应器运行效率较低。而传统厌 氧发酵过程中污泥添加只在启动阶段和产气效率低时候，没有遍布全过程， 无法维持产酸菌的酸化速率和产甲烷菌利用挥发性脂肪酸速率维持动态平 衡，但是污泥中微生物含量高，可以为厌氧发酵工艺提供足量的菌种并适 当补充碱度。

因此本发明在此基础上提出一种稳定的以干法快速启动的干式厌氧发 酵工艺。

发明内容

本发明涉及一种鸡粪与玉米秸秆干发酵快速启动工艺及稳定运行方 法。将玉米秸秆进行“机械粉碎+微生物腐化”预处理以后与鸡粪按照设计优 化比例混合后发酵，同时将污水厂剩余污泥经过特殊培养和驯化过程，用 来调节厌氧反应器的pH同时提高产甲烷菌数量，减少初期的碱液添加，提 高启动速度稳定性，且有效提高产气效率。

一种鸡粪与玉米秸秆干发酵快速启动工艺及稳定运行方法，

1)采用干玉米秸秆(通常质量含水率为6％～12％)作为辅料，对其进 行“机械粉碎+微生物腐化”的预处理工序：

首先对玉米秸秆进行粉碎处理，保证60目以上秸秆达到D80(即粒径 小于等于60目的秸秆颗粒达到80％以上)；随后将破碎后的玉米秸秆调节 质量含水率到75％～80％，并添加干玉米秸秆质量0.1％～0.3％的纤维素酶 和0.1％～0.3％的半纤维素酶，在自然通风条件下进行3～5天腐化得预处 理的秸秆；经预处理的秸秆与鸡粪按混合后碳氮比25～35：1进行调节， 得待发酵的混合物料；

2)初始阶段，采用干法启动(反应器内部物料质量含水率70％～85％)， 混合后的秸秆与鸡粪需要额外配置占总物料质量占比20％～30％的驯化污 泥用于接种，物料填充厌氧反应器总体积的75％～80％，并每1～6小时开 启搅拌装置5～10分钟，此过程维持3～5天；

3)快速启动时，以3～5天作为一个调整周期逐渐提升日进料量，初始 日进料量为有效容积的1％～3％，在保证产气甲烷浓度35％以上和反应器 内pH值6.5以上的条件下，对物料的日添加量进行阶梯式调整，每次调整 的增加量为上一周期进料量的10％～40％，至系统达到满负荷运行(即日 进料量为有效容积的4％～5％)；进料量和出料量保持一致，以便维持反应 器内的物料填充体积占反应器总体积的75％～80％(即维持有效容积在75％～80％)；

4)稳定阶段：当系统达到满负荷运行时(即日进料量为有效容积的 4％～5％，此时停留时间在20～25d)可停止或减少投入厌氧反应器物料中 驯化污泥配比量(所述减少是指即进料中只采用秸秆与鸡粪混合物或混合 后的秸秆与鸡粪需要额外配置占进料物料质量占比5％～30％的驯化污泥)； 进行体系的正常运行操作。

采用驯化污泥进行反应器运行初始阶段(快速启动)的接种和运行过程 (稳定阶段)中配合碱液使用补充碱度和微生物量；将驯化污泥(质量含 水率75％～80％)和碱液(碱液可采用NaOH溶液等，碱液浓度为 4.0～5.0mol/L)以质量比1：1～2的比例使用。

在厌氧反应器顶部设有甲烷浓度检测器和中部或底部设有pH值检测 器；

在初始阶段、快速启动时、稳定阶段中的一种或二种过程中，当甲烷浓 度日下降2％或pH日下降超过0.4，将驯化污泥(质量含水率75％～80％) 和碱液(碱液可采用NaOH溶液等，碱液浓度为4.0～5.0mol/L)以质量比1： 1～2的比例使用，进行pH的调节，保证pH在6.5～8.0之间；

待投放后自动搅拌，并于3～5小时后二次检测pH，若未达到规定范围 则继续添加碱液，保证发酵液中pH维持在6.5～8.0之间。

厌氧反应器采用分区温度控制方式；由于反应器中，各区域的热量需 求不同，故在厌氧反应器外壳顺着物料运动方向顺序平均分3～4个区域， 分别于厌氧反应器中部和/或底部设置温度传感器和加热装置(如电加热元 件或加热水管或加热水夹套)，通过与温度控制器信号连接的温度传感器的 实时测量，通过调节经温度控制器与外部电源相连的加热装置的功率或者 通过调节与温度控制器相连的加热水管路上的电磁阀控制热水流量，使反 应器的整体温度在37±2℃，保证反应器的稳定运行。

于反应器采用无料钟形式进料(图3)，在厌氧反应器上部或顶部的进 料口处安装无料钟，无料钟上下两端安装有进出料阀门，在无料钟上设置 有加热装置(如热水盘管、换热器、电加热器等中的一种或二种以上)及 沼气吹脱进出口；沼气吹脱进口与厌氧反应器顶部沼气出口或外接氮气气 源相连，利用加热装置对进料进行预升温至37±2℃，避免冷物料进入系统 中造成局部温度变化过大进而降低微生物活性；利用反应器产生的沼气通过无料钟上的吹气进出口对物料进行吹脱，避免进料中的氧气进入厌氧反 应器，降低安全风险的同时，保证反应器维持无氧的稳定环境，保证反应 器的稳定运行。

驯化污泥的制备过程：先将污泥与待发酵的混合物料(鸡粪和预处理 的玉米秸秆)质量比1：1～4混合在一单独罐体中进行驯化，同时根据混合 物量按照10～40mg/L的比例添加碱液(碱液可采用NaOH溶液等，碱液浓 度为4.0～5.0mol/L)调节PH在6.5～8.0，控制污泥驯化温度维持在37±2℃， 每日测定pH，保证污泥中pH一直处于适合产甲烷菌生存的6.5～8.0范围 内，每天充分搅拌2～5次，每周补充一次等质量的待发酵混合物料，驯化一周后即可使用；

污泥来源为市政等污水厂剩余活性污泥，质量含水率75～80％。

鸡粪与玉米秸秆混合厌氧发酵启动中，单独发酵存在碳氮营养比失衡 等严重弊端，不利于沼气工程应用。因此本发明利用其各自的优势，将鸡 粪与玉米秸秆按碳氮比25～35：1进行调节，可以维持厌氧反应器中产酸 菌和产甲烷菌在活性，提高沼气工程效率。

玉米秸秆中存在的纤维素、半纤维素等不利于玉米秸秆中营养物质被 微生物吸收利用，故采用“机械粉碎+微生物腐化”的方式对玉米秸秆进行预 处理，提高营养物质利用率。

提供一种新型启动方式，在使用混合物料的基础上选择干法阶梯式启 动，可以大幅度缩减发酵周期，提高经济性。

在反应器进料方式上采用无料钟进料形式，并设置有加热装置和吹脱 氧气装置，保证反应器内部温度和氧浓度稳定。

设定智能检测系统监控系统内甲烷浓度和pH并与加碱系统联动。

选择特殊驯化后的污泥代替部分碱液添加，维持发酵系统pH的同时提 供额外的产甲烷菌，使厌氧反应器能够稳定运行。

活性污泥：是微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质的总称， 微生物群体主要包括细菌、原生动物和藻类等，本专利中的活性污泥是指 污水处理设施中厌氧池或好氧池中的污泥。

本发明快速启动工艺采用干法启动，利用特殊培养和驯化污泥进行接 种，同时调节反应器初期pH稳定性，提高产甲烷菌活性并有助于甲烷菌的 快速繁殖增量，减少调试启动期的碱液添加。本方法实现了干式厌氧发酵 系统的快速、稳定启动和后期的稳定运行。

附图说明

图1物料添加全过程流程；

图2鸡粪与玉米秸秆快速启动运行全系统流程；

图3为无料钟结构示意图；其中，1、无料钟进料阀门，2、无料钟出料 阀门，3、无料钟水浴加热夹套(或夹层)，4、吹脱出气阀门，5、吹脱进 气阀门，6、加热系统进水，7、加热系统回水；

具体实施方式

本发明的目的是这样实现的：

如图2所示，将发酵使用的玉米秸秆经破碎，保证60目秸秆达到D80， 污泥取自污水处理厂(污泥来自于脱水后的剩余生物活性污泥、污泥浓缩 池或厌氧消化池)。污泥使用前需与待发酵的混合物料(新鲜鸡粪+预处理 后的玉米秸秆)质量比1：1～4混合在单独罐体中进行驯化，同时添加碱液 调节PH在6.5～8.0，控制污泥驯化温度维持在37±2℃，每日测定pH，保 证污泥中pH一直处于适合产甲烷菌生存的6.5～8.0范围内，每天充分搅拌 三次，每周补充一次等质量的待发酵混合物料，驯化一周后即可使用。鸡 粪与玉米秸秆的混合物料在初始阶段和启动阶段每日需要根据pH和甲烷 浓度变化添加部分碱液和驯化后污泥，确保pH稳定和微生物数量充足。试 验全周期采用等量进料等量出料手段，由于稳定阶段物料添加和排出量大， 为防止发酵反应器中微生物流失，采取补充驯化污泥的方法，既可保持高 产沼气效率又可增大投放物料分解利用效率。初始阶段、启动阶段和稳定 阶段排出的物料均实施二次好氧堆肥。为保证厌氧发酵工艺快速稳定运行 而设置智能检测系统，为了确保厌氧反应器中pH稳定，设定一个pH实时 在线检测仪器，通过控制系统和调控系统，当检测pH不在6.5～8.0之间时， 会自动计算碱液和驯化后污泥投放量，保证pH稳定。厌氧反应器设置的分 区温度传感器将不同区间的温度进行反馈并调节加热装置功率，保证厌氧 反应器整体的温度在37±2℃。沼气收集处采用沼气处理装置(脱水脱硫 等)，将气体中H₂S与水分等分离，确保得到高纯度CH₄，甲烷浓度变化会 实时反馈到中央控制系统，根据甲烷浓度变化而适当调整驯化污泥投放量。

实施例

1.一种特殊的玉米秸秆预处理方式。由于玉米秸秆中含有大量木质素， 纤维素和半纤维素等，在沼气工程利用中严重影响厌氧发酵效率。因此本 发明选择“机械粉碎+微生物腐化”的“物理+生化”组合预处理手段。具体操 作为：先使用物理处理技术将风干玉米秸秆(通常质量含水率为6％～12％) 粉碎，使60目秸秆达到D80，保证玉米秸秆中木质素，纤维素和半纤维素 等被初次破坏，同时增大玉米秸秆比表面积，方便产酸菌和产甲烷菌的分解利用。随后使用微生物腐化技术对粉碎到60目以下的玉米秸秆进行二次 预处理，具体方法为将破碎后玉米秸秆调整至质量含水率在75％～80％之 间，并按照沼气工程所使用的具体玉米秸秆量分别添加干玉米秸秆质量 0.1％～0.3％的纤维素酶(在此为0.2％)和半纤维素酶(在此为0.2％)并进 行堆垛，控制堆垛维持在40℃～60℃之间，有效破坏细胞壁的分子结构， 加快玉米秸秆细胞内溶物的析出。待自然通风条件下堆垛3～5天(在此为 4天)腐化后可使用。

风干秸秆预处理前后数据对比

通过分析数据可看到，经过预处理以后，总糖得率可达到11.75g/100g DM，提高了玉米秸秆的利用率，并将工程中秸秆投加占比降低至10％～ 20％，降低了运行成本和减少了物料的膨胀率。

2.污泥驯化和利用驯化污泥周期性补充微生物的方法。

传统的活性污泥驯化不会投加碱液维持产甲烷菌最适pH，导致驯化周 期长、甲烷菌繁殖慢，且干式厌氧反应器内随着物料的投加pH可能会持续 降低，微生物也会随着出料流失，造成反应器效率降低，产气不稳定等现 象。因此本发明先将污泥与待发酵的混合物料(新鲜鸡粪+预处理后的玉米 秸秆)质量比1：1～4(在此为1：1)混合在单独罐体中进行驯化(污泥来源 为市政等污水厂剩余活性污泥，质量含水率75～80％。)，同时根据混合物 量按照10～40mg/L的比例添加碱液，碱液可采用NaOH溶液等，碱液浓度 为4.0～5.0mol/L(在此为4.5mol/L)，调节pH在6.5～8.0，控制污泥驯化 温度维持在37±2℃，每日测定pH，保证污泥中pH一直处于适合产甲烷菌 生存的6.5～8.0范围内，每天充分搅拌2～5次，每周补充一次等质量的待 发酵混合物料，驯化一周后即可使用。维持产甲烷菌的最大活性,供鸡粪与 玉米秸秆混合发酵的快速启动使用，整个污泥驯化流程一直保持至启动结 束。快速启动时，混合后的物料需要额外配置质量占比20％～30％的驯化 污泥用于接种，在整个启动周期持续补充驯化污泥，当系统达到满负荷运 行时(即日进料量为有效容积的4％～5％，此时物料停留时间20～25d)可 停止或减少驯化污泥配比量，使得能够实现厌氧反应器前期快速启动，后 期稳定运行的目的。

3.如图1所示，玉米秸秆先通过切割机粉碎到5cm以下，再通过研磨机 粉碎到60目以下，保证60目以下的玉米秸秆达到D80，随后将破碎后的 玉米秸秆调节质量含水率到80％，再添加玉米秸秆质量0.2％的纤维素酶和 0.2％的半纤维素酶，在自然通风条件下进行5天腐化得预处理的秸秆，经 过微生物腐化完成预处理，新鲜的鸡粪与预处理后的秸秆按比例混合后添 加30％的驯化污泥进行接种，针对30L厌氧发酵罐共需要投放24L的80％质量含水率的混合物料，发酵物占发酵罐总体积的80％，防止因发酵膨胀 堵塞反应器，并每1～6小时开启搅拌装置5分钟。在厌氧反应器物料区域 侧壁内壁顺着物料运动方向平均分4个区域，利用安装的分区测温温控系 统(与温度控制器信号连接的温度传感器，以及经温度控制器与外电源相 连的电加热管)，控制整体发酵温度37±2℃，本工艺在初始阶段就达到干发 酵程度，初始阶段维持5天。快速启动阶段继续添加碱液和经碱处理和驯 化后的污泥，甲烷浓度日下降2％或pH日下降超过0.4时根据混合物量按 照10～40mg/L的比例，精准投加驯化污泥和碱液调节pH(在此采用碱液 浓度为4.5mol/L NaOH溶液，污泥和碱液质量比为1：1)，增加足量微生物 量的同时维持反应器pH在6.5～8.0之间，且减少了碱液的使用量(在此为 30％)，待碱液或污泥投放后自动搅拌，并于4小时后二次检测pH，若未达 到规定范围则继续添加碱液，保证发酵液中pH维持在6.5～8.0之间。随后 反应器内每日添加0.5kg(有效容积2.1％)混合物料，在保证产气甲烷浓度 35％以上和反应器内pH值6.5以上的条件下，对物料的日添加量进行阶梯 式调整，以5天作为一个调整周期逐渐提升日进料量，每次调整的增加量 为上一周期进料量的20％，本次实施例达到满负荷运行时经过了4个阶梯 调整周期(即日进料量达到有效容积4％，此时物料停留时间20～25d)，采 用该种方式进行干式厌氧反应器的快速启动，可将启动调试周期由原先的 60～90天缩短为20～30天，本次为25天(初期5天，快速启动20天)， 随后为了保持反应器的稳定运行，每次厌氧反应器的进料中额外配置进料 质量10％的驯化污泥，能够维持厌氧反应器后期的稳定运行。

主要指标	传统方式	快速启动
			达到干式厌氧发酵	30～60d	1d
启动周期	60～90d	20～30d
			启动期加液碱频率	1～3d/次	5～10d/次

厌氧反应器产生的沼气通过气体流量计进行瞬时流量和累计流量监 测，随后经过脱水脱硫装置进行处理(在此采用的脱水装置为吸附式脱水 罐。脱硫装置为填料干法脱硫)，最终得到较纯净的甲烷。

所述厌氧反应器上还包括有：一个智能的pH和甲烷浓度在线检测及调 节系统。为保证厌氧反应器中产甲烷菌活性处于良好的稳定状态，在反应 器中设定针对甲烷浓度和pH智能检测系统，当甲烷浓度日下降2％或pH 日下降超过0.4精准投加处理后的驯化污泥和碱液10～40mg/L(碱液由 4.5mol/L NaOH溶液配制，污泥和碱液的质量比为1：1)，待投放后自动搅 拌处理，并于4小时后二次检测pH，若未达到规定范围则继续添加碱液， 保证发酵液中pH维持在6.5～8.0之间，保证沼气工程处于高效率状态，维 持菌种数量和碱度。

所述厌氧反应器上还包括有：一种厌氧反应器分区温度在线检测及调 节系统。由于反应器中，各区域的热量需求不同，故采用分区温度控制方 式，在厌氧反应器侧壁内壁物料区域顺着物料运动方向平均分4个区域， 在各区域设置温度传感器和加热装置控制系统，利用安装的分区测温温度 传感器的实时测量，调节分区对应的加热装置的功率或者热水流量，保证 反应器的整体温度在37±2℃。

一套中央控制系统和智能调控系统，在厌氧反应器顶部气室安装甲烷 浓度检测探头，在厌氧反应器侧壁内壁物料区域顺着物料运动方向平均分4 个区域安装温度检测探头和pH值检测探头，通过以上安装的检测探头在线 检测的指标以电信号的形式，通过信号线将电信号传输到PLC中转化成数 字信号，随后将数字信号通过传输至中央电脑端进行实时显示，操作人员 通过在中央电脑端设置参数，不符合设定范围的数值将通过PLC智能调控 系统控制加热装置及加碱装置的启停，实现对温度和pH等进行自动调节。

一种厌氧发酵出料再利用的办法，由于厌氧发酵不能对有机物进行完 全的降解，导致其出料中依然含有大量的有机质成分，将出料进一步堆肥 可以实现有机物的二次降解及利用，将厌氧发酵剩余的有机物转化为稳定 的腐殖质，施入农田，增加土壤肥效，真正实现农业废弃物的减量化、资 源化、无害化。

所述厌氧反应器上还包括有：一种使用带预升温和吹脱功能的无料钟 进料工艺(如图3所示)。为避免因未达到规定温度的初始物料添加到反应器 中，导致反应器内发酵液温度出现波动，影响产酸菌和产甲烷菌活性。进 料时将无料钟(图3)的进料阀门1打开，投进物料后将无料钟进料阀门1 关闭，吹脱出气阀门4将大气与无料钟罐体连接、吹脱进气阀门5将吹脱 气源与无料钟罐体连接，通过打开阀门4、阀门5对物料进行1min吹脱， 吹脱气体采用反应器产生的沼气(也可采用外接罐装的氮气或者其它惰性 气体)，除去物料添加时自身携带的氧气，维持稳定的无氧环境，吹脱后关 闭阀门4、阀门5。吹脱时要防止物料质量含水率过低导致物料飞溅，堵塞 取样口及出气口等。同时通过加热系统进水6、加热系统回水7循环热水经 无料钟水浴加热夹套3对无料钟内部的物料进行预升温，温度设定与反应 器设定温度一致为37±2℃，待完成物料处理后将无料钟出料阀门2打开， 无料钟内部的物料在重力作用下进入下部连接的厌氧反应器内部。

预升温和吹脱前后数据对比

主要指标	未经过处理	经过处理
			温度	18℃～25℃	37±2℃
氧含量	10～21％	1％以下
			反应器温度波动	-3℃以内	±0.5℃
反应器产气受抑制时间	30～60min	0～10min

本发明专利采用鸡粪与玉米秸秆进行干式厌氧发酵，对干玉米秸秆采 用“机械粉碎+微生物腐化”的预处理工序后与鸡粪配比混合进行干式厌氧 发酵。快速启动工艺采用干法启动，利用特殊培养和驯化污泥进行接种， 同时调节反应器初期pH稳定性，提高产甲烷菌活性并有助于甲烷菌的快速 繁殖增量，减少调试启动期的碱液添加。