一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺
阅读说明：本技术 一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺 (Straw aerobic fermentation heat and fertilizer co-production process ) 是由 于艳玲 许磊 曹永娜 刘净伊 于 2021-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺,包括以下步骤：(1)将秸秆进行粉碎；(2)将经过预处理的秸秆铺设在发酵容器底部,然后将氮源、磷源、pH调节剂和水充分混合后播撒在秸秆层表面,将秸秆与所有物质混合均匀,混匀后再在表面依次播撒易腐物质、混合菌剂与水的混合液；(3)播撒完毕后重复步骤(2),直至发酵容器被填满；(4)将经过发酵后的秸秆取出,自然风干至含水率在30％以下,粉碎至颗粒状即可。本发明主要是以秸秆为发酵原料的产热、肥工艺,相对于同类工艺技术,本发明方法能量输出模式更多元,秸秆的利用方式更全面,可以增加好氧发酵的产热量,便于规模化、机械化施工,肥效较好。(The invention discloses a straw aerobic fermentation heat and fertilizer co-production process, which comprises the following steps: (1) crushing the straws; (2) laying the pretreated straws at the bottom of a fermentation container, then fully mixing a nitrogen source, a phosphorus source, a pH regulator and water, then spreading the mixture on the surface of a straw layer, uniformly mixing the straws and all substances, and then sequentially spreading a mixed solution of a perishable substance, a mixed microbial inoculum and water on the surface after uniformly mixing; (3) repeating the step (2) after the sowing is finished until the fermentation container is filled; (4) taking out the fermented straws, naturally drying until the water content is below 30%, and pulverizing into granules. The invention mainly uses straws as fermentation raw materials to produce heat and fertilizer, and compared with the similar process technology, the method has more diversified energy output modes and more comprehensive utilization modes of the straws, can increase the heat production of aerobic fermentation, is convenient for large-scale and mechanized construction, and has better fertilizer efficiency.)
技术领域
本发明涉及生物质热生产技术领域，更具体的说是涉及一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺。
背景技术
我国是农业大国，秸秆产量大，且目前综合利用率较低，处理方式主要是直接还田和焚烧。其中直接还田的方式会降低土壤品质，增加作物病虫害风险，影响下一季作物的生长，而通过秸秆焚烧的方式不仅造成生物质资源的浪费，同时产生的废气和烟尘还严重污染环境。由于秸秆密度较小，集中大规模处理的方式经济成本太高，因此寻找一种能将秸秆就地资源化利用后再还田的方法是处理秸秆问题的关键。
为了提高秸秆的利用率，将秸秆进行好氧发酵最终生成有机肥是一种可行方法，好氧发酵是一种在氧气作用下，通过微生物降解有机物的固废处理方法。但常见的好氧发酵关注点局限于生产高品质肥料，而忽略了对好氧发酵中余热的利用。因此，使用发酵产热技术，不仅可以提高肥料的质量得到高质量有机肥，还能实现热能的利用，减少碳排放。
秸秆好氧发酵热肥联产技术目前在我国没有成熟的工艺方法，在技术上需要突破的点主要有两个方面，一方面是保温技术，热肥联产技术热量冗余越大越利于热利用，因此对保温能力要求较高；另一方面是发酵高温期长效稳定运转技术，维持高温运转是堆肥取热的基础，但是高温期长效稳定运转主要依赖于堆肥工艺的设计，不同堆肥工艺的最高温和高温期维持时间均不相同，因此寻找一种能相对维持较长时间高温的堆肥工艺是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明针对好氧发酵产热需求，提供了一种以秸秆为主要原料的，可进行持续产热及生产高品质有机肥的好氧发酵工艺，可以实现秸秆好氧发酵过程的热肥联产。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺，包括以下步骤：
(1)秸秆预处理：将秸秆进行粉碎，粉碎至密度为50-100kg/cm3；
(2)发酵施工：将经过预处理的秸秆铺设在发酵容器底部，以20-40cm为一层，然后将氮源、磷源、pH调节剂和水充分混合后播撒在秸秆层表面，将秸秆与所有物质混合均匀，混匀后再在表面依次播撒易腐物质、混合菌剂与水的混合液；
(3)播撒完毕后重复步骤(2)，直至发酵容器被填满；
(4)肥料的制备：将经过发酵后的秸秆取出，自然风干至含水率在30％以下，粉碎至颗粒状即可；
发酵过程借助取热降温工艺，具体为在发酵堆体的中心放置水管，每1m2放置长度为3m以上的水管，循环动力以水泵带动循环，进水温度在5-50℃之间。本发明将发酵容器中多余的热量转移到循环水中，起到产热的效果，该取热工艺在整个工艺过程中尤为重要，且主要目的在于取热。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，所述混合菌剂包括EM菌50％、乳酸杆菌35-45％、芽孢杆菌3-5％、伯克氏菌0.2-0.4％、罗尔斯通菌0.3-0.4％、不动杆菌0.2-0.5％及醋酸杆菌0.1-0.3％，且所述混合菌剂的有效活菌数大于1×1010个/ml。
微生物是好氧发酵的基础，发酵原料自身携带的微生物难以起到较好的发酵效果，因此需要加入菌剂。混合菌剂中富含多种微生物，能快速降解原料中的有机质，如蛋白质、纤维素、半纤维素等，因此加入菌剂后能加快原料的发酵进程，使用此混合菌剂能加快前期原料的升温过程，使原料快速升温，达到高温期，同时由于多种微生物的存在，使得原料在高温期的降解效果提升，从而提高了此阶段的温度，提高了好氧发酵的产热能力，总而言之，混合菌剂的加入能促进发酵，提高原料的产热能力，提高最终肥料的肥效。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，发酵采用的秸秆为农用秸秆收割机或其他切割揉丝设备制得，在破碎后使用打包技术，形成秸秆方包；或者如果发酵地周边即为秸秆堆放区或农作物种植区，可直接采用秸秆粉碎机就地快速粉碎后直接用于发酵。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，步骤(2)中所述秸秆、氮源、磷源、pH调节剂、易腐物质与水的质量比为1000：(30-40)：(40-70)：(10-15)：(10-30)：1000，且所述秸秆与所述混合菌剂的比例为5ml：(1-2)kg。
比例是都是通过实验确定的，在前者物料的比例下发酵过程效果最好，所产肥料肥效最高；后者秸秆与菌剂的比例说明，在此比例下菌剂已经能发挥其最佳效果，由于微生物繁殖极快，加入过多菌剂，也不能大大提升原料的发酵效果，因此选择了一个性能优异，成本较低的比例。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，所述EM菌为市面常见的商业化菌剂；所述乳酸杆菌可选自发酵用乳杆菌粉，伯克氏菌、罗尔斯通菌、不动杆菌；所述醋酸杆菌为土壤中常见微生物，可以从土壤中筛得；所述芽孢杆菌为市面常见的芽孢杆菌菌粉。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，所述氮源以碳氮比10-30为标准添加，且所述氮源为化学类氮源或者畜禽粪便类氮源。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，所述磷源为过磷酸钙或磷酸氢二钾或磷酸二氢钾；
若以过磷酸钙为磷源，则所述秸秆与所述磷源的质量比为100：(4-5)；
若以磷酸氢二钾为磷源，则所述秸秆与所述磷源的质量比为100：(6-7)；
若以磷酸二氢钾为磷源，则所述秸秆与所述磷源的质量比为100：(5-6)。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，所述易腐物质为麸皮，所述pH调节剂为生石灰。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，所述发酵容器外设置有厚度大于10cm的保温层，且所述保温层为导热系数小于0.05W/(m.K)的保温材料，如聚氨酯、岩棉、橡塑板、挤塑板或泡沫板等。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，若为实验室发酵罐产热系统，则所述发酵容器为体积5L以上的发酵罐，且所述发酵罐的材质为厚度2mm以上的有机材质，形状为立式圆柱体或者箱体，以保温材料和发酵罐厚度共同作为保温手段。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，若为户外产热系统，则所述发酵容器为体积大于30m3、高度不低于1.5m的发酵池，所述发酵池为条垛式、坑式或者罐体容器。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，所述发酵池外设置有厚度大于10cm的保温层，且所述保温层外侧粘贴有PVC膜，以及所述保温层内侧铺设有未经切割的秸秆。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，所述发酵容器底部铺设通风管道，通过在所述通风管道四周预留气孔及将所述通风管道部分暴露于空气中加快自然通风所述发酵容器底部铺设波纹管，通过在波纹管四周预留气孔进行自然通风；且进行发酵温度的调节。
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，通过在发酵堆体中心设置水管以将发酵产生的多余热量取出进行发酵过程温度的调节，取出的热量还可以进行后续利用，利用方式包括但不限于进行房屋、大棚供暖。
具体的，通风使用自然通风：在发酵池底部铺设1.5-2m长的波纹管，在波纹管四周预留气孔，放置在发酵堆体的底部，放置数量要求为每1-2m2的底面积放置一根以上；
优选的，在上述一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺中，所述发酵施工过程还包括补料步骤，且补料步骤同步骤(2)，如果是在北方冬季的室外取水不便，可以采用等质量的雪来代替水溶解氮源、磷源、pH调节剂。
第一步秸秆预处理，秸秆外表面会有天然的蜡质层，会影响发酵，因此需要破碎处理裸露出秸秆内部，此外破碎处理可以增加秸秆的堆积密度，提高发酵体的有效发酵容量，因此需要将秸秆密度维持在50kg/m3以上，但是破碎程度过高会带来负面影响，一是堆积密度过高会影响通风，好氧发酵需要氧气的支持，因此秸秆破碎程度过高会影响发酵过程，二是会增加原料处理成本，秸秆预处理过程较为重要；
第二三步是具体的施工过程，采用此种操作过程能在不使用机械设备的条件下，尽可能的使原料混匀。其中发酵原料的配比尤其重要，一是pH值对好氧发酵过程中微生物的影响，pH值过高或过低都会引起蛋白质结构的变化，从而降低微生物活性，细菌适宜生长在pH值为7.5-8.5的弱碱性环境中，真菌则适宜在弱酸性环境中生长，因此一般调节pH范围为6-9；二是碳氮比对好氧发酵过程中微生物的影响碳源和氮源都是微生物繁殖代谢的重要养分。碳源过少则微生物缺少能量，生长受到抑制，且氮元素以氨气的形式挥发造成损失；碳源过多，微生物蛋白质、核酸等物质合成受到影响，抑制其生长繁殖，造成好氧发酵过程延长。研究发现，CN比为10-30有利于微生物分解有机物，而大多数物质都不满足这个范围，因此实际好氧发酵过程中，需要不同原料来调节好氧发酵所需的碳与氮之间的平衡；三是含水率对好氧发酵过程中微生物的影响，微生物的生命活动需要适宜的水分，在水分过低的环境中微生物无法维持正常的生命活动，导致新陈代谢缓慢；水分过高造成发酵系统内部供氧不足，使好氧微生物生长受到抑制甚至大量死亡，并产生恶臭。大量研究表明，发酵系统的含水量在50％-70％比较适宜。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种秸秆好氧发酵热肥联产工艺，具有以下有益效果：
(1)本发明主要是以秸秆为发酵原料的产热、肥工艺，相对于同类工艺技术，本发明方法能量输出模式更多元，秸秆的利用方式更全面，可以增加好氧发酵的产热量，便于规模化、机械化施工，肥效较好；
(2)本发明的产热量在2000-3000kJ/kg DM之间，而普通堆肥发酵方法的产热量一般在500-2500kJ/kg DM之间；
(3)本发明的施工量以60m3计算，总进料施工时间为1.5天，普通堆肥发酵方法施工量在3天，工期可缩短50％；
(4)本发明的肥料性质经过检测后发现，各项指标均符合农业部最新有机肥料标准NY-525-2021。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明实施例发酵罐尺寸示意图；
图2附图为本发明实施例发酵罐安装组成示意图；
图3附图为5L发酵罐温度变化曲线；
图4附图为30L发酵罐(尿素为氮源)温度变化曲线；
图5附图为30L发酵罐发酵过程的pH变化曲线；
图6附图为30L发酵罐发酵过程的电导率变化曲线；
图7附图为30L发酵罐发酵过程的含水率变化曲线；
图8附图为30L发酵罐发酵过程的发芽率GI变化曲线；
图9附图为30L发酵罐(猪粪为氮源)的温度变化曲线；
图10附图为发酵池温度、氧气传感器布置图；
图11附图为60m3发酵池中心及环境温度变化曲线；
图12附图为60m3发酵池氧气含量变化曲线；
图13附图为发酵物料的表观形态光学照片(A是从肥堆中取出的鲜样，B是处理后的有机肥料)。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
使用体积为5L、5mm厚的亚克力玻璃发酵罐，其罐体内高度为20cm，直径为20cm，中间布置有盲板隔层用于承接渗滤液，盲板孔径为5mm，板半径为9cm，孔间距为8mm，如附图1所示。保温材料选用3.5cm厚的橡塑板，缠绕三层；通风过程使用自动曝气泵，流量为350-400ml/min，将曝气泵通过50℃的恒温水浴锅，发酵罐上方盖有活性炭及带孔的塑料膜，并配有温度传感装置，如附图2所示。
将玉米秸秆进行粉碎，粉碎至密度为64-70kg/cm3，颗粒平均长度为2-4cm，平均宽度为0.3-0.7cm。在发酵罐底部铺设100g的玉米秸秆，将3-4g尿素、4.0-5.0g的过磷酸钙或6.0-7.0g的磷酸氢二钾或5.0-6.0g的磷酸二氢钾、1.0-1.5g生石灰与80ml的水充分混合，播撒在秸秆层的表面，将玉米秸秆与其混合均匀，混匀后在表面播撒1-3g的麸皮，再在表面播撒0.5ml混合菌剂和20ml水的混合液，播撒完毕后重复上述步骤，即再在表面填充100g的秸秆，重复操作5次至发酵罐被填满。发酵过程的温度曲线见附图3。从曲线图看出，在小规模的发酵罐内完成了短期发酵。
实施例2
使用体积为30L，5mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)发酵罐，罐体为类圆柱体，无盲板，保温材料、温度传感及通风与实施例1相同。
将玉米秸秆进行粉碎，粉碎至密度为64-70kg/cm3，颗粒平均长度为2-4cm，平均宽度为0.3-0.7cm。在发酵罐底部铺设500g的玉米秸秆，将15-20g尿素、20.0-25.0g的过磷酸钙或30-35g的磷酸氢二钾或25-30g的磷酸二氢钾、5-7.5g生石灰与400ml的水充分混合，播撒在秸秆层的表面，将玉米秸秆与其混合均匀，混匀后在表面播撒5-15g的麸皮，再在表面播撒2.5ml混合菌剂和100ml水的混合液，播撒完毕后重复上述步骤，即再在表面填充500g的秸秆，重复操作10次至发酵罐被填满。
发酵过程的温度曲线见附图4。从图中看出中期温度表现良好，有持续产热性能，通过计算可得产热能力为2519.5kJ/kg DM。发酵过程的pH变化见附图5，电导率EC值的变化见附图6，含水率的变化见附图7，发芽率GI的变化见附图8，从附图5至附图8可得出玉米秸秆逐渐达到腐熟状态，依照NY-525-2021标准测得的有机肥料指标参见表1。
实施例3
使用体积为30L，5mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)发酵罐，罐体为类圆柱体，无盲板，保温材料、温度传感及通风与实施例1相同。
将玉米秸秆进行粉碎，粉碎至密度在64-70kg/cm3，颗粒平均长度为2-4cm，平均宽度为0.3-0.7cm。在发酵罐底部铺设500g的玉米秸秆，将300-400g猪粪、20.0-25.0g的过磷酸钙或30-35g的磷酸氢二钾或25-30g的磷酸二氢钾、5-7.5g生石灰与400ml的水充分混合，播撒在秸秆层的表面，将玉米秸秆与其混合均匀，混匀后在表面播撒5-15g的麸皮，再在表面播撒2.5ml混合菌剂和100ml水的混合液，播撒完毕后重复上述步骤，即再在表面填充500g的秸秆，重复操作10次至发酵罐被填满。
发酵过程的温度曲线见附图9，从图中看出中期温度表现良好，有持续产热性能，通过计算可得产热能力为2347.6kJ/kg DM。发酵过程的pH变化见附图5，电导率EC值的变化见附图6，含水率的变化见附图7，发芽率GI的变化见附图8，从附图5至附图8可得出玉米秸秆逐渐达到腐熟状态，依照NY-525-2021标准测得的有机肥料指标参见表1。
实施例4
使用体积为60m3的户外条垛式发酵槽，其侧壁采用比重为1.3g/cm3聚氯乙烯(PVC)膜+容重为80kg/m3的岩棉+长秸秆被保温，顶部采用PVC膜+大棚棉被进行保温，在下方铺设2m长的波纹管，用作底部的自然通风管，氧气及温度传感器的布置位置见附图10。
在发酵池内铺设两层未切割处理的玉米秸秆，厚度为40cm，用量为300-450kg，再将重约20kg的玉米秸秆方包15包铺设在发酵池内，将0.9-1.2kg尿素、12.0-15.0kg的过磷酸钙或18-21kg的磷酸氢二钾或15.0-18kg的磷酸二氢钾、0.3-0.45kg生石灰与240L的水充分混合，播撒在秸秆层的表面，将玉米秸秆与其混合均匀，混匀后在表面播撒0.3-0.9kg的麸皮，再在表面播撒150ml混合菌剂和60L水的混合液，播撒完毕后重复上述步骤，即再在表面填充15包玉米秸秆方包，重复操作30次至发酵池被填满。
发酵过程的温度曲线见附图11，氧气含量的变化曲线见附图12。从这两个附图可以看出，本实施例的工艺方法实现了户外寒地发酵产热，氧气含量的变化说明了体系中微生物的大量需氧，微生物的大量繁殖和对有机物的降解是产热的根本原因。
为了防止温度过高，在发酵堆内设计了“几”字形弯折PPR、DN25的水管，每1m2的放置长度为3-4m，循环动力以普通自吸水泵带动循环，进水温度在10-15℃之间，出水温度在40℃以上。
在发酵的第30、45天进行补料，由于冬季室外取水困难，使用雪代替水来溶解氮源、磷源、pH调节剂，使用少量水来溶解混合菌剂，每次补料量为1.2t，施工方法同上，分四层添加。
对于发酵后腐熟的有机肥，进行了肥效测试，依照NY-525-2021的标准，制得的有机肥外观见附图13，有机肥效参见表1。
表1 发酵后有机肥料的理化指标
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方案而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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