厌氧干发酵好氧发酵-厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法
阅读说明：本技术 厌氧干发酵好氧发酵-厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法 (Method for producing biogas by treating dry straws through anaerobic dry fermentation and aerobic fermentation-anaerobic fermentation ) 是由 赵玉晓 李希越 华栋梁 陈雷 许海朋 李岩 梁晓辉 谢新苹 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：一种厌氧干发酵-好氧发酵厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法,包括步骤如下：(1)将粉碎后干秸秆与厌氧污泥混合进行厌氧干发酵预处理3-5天,将秸秆中易利用可溶性糖、纤维素等物质转化为沼气,收集沼气；(2)将厌氧干发酵后秸秆加入好氧混合微生物,调节含水率40-50%,好氧环境下进行好氧发酵预处理1-3天,降解或转化秸秆中木质素释放纤维素、半纤维素,同时将秸秆中难利用纤维素、半纤维素转化为易利用物质,减少纤维素、半纤维素向二氧化碳转化带来的原料损失；(3)将好氧发酵后秸秆加入厌氧污泥进行厌氧发酵,将纤维素、半纤维素和其转化产物转化为沼气,收集沼气。(A method for producing biogas by treating dry straws through anaerobic dry fermentation-aerobic fermentation anaerobic fermentation comprises the following steps: (1) mixing the crushed dry straws with anaerobic sludge for anaerobic dry fermentation pretreatment for 3-5 days, converting substances such as soluble sugar and cellulose which are easy to utilize in the straws into biogas, and collecting the biogas; (2) adding aerobic mixed microorganisms into the straws subjected to anaerobic dry fermentation, adjusting the water content to 40-50%, performing aerobic fermentation pretreatment for 1-3 days in an aerobic environment, degrading or converting lignin in the straws to release cellulose and hemicellulose, and simultaneously converting the cellulose and the hemicellulose which are difficult to utilize in the straws into substances which are easy to utilize, so that the raw material loss caused by the conversion of the cellulose and the hemicellulose into carbon dioxide is reduced; (3) and adding the aerobic fermented straws into anaerobic sludge for anaerobic fermentation, converting cellulose, hemicellulose and conversion products thereof into biogas, and collecting the biogas.)
技术领域
本发明属于有机废弃物的处理及资源化利用技术领域，具体涉及厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法。
背景技术
秸秆主要由木质素、纤维素、半纤维素组成。木质素与纤维素、半纤维素通过共价键与氢键交联在一起构成的三维空间交联结构对纤维素降解形成了屏蔽作用，同时纤维素本身的结晶结构以及半纤维素对纤维素的包裹作用造成了秸秆直接厌氧发酵产沼气效率较低。解除木质纤维素的降解屏障，提高木质纤维素的能源转化效率是秸秆厌氧发酵产沼气的核心关键技术问题。
好氧发酵是秸秆厌氧发酵产沼气预处理的重要方法之一，具有耗能低、投资成本少、资源利用效率高等优点。但好氧发酵在实际运用中仍存在控制困难，向二氧化碳转化造成的原料损失大，促进产沼气效果不明显等问题，甚至出现降低沼气产量现象。目前解决方法大多为筛选高选择性降解木质素菌。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种厌氧干发酵好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气的方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：一种厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法，它包括如下步骤：（1）干秸秆厌氧干发酵预处理：干秸秆经秸秆粉碎机粉碎，粉碎后干秸秆在秸秆干式厌氧发酵器中接种厌氧污泥进行厌氧干发酵预处理，控制发酵时间将秸秆中易利用可溶性糖、纤维素等物质转化为沼气，沼气进入沼气收集罐；厌氧干发酵所用厌氧污泥为经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，接种量为秸秆干重的10%-30%。厌氧干发酵温度为30-40℃，发酵时间3-5天，固体含量60%-85%。
（2）好氧发酵预处理：将厌氧干发酵预处理后干秸秆通过带式输送机装入带有含水率调节和翻堆功能的好氧发酵器，接种好氧混合微生物，调节含水率40-50%，通过定期翻堆控制堆体氧气浓度10%-20%，在好氧堆肥器中进行好氧发酵预处理，降解转化秸秆中木质素释放纤维素、半纤维素，同时将难利用纤维素、半纤维素转化为易利用物质，减少向二氧化碳转化带来的原料损失；好氧发酵预处理所用好氧混合微生物含芽孢杆菌、放线菌、木霉菌，配成菌液使用，每毫升菌液有效活菌数大于100亿单位，好氧微生物接种量每千克干秸秆0.1%-0.25%毫升菌液。
在本发明的一些实施方式中，好氧发酵预处理堆体中氧气浓度控制在10%-20%，堆体含水率40%-50%，处理时间1-3天。
（3）厌氧发酵产沼气：将好氧发酵预处理后秸秆通过螺旋输送机装入厌氧发酵罐接种厌氧污泥进行厌氧发酵，将秸秆中纤维素、半纤维素和其转化产物转化为沼气，沼气进入沼气收集罐。厌氧发酵所用厌氧污泥为经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，接种量为秸秆干重的10%-30%，厌氧发酵温度30-40℃，发酵时间15-20天。
本方案的具体特点还有,干秸秆包括玉米秸秆、小麦秸秆、稻草秸秆，自然风干，含水率低于10%。干秸秆经秸秆粉碎机粉碎后碎片长度1-4厘米。
本发明有益效果如下：秸秆原料特点导致好氧发酵预处理过程难以实现选择性降解木质素，主要为混合微生物发酵，混合微生物在解除木质纤维素降解屏障的同时也将糖类、脂肪、蛋白质等小分子有机物和易接触纤维素转化为二氧化碳，造成了原料损失，影响了后续厌氧发酵产沼气效率。本发明采用厌氧干发酵和好氧发酵联合预处理干秸秆，并对处理后干秸秆进行厌氧发酵产沼气。通过控制厌氧干发酵时间将易利用可溶性糖、纤维素等物质转化为沼气，以而减少后续好氧发酵造成的原料损失，提高干秸秆厌氧发酵沼气总产量。通过控制好氧发酵含水率和时间，降低降解木质素菌对纤维素、半纤维素等向二氧化碳的转化，提高对木质纤维素抗降解屏障的破坏作用，进一步降低好氧发酵预处理时的原料损失，提高干秸秆厌氧发酵沼气总产量。
厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气方法减少了好氧发酵预处理的原料损失，提高了木质纤维素抗降解屏障的破坏作用，与好氧发酵预处理-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气相比，单位固体累积产甲烷量提高20%以上，与直接厌氧发酵处理干秸秆产沼气相比，单位固体累积产甲烷量提高50%以上。
好氧发酵预处理采用含常见堆肥菌芽孢杆菌、放线菌、木霉菌的好氧混合微生物，提高了技术的适用性，与采用选择性降解木质素菌的好氧预处理相比降低了处理成本。
好氧发酵预处理控制含水率40%-50%，降低了降解木质素菌对秸秆中纤维素、半纤维素等向二氧化碳的转化，提高了对木质纤维素抗降解屏障的破坏作用，原料损失由10%以上降低到6%以下，从而提高了干秸秆厌氧发酵沼气总产量。
附图说明
图1为本发明厌氧干发酵好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气流程图。
图中：1-秸秆破碎机；2-秸秆干式厌氧发酵器；3-好氧发酵器；4-厌氧发酵罐；5-沼气收集罐。
具体实施方式
实施例1：一种厌氧干发酵好氧发酵-厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法，它包括如下步骤：（1）干秸秆厌氧干发酵：将100g干玉米秸秆粉碎成长度2cm碎片，在秸秆干式厌氧发酵器中进行厌氧干发酵。接种秸秆干重30%的经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，发酵温度35℃，发酵时间4天，加水喷淋调节固体含量75%，收集沼气。
厌氧污泥取自稳定运行的秸秆沼气工程厌氧发酵罐，在35℃下以干秸秆为唯一底物，半连续运行驯化。干秸秆经秸秆粉碎机粉碎后碎片长度1-4厘米，污泥与秸秆初始质量比为50%，根据挥发酸浓度与甲烷产量，每5天添加一次干秸秆，每次干秸秆添加量为初始干秸秆量的20%，挥发性脂肪酸浓度与甲烷日产量稳定时认为驯化成功。
（2）好氧发酵：将厌氧干发酵后原料通过带式输送机装入带有含水率调节和翻堆功能的好氧发酵器进行好氧发酵。按每千克干秸秆0.2%毫升菌液加入含有芽孢杆菌、放线菌、木霉菌（质量比1:1:1）的菌液，每毫升菌液有效活菌数大于100亿单位，加水喷淋调节含水率45%，定期翻堆保持氧气浓度在15%以上。好氧发酵预处理初始温度35℃，发酵时间2天。
芽孢杆菌、放线菌、木霉菌为市售常见堆肥菌，其中芽孢杆菌来源于山东贝佳生物科技有限公司菁贝牌枯草/地衣芽孢杆菌，放线菌来源于洛阳新希望生物科技有限公司Espoir牌放线菌，木霉菌来源于山东绿陇生物技术有限公司复合木霉菌，使用前配成菌液，每毫升菌液有效活菌数大于100亿单位。
（3）厌氧发酵产沼气：将好氧发酵后原料通过螺旋输送机装入厌氧发酵罐进行湿式厌氧发酵。接种秸秆干重30%的经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，加水调节干玉米秸秆固体含量8%，发酵温度35℃，发酵时间18天，收集沼气。
实施例2：一种厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法，它包括如下步骤：将100g干玉米秸秆粉碎成长度2cm碎片，通过螺旋输送机装入厌氧发酵罐进行湿式厌氧发酵。接种秸秆干重60%的经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，按每千克干秸秆0.2%毫升菌液加入含有芽孢杆菌、放线菌、木霉菌（质量比1:1:1）的菌液，每毫升菌液有效活菌数大于100亿单位，加水调节干玉米秸秆固体含量8%，发酵温度35℃，发酵时间24天，收集沼气。
厌氧污泥来源及驯化方式同实施例1。
芽孢杆菌、放线菌、木霉菌来源同实施例1
实施例3：一种厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法，它包括如下步骤：将100g干玉米秸秆粉碎成长度2cm碎片，通过螺旋输送机装入秸秆干式厌氧发酵器进行干式厌氧发酵。接种秸秆干重60%的经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，按每千克干秸秆0.2%毫升菌液加入含有芽孢杆菌、放线菌、木霉菌（质量比1:1:1）的菌液，每毫升菌液有效活菌数大于100亿单位，加水调节干玉米秸秆固体含量75%，发酵温度35℃，发酵时间24天，收集沼气。
厌氧污泥来源及驯化方式同实施例1。
芽孢杆菌、放线菌、木霉菌来源同实施例1
实施例4：一种好氧发酵-厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法，它包括如下步骤：
将100g干玉米秸秆粉碎成长度2cm碎片，通过带式输送机装入带有含水率调节和翻堆功能的好氧发酵器进行好氧发酵。按每千克干秸秆0.2%毫升菌液加入含有芽孢杆菌、放线菌、木霉菌（质量比1:1:1）的菌液，每毫升菌液有效活菌数大于100亿单位，加水喷淋调节含水率45%，定期翻堆保持氧气浓度在15%以上。好氧发酵预处理初始温度35℃，发酵时间2天。
将好氧发酵后原料通过螺旋输送机装入厌氧发酵罐进行湿式厌氧发酵。接种秸秆干重30%的经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，加水调节干玉米秸秆固体含量8%，发酵温度35℃，发酵时间22天，收集沼气。
厌氧污泥来源及驯化方式同实施例1。
芽孢杆菌、放线菌、木霉菌来源同实施例1
实施例5：一种好氧发酵-厌氧发酵处理干秸秆产沼气的方法，它包括如下步骤：
将100g干玉米秸秆粉碎成长度2cm碎片，通过带式输送机装入带有含水率调节和翻堆功能的好氧发酵器进行好氧发酵。按每千克干秸秆0.2%毫升菌液加入含有芽孢杆菌、放线菌、木霉菌（质量比1:1:1）的菌液，每毫升菌液有效活菌数大于100亿单位，加水喷淋调节含水率45%，定期翻堆保持氧气浓度在15%以上。好氧发酵预处理初始温度35℃，发酵时间2天。
将好氧发酵后原料通过螺旋输送机装入秸秆干式厌氧发酵器进行干式厌氧发酵。接种秸秆干重30%的经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，加水调节干玉米秸秆固体含量8%，发酵温度35℃，发酵时间22天，收集沼气。
厌氧污泥来源及驯化方式同实施例1。
芽孢杆菌、放线菌、木霉菌来源同实施例1
上述实施例的效果为：
总处理时间相同情况下，与直接湿式厌氧发酵处理干玉米秸秆产沼气（实施例2）相比，厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例1）单位累积甲烷产量由113ml/g-TS提高到了189ml/g-TS，提高了67%，干秸秆总减量化程度由33%提高到了58%。
总处理时间相同情况下，与直接干式厌氧发酵处理干玉米秸秆产沼气（实施例3）相比，厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例1）单位累积甲烷产量由121ml/g-TS提高到了189ml/g-TS，提高了56%，干秸秆总减量化程度由37%提高到了58%。
总处理时间相同情况下，与好氧发酵预处理-湿式厌氧发酵处理干玉米秸秆产沼气（实施例4）相比，厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例1）单位累积甲烷产量由137ml/g-TS提高到了189ml/g-TS，提高了30%，好氧发酵干秸秆原料损失由13%降低到4%，干秸秆总减量化程度由45%提高到了58%。
总处理时间相同情况下，与好氧发酵预处理-干式厌氧发酵处理干玉米秸秆产沼气（实施例5）相比，厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例1）单位累积甲烷产量由152ml/g-TS提高到了189ml/g-TS，提高了24%，好氧发酵原料损失由13%降低到4.2%，干秸秆总减量化程度由49%提高到了58%。
实施例6：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：厌氧干发酵时间为3天。
实施例7：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：厌氧干发酵时间为1天，湿式厌氧发酵20天。
上述实施例的效果为：总处理时间相同情况下，与厌氧干发酵时间为1天的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例7）相比，厌氧干发酵时间为3天的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例6）单位累积甲烷产量由165ml/g-TS提高到了182ml/g-TS，提高了10%，好氧发酵后原料损失由11%降低到5.1%，干秸秆总减量化程度由51%提高到了56%。
实施例8：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：厌氧干发酵时间为5天。
实施例9：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：厌氧干发酵时间为6天，湿式厌氧发酵17天。
实施例10：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：厌氧干发酵时间为8天。
上述实施例的效果为：总处理时间相同情况下，与厌氧干发酵时间为6天的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例9）相比，厌氧干发酵时间为5天的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例8）单位累积甲烷产量由171ml/g-TS提高到了187ml/g-TS，提高了9%，好氧发酵后原料损失由9%降低到5.3%。
与厌氧干发酵时间为8天的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例10）相比，厌氧干发酵时间为5天的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例8）单位累积甲烷产量由161ml/g-TS提高到了187ml/g-TS，提高了16%，好氧发酵原料损失由16%降低到5.3%，总处理时间由27天减少到25天。
实施例11：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：好氧发酵预处理含水率为40%。
实施例12：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：好氧发酵预处理含水率为30%。
上述实施例的效果为：与好氧发酵含水率为30%的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例12）相比，好氧发酵预处理含水率为40%的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例11）单位累积甲烷产量由152ml/g-TS提高到了186ml/g-TS，提高了22%，好氧发酵原料损失变化不大，干秸秆总减量化程度由37%提高到了55%。
实施例13：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：好氧发酵预处理含水率为50%。
实施例14：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：好氧发酵预处理含水率为60%。
上述实施例的效果为：与好氧发酵含水率为60%的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例14）相比，好氧发酵含水率为50%的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例13）单位累积甲烷产量由162ml/g-TS提高到了184ml/g-TS，提高了13%，好氧发酵原料损失由10%降低到4.1%，干秸秆总减量化程度由56%降低到了54%。
实施例15：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于好氧发酵时间为1天。
实施例16：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：好氧发酵时间为12h。
上述实施例的效果为：与好氧发酵预处理时间为12h的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例16）相比，好氧发酵预处理处理时间为1天的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例15）单位累积甲烷产量由131ml/g-TS提高到了166ml/g-TS，提高了26%，好氧发酵原料损失变化不大，干秸秆总减量化程度由39%提高到了53%。
实施例17：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：好氧发酵时间为3天。
实施例18：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：好氧发酵时间为4天。
上述实施例的效果为：与好氧发酵时间为4天的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例18）相比，好氧发酵预处理处理时间为3天的厌氧干发酵-好氧发酵-厌氧发酵联合处理干秸秆产沼气（实施例17）单位累积甲烷产量由165ml/g-TS提高到了179ml/g-TS，提高了8%，好氧发酵原料损失由12%降低到5.7%，干秸秆总减量化程度由57%降低到了53%。
实施例19：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：厌氧干发酵时间为3天，好氧发酵预处理含水率为60%，好氧发酵1天。
本实施例的效果为：单位累积甲烷产量179ml/g-TS，好氧发酵原料损失4.8%，干秸秆总减量化程度55%。
实施例20：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：厌氧干发酵时间为5天，好氧发酵预处理含水率为40%，好氧发酵4天。
本实施例的效果为：单位累积甲烷产量152ml/g-TS，好氧发酵原料损失12.8%，干秸秆总减量化程度48%。与实施例19相比，同时延长厌氧干发酵时间，降低好氧发酵预处理含水率，提高好氧发酵时间，未能提高单位累积甲烷产量和干秸秆总减量化程度，反而分别降低了15%和12.7%。
实施例21：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：厌氧干发酵时间为5天，好氧发酵预处理含水率为60%，好氧发酵3天。
本实施例的效果为：单位累积甲烷产量167ml/g-TS，好氧发酵原料损失5.8%，干秸秆总减量化程度57%。
实施例22：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：将秸秆粉碎成4cm长度碎片，厌氧干发酵接种秸秆干重10%的经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，好氧发酵按每千克干秸秆0.1%毫升菌液加入含有芽孢杆菌、放线菌（质量比6:4）的菌液。
本实施例的效果为：单位累积甲烷产量172ml/g-TS，好氧发酵原料损失5.2%，干秸秆总减量化程度56%。
实施例23：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：将秸秆粉碎成1cm长度碎片，厌氧干发酵接种秸秆干重20%的经过秸秆厌氧发酵驯化的厌氧污泥，好氧发酵按每千克干秸秆0.25%毫升菌液加入含有芽孢杆菌、木霉菌（质量比2:5）的菌液外其余条件与实施例1相同，在此不做赘述。
本实施例的效果为：单位累积甲烷产量182ml/g-TS，好氧发酵原料损失5.9%，干秸秆总减量化程度58%。
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