專利名稱：：一種農作物秸稈干發酵產沼氣工藝的制作方法
技術領域：
：本發明屬于沼氣制備和農作物秸稈能源化利用
技術領域：
，尤其涉及一種農作物秸稈干發酵產沼氣工藝。
背景技術：
：以前沼氣的傳統原料是禽畜糞便，但由于現在養殖業多采取規模化養殖的方式、糧食漲價等各種原因導致農戶散養畜禽的積極性受到影響。所以因原料不足或沼氣池缺乏原料，影響了沼氣的產量，有的因無發酵原料，沼氣池常年不產氣，甚至出現棄池現象。我國農作物秸稈產量豐富，有效利用農作物秸稈等生物質能源，是我國解決農村和城鎮生活用能問題的重要途徑之一，加快農村沼氣建設和大力發展沼氣生態農業，是新時期農業發展的主題，也是農村全面建設小康社會的有效途徑。一方面，現有的農作物秸稈干發酵產沼氣工藝還不成熟，其主要包括農作物秸稈預處理及干發酵兩個過程，影響農作物秸稈預處理及干發酵的工藝因素又繁目眾多，很難界定哪些是主要因素，哪些是次要因素，現有工藝不能使各工藝因素之間呈現積極的有機協調效應；另一方面，農作物秸稈的特點是木質纖維素含量較高，厭氧微生物的木質纖維素降解消化能力較弱。上述兩方面問題導致秸稈厭氧消化率低、產氣量少(一般在400L/Kg·TS附近)，從而限制了農作物秸稈生物氣生產的大規模應用。
發明內容為克服現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種產氣量高的農作物秸稈干發酵產沼氣工藝。為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下一種農作物秸稈干發酵產沼氣工藝，包括農作物秸稈預處理和干發酵兩過程，其特別之處在于農作物秸稈預處理將農作物秸稈鍘短，加水潤濕浸泡，潑入秸稈復合菌劑和碳酸氫銨的水溶液并攪拌翻動，控制農作物秸稈的含水率為6080%(質量)；堆垛并在其上留孔，保證內部通氣，夏天一般堆置34天，春秋季一般45天，冬季6天以上，待堆垛的溫度達到4060°C時，維持堆慪6080h，獲得發酵料液；其中秸稈復合菌劑添加量為農作物秸稈質量的0.150.25%，碳酸氫銨的添加量應保證發酵料液的C/N為251(質量)；干發酵在發酵料液中加入接種物和促進劑，常溫(2030°C)下厭氧發酵產生沼氣，其中接種量為1525%(質量)，促進劑添加量為每立方米發酵料液添加5575g，發酵料液濃度為2030%(質量)，發酵料液pH值為6.08.0。本發明采用常溫發酵，也就是在發酵過程中基本上不進行溫度控制，發酵料液的溫度隨自然溫度有規律的進行變化。冬季溫度低，對產氣影響較大，特別是北方沼氣池，應采取相應的保溫措施以利于產氣。可以在沼氣池上覆蓋一些未處理的干秸稈和搭建簡易塑料棚，為了能連續用氣，可將沼氣池建在豬舍、大棚內。產甲烷菌是一種嚴格的厭氧細菌，對氧特別敏感，它們不能在有氧的環境中生存，即使有微量的氧存在，生命活動也會受到抑制。故原料入池后應該是嚴格的厭氧環境。這就要求沼氣池本身及其外界管路要經過嚴格的試壓、試漏，以保證產甲烷菌生存活動的厭氧環境。沼氣池內發酵料液的濃度隨季節的變化應有所調整，一般在夏季，料液濃度可以低一些，冬季可稍高一些。在發酵過程中，由于初期產酸菌的活動，池內產生大量有機酸，導致PH值下降，若由于配料管理不當，使pH值不能恢復正常水平，即出現產酸現象。此時應抽出一部分沼液同時補充等量高質量的接種物，也可用草木灰或澄清的石灰水中和，如果沼液出現偏堿現象，一般是由于原料基本耗盡，補充原料即可。較好地，農作物秸稈預處理時，秸稈復合菌劑添加量為農作物秸稈質量的0.25%,農作物秸稈的含水率為70%，堆慪溫度為50°C，堆慪時間為80h；干發酵時，接種量為25%，促進劑添加量為75g/(m3發酵料液)，發酵料液濃度為25%，發酵料液pH值為7.0。所述秸稈復合菌劑為北京合百意生態能源科技開發有限公司生產的“綠秸靈”秸稈預處理復合菌劑，促進劑為北京合百意生態能源科技開發有限公司生產的“綠秸靈”產甲烷促進劑。接種物為正常產氣的沼氣池的沼渣或沼液，陰溝、池塘、泥塘的冒泡黑色污泥或含水率8285%(質量)的牛糞，接種物的PH值為6.58.0。如果采集的接種物是正常產氣沼氣池的沼渣或沼液，可不作處理，直接加入沼氣池用于啟動。如果采用的接種物是牛糞，需將牛糞堆慪7天，堆慪時用塑料薄膜覆蓋。所述農作物秸稈為玉米桿、麥稈或稻桿。應選用本色、未腐黑的秸稈，剛收割和風干的秸稈均可。農作物秸稈收獲后，應及時收集、堆存起來，防止霉變。整個工藝中所述的水為糞水、坑塘水、河水、自來水或井水，且水的pH值為6.57.5，且未受毒害物質污染。過于偏酸或過于偏堿的水應調節好酸堿度后再使用。調節方法偏酸應加入草木灰或澄清的石灰水溶液，偏堿的情況不多見，加醋酸可以調節。將農作物秸稈鍘短至26cm，加入同等質量的水潤濕浸泡1524h。麥稈用粉碎機粉碎，較粗的玉米類秸稈最好用秸稈揉搓機處理，稻草可人工鍘短，也可小型鍘草機機械鍘短。堆垛時用薄膜或農作物秸稈將堆垛的四周及頂部蓋上，頂部留有縫隙，以便通氣。本發明中，農作物秸稈含水率是指一定量的干秸稈與水混合之后水所占的質量百分比，計算公式含水率=水的質量/水的質量+秸稈質量*100%發酵料液的C/N(即碳氮比)是指農作物秸稈與碳酸氫銨中的含碳量總和/農作物秸稈與碳酸氫銨中的含氮量總和，計算公式總碳/總氮=秸稈中的碳/秸稈中的氮+NH4HCO3中的碳/NH4HCO3的氮=25；其中，氮素是構成沼氣微生物生長作用的重要原料，碳素不僅構成微生物細胞質，而且是提供生命活動的能量；接種量為接種物的質量占發酵料液的質量百分數；發酵料液濃度是指發酵料液中干物質含量的質量百分數。本發明通過嚴謹的科學實驗和認真、精確的數據處理，對農作物秸稈干發酵產沼氣工藝進行了優化研究，確定了最佳的農作物秸稈預處理和干發酵工藝條件，從而大大提高沼氣產氣量。圖1本發明農作物秸稈預處理的正交效應曲線圖；圖2本發明干發酵的正交效應曲線圖。具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明的技術方案做進一地詳細介紹，但本發明的保護范圍并不局限于此以下實施例中所用秸稈復合菌劑為北京合百意生態能源科技開發有限公司生產的“綠秸靈”秸稈預處理復合菌劑，規格500g/袋；所用促進劑為北京合百意生態能源科技開發有限公司生產的“綠秸靈”產甲烷促進劑，規格600g/袋；所用碳酸氫銨為農用級碳酸S氨。實施例19一種農作物秸稈干發酵產沼氣工藝農作物秸稈預處理1.對材料進行物理處理，將選用的玉米秸稈用秸稈揉搓機進行揉搓和切斷，使其長度在25cm，最多不要超過6cm；2.選取切好的玉米秸稈適量，用電子天平稱得其質量252g，然后將其放入容器內，加入同等質量的坑塘水，潤濕浸泡玉米秸稈1524h，然后將其均分為9份，每份28g；3.將選用的秸稈復合菌劑和碳酸氫銨溶于水中，潑在9份經潤濕的玉米秸稈上，然后用攪拌棒翻動，補加水，使玉米秸稈與水混合均勻，控制玉米秸稈的含水率達到6080%，根據經驗，用手握緊秸稈，指縫有水含著，或有少量的水滴落，就說明含水率比較合適了；其中秸稈復合菌劑添加量為玉米秸桿質量的0.150.25%，碳酸氫銨的添加量應保證發酵料液的C/N為251(質量)，本組實施例中根據實際測算結果知玉米秸稈中碳氮比為37.51，其中C含量為40.32%，氮的含量為1.075%，而NH4HCO3中碳氮比為67，其中C的質量百分含量為=12/(14+5+12+16X3)=15.19%,N的質量百分比含量為14/(14+5+12+16X3)=17.72%。故，經計算可知252g玉米秸稈需添加碳酸氫銨7.92g，即每份0.88g；4.將含水率達到為6080%的玉米秸稈堆成垛，并在堆垛上打孔，保證內部通氣，然后用薄膜或秸稈將堆垛的四周及頂部蓋上，同時頂部要留縫隙，以便通氣；5.待堆垛的溫度達到4060°C后，還要維持堆慪6080h，直到看到堆垛上有一層白色的菌絲時，就算是堆慪預處理完畢，獲得發酵料液；干發酵6.最后再加入接種物(正常產氣的沼氣池的沼液)和促進劑，然后放入發酵瓶中，常溫25°C下進行玉米秸稈的厭氧發酵30天，用排水法收集氣體，對產氣量進行比較，其中接種量為25%，促進劑添加量為75g/(m3發酵料液)，發酵料液濃度為25%，發酵料液pH值為7.0。表1詳示了在保持干發酵工藝條件一致的情況下，調節農作物秸稈預處理工藝條件(A-復合菌劑添加量0.150.25%，B-含水率6080%，C-堆慪溫度4060°C和D-接種時間6080h，農作物秸稈預處理時，堆慪過程其實就是一個微生物進行代謝降解秸稈的過程，維持堆慪時間即是復合菌劑的接種時間，故，以下皆以接種時間代替維持堆慪時間進行說明，不再贅述)的正交試驗因素和水平表表1L9(34)玉米秸稈預處理正交試驗因素和水平表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>根據正交試驗設計表1，實驗按照四因素三水平，分9個實施例安排試驗，如表2表2玉米秸稈預處理正交試驗安排<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>根據實驗安排表2，干發酵30天后，分別收集實施例19玉米秸稈干發酵所產的沼氣，各組產氣量如表3，可以很清楚的看到實施例1的最低產氣量12687ml(453.IlL/kg·TS)也明顯大于傳統工藝的沼氣產氣量400L/kg·TS表3各實施例玉米秸稈干發酵產氣量<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>農作物秸稈預處理最佳預處理條件的確定使用極差分析，見表4:A.計算出各水平實驗結果總和，即水平1、2、3上的&、1(2、1(3，并求出1^、1(2、1(3和1(的R值(極差)。B.選出優水平組合據R值的大小，排出因素顯著性的順序，并比較K值選出優水平組合。表4玉米秸稈預處理正交試驗結果的極差分析<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表4顯示的是正交試驗的直觀分析表，得到極差分析結果，由表4可知，復合菌劑的添加量和含水率對農作物秸稈干發酵的影響較大。為了更便于觀察指標的變化，下面用農作物秸稈預處理正交效應曲線圖1來具體描述。從圖1可清楚的看到，復合菌劑添加量對農作物秸稈產氣量的影響是隨著復合菌劑量的增加呈上升趨勢的，在添加量為0.25%時，產氣量最高；同樣，接種時間對農作物秸稈干發酵產氣量的影響也是隨著溫度的升高逐漸升高，在80h時，達到最高；而含水率和pH值的變化都有一定的波動，分別在含水率為70%和堆慪溫度為50°C時，產氣量達到最大。因此，農作物秸稈干發酵預處理的最佳條件為A3B2C2D3，即復合菌劑添加量為0.25%，含水率為70%，堆慪溫度為50°C，接種時間為80h。實施例10I8—種農作物秸稈干發酵產沼氣工藝農作物秸稈預處理1.對材料進行物理處理，將選用的玉米秸稈用秸稈揉搓機進行揉搓和切斷，使其長度在25cm，最多不要超過6cm；2.選取切好的玉米秸稈適量，用電子天平稱得其質量252g，然后將其放入容器內，加入同等質量的坑塘水，潤濕浸泡玉米秸稈1524h，然后將其均分為9份，每份28g；3.將選用的秸稈復合菌劑和碳酸氫銨溶于水中，潑在9份經潤濕的玉米秸稈上，然后用攪拌棒翻動，補加水，使秸稈與水混合均勻，控制玉米秸稈的含水率達到70%，其中秸稈復合菌劑添加量為0.25%，碳酸氫銨的添加量應保證發酵料液的C/N為251(質量)，本組實施例中根據實際測算結果知玉米秸稈中碳氮比為37.51，其中C含量為40.32%，氮的含量為1.075%，而NH4HCO3中碳氮比為67，其中C的質量百分含量為12/(14+5+12+16X3)=15.19%,N的質量百分比含量為:14/(14+5+12+16X3)=17.72%。故，經計算可知252g玉米秸稈需添加碳酸氫銨7.92g，即每份0.88g；4.將含水率達到為70%的玉米秸稈堆成垛，并在堆垛上打孔，保證內部通氣，然后用薄膜或秸稈將堆垛的四周及頂部蓋上，同時頂部要留縫隙，以便通氣；5.待堆垛的溫度達到50°C后，還要維持堆慪80h，直到看到堆垛上有一層白色的菌絲時，就算是堆慪預處理完畢，獲得發酵料液；干發酵6.最后再加入接種物(正常產氣的沼氣池的沼液)和促進劑，然后放入發酵瓶中，常溫25°C下進行玉米秸稈的厭氧發酵30天，用排水法收集氣體，對產氣量進行比較，其中接種量為1525%，促進劑添加量為5575g/(m3發酵料液)，料液濃度為2030%，發酵料液PH值為6.08.0。表5詳示了在保持農作物秸稈預處理工藝條件一致的情況下，調節干發酵工藝條件(A-接種量1525%，8-料液濃度:2030%，C-促進劑添加量:5575g/m3和D_pH值6.08.0)的正交試驗因素和水平表表5L9(34)玉米秸稈干發酵正交試驗因素和水平表““接種量(A)料液濃度(B)促進劑量(C)pH值(D)~~115%20%55g/mJ!θ220%25%65g/m37.0325%30%75g/m38.0根據正交試驗設計表5，實驗按照四因素三水平，分9個實施例安排試驗，如表6表6玉米秸稈干發酵正交試驗安排<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>根據實驗安排表6，干發酵30天后，分別收集實施例1018玉米秸稈干發酵所產的沼氣，各實施例產氣量如表7，可以很清楚的看到實施例10的最低產氣量13635ml(486.96L/kg·TS)也明顯大于傳統工藝的沼氣產氣量400L/kg·TS表7各實施例玉米秸稈干發酵產氣量<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>干發酵最佳條件的確定使用極差分析，見表8:A.計算出各水平實驗結果總和，即水平1、2、3上的&、1(2、1(3，并求出1^、1(2、1(3和1(的R值(極差)。B.選出優水平組合據R值的大小，排出因素顯著性的順序，并比較K值選出優水平組合。表8玉米秸稈干發酵正交試驗結果的極差分析<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表8顯示的是正交試驗的直觀分析表，得到極差分析結果，由表8可知，料液濃度和促進劑的添加量對玉米秸稈干發酵的影響較大。為了更便于觀察指標的變化，下面用干發酵正交效應曲線圖2來具體描述。從圖2可清楚的看到，接種量的多少對農作物秸稈產氣量的影響是隨著接種量的增加呈上升趨勢的，在添加量為25%時，產氣量最高；同樣，促進劑的添加量對秸稈干發酵產氣量的影響也是隨著促進劑量的升高逐漸升高，在促進劑添加量為75g/m3時，達到最高；而料液濃度和PH值都有一定的變化，分別在料液濃度為25%和pH值為7.0時，產氣量達到最大。因此，農作物秸稈干發酵最佳條件為A3B2C3D2，即接種量為25%，料液濃度為25%，促進劑量為75g/m3和pH值為7.0。實施例19農作物秸稈選用麥稈，水選用pH值為6.57.5的糞水，接種物選用pH值為6.58.0的冒泡陰溝黑色污泥；農作物秸稈預處理和干發酵工藝條件均采用最佳工藝條件，即秸稈復合菌劑添加量為0.25%，含水率為70%，堆慪溫度為50°C，堆慪時間為80h；干發酵工藝條件為接種量為25%，促進劑添加量為75g/(m3發酵料液)，發酵料液濃度為25%，發酵料液？!1值為7.0。其它均同實施例1。實施例20農作物秸稈選用稻桿，水選用pH值為6.57.5的河水，接種物選用pH值為6.58.0的冒泡池塘黑色污泥；農作物秸稈預處理和干發酵工藝條件均采用最佳工藝條件，其它均同實施例1。實施例21水選用pH值為6.57.5的自來水，接種物選用pH值為6.58.0的含水率8285%(質量)的牛糞；農作物秸稈預處理和干發酵工藝條件均采用最佳工藝條件，其它均同實施例1。實施例22水選用pH值為6.57.5的井水，接種物選用pH值為6.58.0的正常產氣的沼氣池的沼渣；農作物秸稈預處理和干發酵工藝條件均采用最佳工藝條件，其它均同實施例1。權利要求一種農作物秸稈干發酵產沼氣工藝，包括農作物秸稈預處理和干發酵兩過程，其特征在于農作物秸稈預處理將農作物秸稈鍘短，加水潤濕浸泡，潑入秸稈復合菌劑和碳酸氫銨的水溶液并攪拌翻動，控制農作物秸稈的含水率為60～80％(質量)；堆垛并在其上留孔，待堆垛的溫度達到40～60℃時，維持堆漚60～80h，獲得發酵料液；其中秸稈復合菌劑添加量為農作物秸稈質量的0.15～0.25％，碳酸氫銨的添加量應保證發酵料液的C/N為25∶1(質量)；干發酵在發酵料液中加入接種物和促進劑，常溫下厭氧發酵產生沼氣，其中接種量為15～25％(質量)，促進劑添加量為每立方米發酵料液添加55～75g，發酵料液濃度為20～30％(質量)，發酵料液pH值為6.0～8.0。2.如權利要求1所述的農作物秸稈干發酵產沼氣工藝，其特征在于農作物秸稈預處理時，秸稈復合菌劑添加量為農作物秸稈質量的0.25%，農作物秸稈的含水率為70%，堆慪溫度為50°C，堆慪時間為80h；干發酵時，接種量為25%，促進劑添加量為每立方米發酵料液添加75g，發酵料液濃度為25%，發酵料液pH值為7.0。3.如權利要求1或2所述的農作物秸稈干發酵產沼氣工藝，其特征在于所述秸稈復合菌劑為北京合百意生態能源科技開發有限公司生產的“綠秸靈”秸稈預處理復合菌劑，促進劑為北京合百意生態能源科技開發有限公司生產的“綠秸靈”產甲烷促進劑。4.如權利要求3所述的農作物秸稈干發酵產沼氣工藝，其特征在于接種物為正常產氣的沼氣池的沼渣或沼液，陰溝、池塘、泥塘的冒泡黑色污泥或含水率8285%(質量)的牛糞，接種物的pH值為6.58.0。5.如權利要求4所述的農作物秸稈干發酵產沼氣工藝，其特征在于所述農作物秸稈為玉米桿、麥稈或稻桿。6.如權利要求5所述的農作物秸稈干發酵產沼氣工藝，其特征在于整個工藝中所述的水為糞水、坑塘水、河水、自來水或井水，且水的pH值為6.57.5。7.如權利要求6所述的農作物秸稈干發酵產沼氣工藝，其特征在于將農作物秸稈鍘短至26cm，加入同等質量的水潤濕浸泡1524h。8.如權利要求7所述的農作物秸稈干發酵產沼氣工藝，其特征在于堆垛時用薄膜或農作物秸稈將堆垛的四周及頂部蓋上，頂部留有縫隙。全文摘要本發明公開了一種農作物秸稈干發酵產沼氣工藝。將農作物秸稈鍘短，加入水潤濕浸泡，潑入秸稈復合菌劑和碳酸氫銨的水溶液并攪拌翻動，控制農作物秸稈的含水率為60～80％；堆垛，待堆垛的溫度達到40～60℃時，維持堆漚60～80h，獲得發酵料液，其中秸稈復合菌劑添加量為農作物秸稈質量的0.15～0.25％，碳酸氫銨的添加量應保證發酵料液的C/N為25∶1；在發酵料液中加入接種物和促進劑，常溫下厭氧發酵產生沼氣，其中接種量為15～25％，促進劑添加量為每立方米發酵料液添加55～75g，發酵料液濃度為20～30％，發酵料液pH值為6.0～8.0。本發明優化了農作物秸稈預處理和干發酵工藝條件，大大提高了沼氣產氣量。文檔編號C12P5/02GK101818173SQ201010148938公開日2010年9月1日申請日期2010年3月23日優先權日2010年3月23日發明者劉亮,劉圣勇,華磊,武少菁,郭前輝申請人:河南農業大學