專利名稱：一種以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法。
背景技術(shù)：
互花米草(Spartina aterniflora)原產(chǎn)于美國，是一種生長在潮間帶的多年鹽沼植物?；セ撞葜仓甏謮迅叽?，根系異常發(fā)達，地面高度一般可達1.0～2.0m，根系深入土壤中可達1.5m左右，具有較強的抗風(fēng)消浪、保灘護岸、促淤造陸、綠化海灘的作用。我國沿海地區(qū)當(dāng)時經(jīng)常受到風(fēng)暴潮、臺風(fēng)等自然災(zāi)害襲擊，沿海地區(qū)經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)受到極大危害。1980年初，互花米草引入我國沿海灘涂，在保灘護岸、促淤造陸、促進沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的改善和減災(zāi)等多方面做出了重大貢獻，但經(jīng)過20多年的發(fā)展，互花米草在我國沿海地區(qū)形成5萬hm2以上的外來入侵種優(yōu)勢群落，給沿海地區(qū)帶來一系列的負(fù)面影響?；セ撞葑鳛橐粋€具有極強繁殖能力的外來物種，其生長旺，繁殖快，植株高而密，與本土物種競爭激烈，改變了淤泥質(zhì)光灘的景觀和本土物種的棲息環(huán)境，譬如互花米草侵占灘涂貝類養(yǎng)殖的場所，導(dǎo)致貝類在密集的米草草灘中無法自由活動，將康生長，甚至?xí)舷⑺劳?；一些貝類不得不遷移至米草草灘外；一些港區(qū)也由于互花米草的侵入淤積加快，影響船只出入。在夏秋季互花米草的落葉隨著潮水四處漂移，進入灘涂或淺海的藻類養(yǎng)殖地，就會對紫菜，海帶等海藻的生產(chǎn)與產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。
目前治理互花米草的措施有(1)物理方法，主要是人工及機械清除，消耗的人力物力大、效率低下；(2)化學(xué)方法，使用除草劑，但除草劑通常只能清除地表以上部分，對于灘涂土壤中的種子和根系效果較差，并且存在污染問題；(3)生物方法，使用動物天敵和致病微生物的生物防治尚在實驗階段，作為外來入侵種其天敵和致病微生物也是外來種，存在極大的生態(tài)風(fēng)險。這些措施存在諸多弊端和不足，不能從根本上治理互花米草。面對如此巨大生物量的互花米草，將其看成一種能源資源進行沼氣發(fā)酵利用，目前在國內(nèi)外還未有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高海灘空間資源經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和改善生態(tài)環(huán)境的以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法。
本發(fā)明提出的以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法，其具體步驟如下(1)原料互花米草的粉碎預(yù)處理；
(2)向步驟(1)所得的預(yù)處理互花米草中添加含N元素物質(zhì)，混合，得到混合料，控制混合料的碳氮比為20∶1--30∶1；(3)將步驟(2)中所得混合料投入到發(fā)酵裝置中，并加入接種物進行接種，得到發(fā)酵原料，原料具體投加和接種方式根據(jù)發(fā)酵方法而不同，具體發(fā)酵方法包括三類單相不循環(huán)發(fā)酵方法、單相內(nèi)循環(huán)發(fā)酵方法或固液兩相發(fā)酵方法等；(4)向步驟(3)中的發(fā)酵原料中加水，加入量為水面至少高于發(fā)酵原料5cm；(5)封閉發(fā)酵裝置，發(fā)酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，控制反應(yīng)溫度在30-40℃，進行發(fā)酵產(chǎn)氣，經(jīng)過1-2天即可產(chǎn)生沼氣，即目標(biāo)產(chǎn)品；發(fā)酵經(jīng)過20-60天，互花米草中的可厭氧生物降解的有機物質(zhì)基本被微生物的作用轉(zhuǎn)化為沼氣，當(dāng)發(fā)酵裝置每日反應(yīng)產(chǎn)氣量大幅度降低時，反應(yīng)即可結(jié)束，進行新一輪發(fā)酵。
本發(fā)明中，所述含N元素物質(zhì)為尿素、碳酸氫銨或畜禽糞便等一至多種。
本發(fā)明中，所述接種物為沼渣、沼液或厭氧消化污泥等中任一種。
本發(fā)明中，步驟(3)中，當(dāng)選擇單相不循環(huán)發(fā)酵方法時，接種物的干重投加量不少于投加原料互花米草干重的20％。
本發(fā)明中，步驟(3)中，當(dāng)選擇單相循環(huán)發(fā)酵方法時，接種物的干重投加量不少于投加原料互花米草干重的20％。
本發(fā)明中，步驟(3)中，當(dāng)選擇固液兩相發(fā)酵方法時，發(fā)酵原料不接種直接投加到固態(tài)原料管理反應(yīng)器，液態(tài)微生物管理反應(yīng)容器接種量按反應(yīng)體積計算16000-20000mg/l。
本發(fā)明中，所述的互花米草原料的粉碎預(yù)處理可以采取以下常規(guī)方法將收割后的互花米草地上部分，通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機對其進行預(yù)處理等。
本發(fā)明中，根據(jù)不同用戶的技術(shù)條件和需求，選擇不同發(fā)酵方法?？梢赃x擇不同的發(fā)酵方法有單相不循環(huán)發(fā)酵方法、單相內(nèi)循環(huán)發(fā)酵方法、固液兩相發(fā)酵方法等。
單相不循環(huán)方法本方法將原料與接種物直接混合投加到一個簡單的沼氣反應(yīng)裝置中進行發(fā)酵，接種物的干重投加量不少于投加原料干重的20％，反應(yīng)結(jié)束后，須要全部清空反應(yīng)器進行新一輪投料接種。優(yōu)點是可以直接利用原有的沼氣池來利用互花米草，設(shè)備簡單，易于操作和管理，比較適合農(nóng)戶使用。
單相內(nèi)循環(huán)方法本方法將原料與接種物直接混合投加到一個簡單的沼氣反應(yīng)裝置中進行發(fā)酵，接種物的干重投加量不少于投加原料干重的20％。反應(yīng)開始后，定期通過外動力，比如泵，將反應(yīng)裝置底部中的液體循環(huán)到反應(yīng)裝置的上部，增加微生物與原料的接觸，以提高反應(yīng)效率。反應(yīng)結(jié)束后，須要全部清空反應(yīng)器進行新一輪投料接種。優(yōu)點是反應(yīng)效率高，發(fā)酵周期短，可以提高產(chǎn)氣量和減小反應(yīng)裝置的體積，比較適合技術(shù)條件比較好的用戶利用互花米草生產(chǎn)沼氣。
固液兩相發(fā)酵方法本方法反應(yīng)裝置包括兩個反應(yīng)容器，分別為固態(tài)原料管理容器和液態(tài)微生物管理容器；固態(tài)原料管理容器用于投加互花米草原料，投加原料時不需要進行接種，只接投加原料即可；液態(tài)微生物管理容器用于微生物接種管理，不投加反應(yīng)原料，僅接種接種物按反應(yīng)器體積計算16000-20000mg/l，接種時在該反應(yīng)器中添加一定量的填料，如塑料填料、玻璃球填料、礦渣等，來截流產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中的污泥，使微生物最大限度的停留在反應(yīng)器中。反應(yīng)開始后，定期通過外動力，如泵，將固態(tài)原料管理容器的液體抽到液態(tài)微生物管理容器中，再將液態(tài)微生物管理容器的溢出液回流到固態(tài)原料管理容器中。這樣一方面固態(tài)原料管理容器的溶解在液體中的有機質(zhì)可以很快在液態(tài)微生物管理容器發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，另一方面，液態(tài)微生物管理容器回流到固態(tài)原料管理容器的液體中的微生物，逐步完成固態(tài)原料管理容器的接種。反應(yīng)結(jié)束后，只需全部清空固態(tài)原料管理容器中的殘渣，在直接投入原料，即可進行新一輪發(fā)酵，不需要再對液態(tài)微生物管理容器進行接種。本裝置的優(yōu)點是大大提高反應(yīng)裝置的效率，縮短原料的發(fā)酵周期，增加產(chǎn)氣量，同時，減少接種工作量，比較適合技術(shù)條件好的規(guī)?；睦没セ撞?。
本發(fā)明中，當(dāng)發(fā)酵裝置每日反應(yīng)產(chǎn)氣量大幅度降低時，即日產(chǎn)氣量低于平均日產(chǎn)氣量的30％，停止反應(yīng)，進行重新投料開始新一輪反應(yīng)。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明充分實現(xiàn)了互花米草的資源化、減量化和無害化的利用，將破壞生態(tài)環(huán)境和危害海洋經(jīng)濟的害草——互花米草轉(zhuǎn)化成為一種能源植物。由于受自然條件的影響，全國互花米草的單位面積生產(chǎn)力差別較大，但是根據(jù)目前的研究基本在2-5kg/(干物質(zhì))范圍內(nèi)，取平均數(shù)據(jù)3kg/m2(干物質(zhì))；全國目前有互花米草面積80-100萬畝，考慮生態(tài)保護等多種因素影響，按收獲率80％計算，取70萬畝收獲面積；綜合以上兩個方面的考慮，單純考慮自然群落，全國每年可以收獲互花米草生物質(zhì)資源量達到14萬噸(干物質(zhì))。根據(jù)研究互花米草干物質(zhì)產(chǎn)氣潛力可以達到0.2-0.3m3/kg，以上原料總共可以產(chǎn)氣2800-4200萬立方米的沼氣，可以替代3-5萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。


圖1為實施例1日產(chǎn)氣量曲線。
圖2為實施例2日產(chǎn)氣量曲線。
圖3為實施例3日產(chǎn)氣量曲線。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。
實施例1某農(nóng)戶家利用互花米草制備沼氣。
(1)原料互花米草的預(yù)處理；將收割后的互花米草地上部分，通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；(2)向步驟(1)所得的互花米草250kg中添加含N元素物質(zhì)尿素5kg，混合，調(diào)整混合料的碳氮比，使混合料中的C/N為20∶1；(3)將步驟(2)中所得混合料投入到4立方米的普通沼氣發(fā)酵裝置中，并加入接種物含水量為80％的厭氧消化污泥500kg，得到發(fā)酵原料；(4)向步驟(3)中的發(fā)酵原料中加水，直至水面高于發(fā)酵原料5cm；(5)封閉發(fā)酵裝置，發(fā)酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，控制反應(yīng)溫度為30-35℃，進行發(fā)酵產(chǎn)氣，反應(yīng)第2天即開始產(chǎn)氣，反應(yīng)進行了36天，每日反應(yīng)產(chǎn)氣量大幅度降低，結(jié)束一輪反應(yīng)進行另一輪投料和接種。
在步驟(5)中儲氣裝置的出氣管上接上膜式煤氣表，每天進行沼氣體積的計量，日產(chǎn)氣量結(jié)果見圖1，總產(chǎn)氣量為35立方米，池容產(chǎn)氣率為0.26m3/m3d。
實施例2某小型企業(yè)利用互花米草制備沼氣。
(1)原料互花米草的預(yù)處理；將收割后的互花米草地上部分，通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；(2)向步驟(1)所得的互花米草1250kg中添加含N元素物質(zhì)碳酸氫銨30kg，混合，調(diào)整混合料的碳氮比；使混合料的C/N為30∶1；(3)將步驟(2)中所得混合料投入到體積為20立方米單相內(nèi)循環(huán)發(fā)酵裝置中，并加入接種物沼液5立方米進行接種，得到發(fā)酵原料；(4)向步驟(3)中的發(fā)酵原料中加水，直至水面高于發(fā)酵原料20cm；(5)封閉發(fā)酵裝置，發(fā)酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，控制反應(yīng)溫度為60-65℃進行發(fā)酵產(chǎn)氣，經(jīng)過43天，互花米草中的有機物質(zhì)通過微生物的作用轉(zhuǎn)化為沼氣，即得所需產(chǎn)品，當(dāng)發(fā)酵裝置每日反應(yīng)產(chǎn)氣量大幅度降低時，反應(yīng)結(jié)束。
在步驟(5)中儲氣裝置的出氣管上接上膜式煤氣表，每天進行沼氣體積的計量，日產(chǎn)氣量結(jié)果見圖2，總產(chǎn)氣量為293.5立方米，池容產(chǎn)氣率為0.34m3/m3d。
實施例3某中型企業(yè)利用互花米草制備沼氣。
(1)原料互花米草的預(yù)處理將收割后的互花米草地上部分，通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；(2)固態(tài)原料管理發(fā)酵裝置將6250kg預(yù)處理后的互花米草原料投加到100立方米固態(tài)原料管理發(fā)酵裝置中，添加尿素125kg使混合液中碳氮比達到25∶1；(3)液態(tài)微生物管理反應(yīng)裝置將5立方米體積的聚乙烯球狀填料投入到體積為20立方米液態(tài)微生物管理反應(yīng)裝置中，加入接種物含水量為80％的厭氧消化污泥2500kg，加入一定量的水，在反應(yīng)器上部留有20cm的空間；(4)封閉發(fā)酵裝置，發(fā)酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，在自然溫度下進行發(fā)酵產(chǎn)氣，經(jīng)過43天，互花米草中的有機物質(zhì)通過微生物的作用轉(zhuǎn)化為沼氣，即得所需產(chǎn)品，當(dāng)發(fā)酵裝置每日反應(yīng)產(chǎn)氣量大幅度降低時，反應(yīng)結(jié)束。
在步驟(5)中儲氣裝置的出氣管上接上膜式煤氣表，每天進行沼氣體積的計量，日產(chǎn)氣量結(jié)果見圖3，總產(chǎn)氣量為1215立方米，池容產(chǎn)氣率為0.28m3/m3d。
權(quán)利要求
1.一種以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于具體步驟如下(1)原料互花米草的粉碎預(yù)處理；(2)向步驟(1)所得的預(yù)處理互花米草中添加含N元素物質(zhì)，混合，得到混合料，控制混合料的碳氮比為20∶1--30∶1；(3)將步驟(2)中所得混合料投入到發(fā)酵裝置中，并加入接種物進行接種，得到發(fā)酵原料，具體投加和接種方式根據(jù)發(fā)酵方法而不同，具體發(fā)酵方法包括三類單相不循環(huán)發(fā)酵方法、單相內(nèi)循環(huán)發(fā)酵方法或固液兩相發(fā)酵方法；(4)向步驟(3)中的發(fā)酵原料中加水，加入量為水面至少高于發(fā)酵原料5cm；(5)封閉發(fā)酵裝置，發(fā)酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，控制反應(yīng)溫度在30-40℃，進行發(fā)酵產(chǎn)氣，經(jīng)過1-2天即可產(chǎn)生沼氣，即目標(biāo)產(chǎn)品；發(fā)酵經(jīng)過20-60天，互花米草中可厭氧生物降解的有機物質(zhì)基本被微生物作用轉(zhuǎn)化為沼氣，當(dāng)發(fā)酵裝置每日反應(yīng)產(chǎn)氣量大幅度降低時，即日產(chǎn)氣量低于平均日產(chǎn)氣量的30％時，反應(yīng)即可結(jié)束，進行新一輪發(fā)酵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于所述含N元素物質(zhì)為尿素、碳酸氫銨或畜禽糞便中一至多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于所述接種物為沼渣、沼液或厭氧消化污泥中任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于步驟(3)中，當(dāng)選擇單相不循環(huán)發(fā)酵方法時，接種物的干重投加量不少于投加原料互花米草干重的20％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于步驟(3)中，當(dāng)選擇單相循環(huán)發(fā)酵方法時，接種物的干重投加量不少于投加原料互花米草干重的20％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于步驟(3)中，當(dāng)選擇固液兩相發(fā)酵方法時，發(fā)酵原料不接種直接投加到固態(tài)原料管理反應(yīng)器，液態(tài)微生物管理反應(yīng)容器接種量按反應(yīng)體積計算16000-20000mg/l。
全文摘要
本發(fā)明屬于資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以互花米草為原料發(fā)酵制備沼氣的方法。具體步驟為原料互花米草的預(yù)處理，預(yù)處理后的互花米草中添加含N元素物質(zhì)，調(diào)整碳氮比為20∶1－30∶1，然后投入到發(fā)酵裝置中，接種進行發(fā)酵，1－2天即可產(chǎn)生沼氣，原料經(jīng)過20－60天完成一個發(fā)酵周期?；セ撞菡託獍l(fā)酵的周期受發(fā)酵方法的影響?；セ撞菡託獍l(fā)酵原料的具體投加和接種方式根據(jù)發(fā)酵方法而不同，具體發(fā)酵方法包括三類單相不循環(huán)發(fā)酵方法、單相內(nèi)循環(huán)發(fā)酵方法、固液兩相發(fā)酵方法。本發(fā)明充分實現(xiàn)了互花米草的資源化、減量化和無害化的利用，將破壞生態(tài)環(huán)境和危害海洋經(jīng)濟的害草——互花米草轉(zhuǎn)化成為一種能源植物。
文檔編號C05F17/00GK1923732SQ20061011614
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者朱洪光, 陳小華, 王彪, 朱鵬 申請人:同濟大學(xué)