一种以皇竹草为原料生产沼气的方法.pdf

本发明公开了一种以皇竹草为原料生产沼气的方法，先将原料皇竹草粉碎处理；将所得原料加入到厌氧反应器中，再加入接种物进行接种，混合；接种物的加入量为发酵物干重的5％～30％；向厌氧反应器中加水，将TS负荷调节至2.0％～8.0％，密封反应器并连接储气装置后进行发酵产气，反应温度为25℃～55℃，发酵周期为25～50天。本发明充分实现了皇竹草的资源化、减量化和无害化，将具有极强生长能力和繁殖能力的牧草之王皇竹草转化为一种能源作物。

1、  一种以皇竹草为原料生产沼气的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)原料皇竹草粉碎处理；
(2)将步骤(1)所得原料加入到厌氧反应器中，再加入接种物进行接种，混合；接种物的加入量为发酵物干重的5％～30％；
(3)向厌氧反应器中加水，将TS负荷调节至2.0％～8.0％，密封反应器并连接储气装置后进行发酵产气，反应温度为25℃～55℃，发酵过程中通过机械装置搅拌，发酵周期为25～50天。

2、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中原料皇竹草粉碎至2.0～4.0cm。

3、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的厌氧反应器为单相或两相厌氧反应器。

4、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的接种物选自厌氧消化污泥、老沼气池污泥、腐败河泥或新鲜牛粪中的一种或几种。

5、  根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于在发酵末，当日产气量低于平均日产气量的30％时，反应结束。

一种以皇竹草为原料生产沼气的方法
技术领域
本发明属于可再生能源开发利用与环境保护领域，具体来说涉及一种以皇竹草为原料厌氧发酵制取沼气的方法。
背景技术
皇竹草(Pennisetum hydridum)，英文名为Hybrid Giant Napier，原产于哥伦比亚，由象草和美洲狼尾草杂交选育而成，属于四碳植物，有较强的光合作用能力，对净化空气、吸收有毒气体具有很强的作用。皇竹草属于禾本科甘蔗系植物，具有萌芽快、分蘖多、适应性强、耐旱、高产等特点，一般种植一次可连续利用10年左右。它的外形类似小斑竹，但高大粗壮，亩产鲜草量可达15.25t，被誉为牧草之王，故名皇竹草。黄竹草又像甘蔗，叶长，茎粗可达3厘米，高达2米；与甘蔗不同的是不开花，叶光滑。黄竹草又像芦苇，根系发达，且根所伸到之处，均可发芽生长；与芦苇不同的是实心，不易被风吹倒。种植黄竹草可选茎节栽种或取根移植，成活率都较高。皇竹草适种于各种类型的土壤，酸性粗砂质红壤土和轻度盐碱地均能生长，其耐酸性可达pH值4.5。在旱地、水田地、山坡、平地、田埂、河埂、湖泊边等各类型地上及庭院、盆栽等一切可以充分利用的地方均可种植。由于皇竹草生存能力、抗逆性较强，所以它的成活率极高，在一般气候条件下，成活率均在98％以上，在高寒低湿地区，成活率也可达到90％以上。云南省农科院对黄竹草标本进行了鉴定，鉴定结果是：含有氨基酸17种，精蛋白16.68％，糖8.3％，是一种兼具饲料和绿化为一体的优良草种。2001年引入我国安徽省滁州市，通过两年在不同生态环境下种植示范，长势良好，保持了皇竹草的各种生产指标。通过在不同的生态环境下的种植示范，在无灌溉条件下长势良好，其产量、干物质、粗蛋白、粗脂肪等主要经济技术指标保持了较高的水平，是一种高产优质的刈割型饲草。
目前对皇竹草的利用包括：(1)皇竹草叶柔多汁口感好，可作为饲养各种草食性牲畜和鱼类的饲料，可用于饲喂牛、羊、猪、鹅、兔等草食畜禽和草鱼；(2)皇竹草纤维长1.48m，宽30mm，纤维含量为25.26％，可作为造纸、建筑材料的新型原料；(3)皇竹草具有发达的根系，可保持水土；(4)皇竹草属四碳植物，有较强的光合作用能力，对净化空气、吸收空气中的有毒气体具有较强作用。皇竹草饲料化是一种很好的资源化利用方式，但是生长后期的皇竹草由于木质纤维含量高、动物需要的粗蛋白等营养物质的含量低的特点不适合作为饲料利用，这部分皇竹草如果得不到及时有效的处理将会给农村生态环境带来新的污染源。厌氧发酵技术是一种成熟的处理有机固体废弃物的方式，将皇竹草厌氧发酵不但可以获得清洁的能源——沼气，还可以获得大量高品质的有机肥——沼渣和沼液，实现皇竹草的最大资源化利用，同时可以弥补农村能源不足的问题，解决农村由于化肥施用量过大、有机肥短缺造成土壤板结的问题，这在国内外尚未见报道。目前，皇竹草在国内正大张旗鼓的推广，但目前的利用方式较为单一(多以饲料利用为主)，不可避免的存在一些问题，提高皇竹草利用方式的多样性可以弥补单一处理方式的缺点，为皇竹草的推广应用扫清障碍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高荒地经济效益和生态效益的以皇竹草为发酵原料制备沼气的方法。
本发明提出的以皇竹草为原料生产沼气的方法，其具体步骤如下：
(1)原料皇竹草的粉碎处理；
(2)将步骤(1)所得原料加入到厌氧反应器中，厌氧反应器可为单相或两相厌氧反应器，加入接种物进行接种，接种物的加入量为发酵物干重的5％～30％，混合；
(3)向厌氧反应器中加水，将TS负荷调节至2.0％～8.0％，密封反应器，封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管道连接储气装置，反应温度为25℃～55℃，进行发酵产气。反应过程中，定期通过外动力搅拌(通过机械装置搅拌)，使发酵原料与厌氧微生物混合均匀，24小时内即可产气，即目标产品；在发酵末，即经过一个发酵周期(25～50天)的厌氧发酵，皇竹草中的可厌氧生物降解的有机物已基本被厌氧微生物利用，当发酵装置的日产气量大幅度降低时，即日产气量低于平均日产气量的30％时，反应即可结束，进行新一轮的发酵。
皇竹草可以是不同生长阶段、不同生长环境的皇竹草。将收割后的皇竹草地上部分通过人工或机械方法切成2～4cm的小段；或者通过秸秆粉碎机进行粉碎至2～4cm，达到使原料均匀的目的。皇竹草的C/N为20～30，其进行厌氧发酵时一般不需人为添加氮源。
接种物为污水处理厂的厌氧消化污泥、老沼气池污泥、腐败河泥、新鲜牛粪等其中的一种或多种，接种物用量为发酵物干重的5％～30％。
本发明中，厌氧反应器可以是单相或两相反应器，可根据用户的实际条件选择。厌氧发酵温度为25℃～55℃。
本发明的优点：本发明充分实现了皇竹草资源化、无害化和减量化的要求，将草中之王——皇竹草转化为一种能源植物。由于皇竹草生命力强、对生长环境的要求不高的特点，可在田埂、荒地等不太适合农作物生长的地块生长，且皇竹草超强的繁殖能力，亩产鲜草量可达15.25t，是作为能源植物的极佳物种。目前，皇竹草已在我们的安徽、江西、宁夏、四川等地推广，如果能够在全国农村推广，不但可以将农村的一些荒地充分利用，皇竹草发酵产生的沼气作为农村用能的补充，发酵后的沼渣作为有机肥料回田，实现了荒地的资源利用。目前，我国可用荒地面积在2680万hm²以上，按实际可使用率60％计算，亩产皇竹草鲜样15吨，含水率85％，收获率按80％计算，根据研究皇竹草干物质产气量可达0.2～0.31/gTS，则每年可获得868.32～1302.48亿立方米沼气，相当于0.9～1.5亿吨标准煤。
附图说明
图1为实施例1日产气量和累积产气量的变化曲线。
图2为实施例2日产气量和累积产气量的变化曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例1：
生长周期为1个月的皇竹草发酵制沼气实验。
(1)原料皇竹草的粉碎预处理；将收割后的皇竹草地上部分，通过人工或机械的方法切成2-4cm的小段；
(2)称取步骤(1)所得皇竹草670g(以干物质重90g计)投入到2.5L的发酵罐中，加入接种物进行接种，混合，接种物的加入量为发酵物干重的5％～30％，得到发酵原料。
(3)向步骤(2)中的原料加水调节系统TS负荷为6％。
(4)封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管与储气装置连接，反应温度控制在35±1℃，发酵过程中通过搅拌装置对发酵物进行搅拌，24h内即可产生沼气，反应进行了45天，日产气量和累积产气量的结果见图1。当产气高峰过后，产气量明显下降，结束一轮反应进行下一轮的投料与接种。
实施例2：
生长周期为2个月的皇竹草发酵制沼气实验。
(1)原料皇竹草的粉碎预处理；将收割后的皇竹草地上部分，通过人工或机械的方法切成2-4cm的小段；
(2)称取步骤(1)所得皇竹草650g(以干物质重90g计)投入到2.5L的发酵罐中，加入接种物进行接种，混合，接种物的加入量为发酵物干重的5％～30％，得到发酵原料。
(3)向步骤(2)中的原料加水调节系统TS负荷为6％。
(4)封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管与储气装置连接，反应温度控制在35±1℃，发酵过程中通过搅拌装置对发酵物进行搅拌，24h内即可产生沼气，反应进行了45天，日产气量和累积产气量的结果见图2。当产气高峰过后，产气量明显下降，结束一轮反应进行下一轮的投料与接种。
上两例中，不同生长阶段的皇竹草厌氧消化过程均可正常进行，例1和例2的累积产气量分别为20760～23119mL和19463～25008mL，皇竹草单位干物质产气量达230.67～256.88mL/gTS和216.26～277.87mL/gTS，对比图1和图2可以看出，生长周期为1个月的皇竹草厌氧发酵周期较短，日产气量相对稳定；生长周期为2个月的皇竹草厌氧周期相对延长，且日产气量波动较大，但单位干物质产气量较生长周期为1个月的稍高。生长周期为1个月的皇竹草中所含粗蛋白类物质较高，生长周期为2个月的皇竹草中粗蛋白含量降低，粗纤维含量明显增加，而粗蛋白厌氧发酵转化为沼气的转化率较低，粗纤维厌氧产沼的得率较高，因此，对于生长周期较短的皇竹草建议作为饲料利用经济价值更高，而对于生长周期较长的皇竹草，由于其中粗蛋白含量低、粗纤维含量较高，更适合进行厌氧发酵产沼气。不同生长阶段的皇竹草中所含粗蛋白、粗纤维的含量不同，这种差异导致其单位产气能力的差异。