水葫芦沼气能源化发酵方法及其产品利用.pdf

本发明涉及一种水葫芦沼气能源化发酵方法及其产品利用，属于环保和新能源技术领域。包括：水葫芦粉碎后直接发酵或将水葫芦汁液发酵，pH值调节为6～8；C/N调节为20～30∶1；采用厌氧活性污泥或已有的沼液进行微生物接种，接种量10～40％；冬季设定20℃～40℃，夏季设定40℃～55℃；用水泵将发酵罐底部发酵液抽出再从发酵罐顶部淋喷或利用机械搅拌使发酵原料分布均匀。本方法所获得的沼气中甲烷平均含量达70％，远高于一般材料，且产气迅速、供气量稳定、产气率大，残渣可以充分利用。该项技术既能解决水葫芦造成环境污染的问题又能提供清洁能源和优质肥料、饲料，可以应用于富营养化湖泊及其他水体的治理及生态恢复。

权利要求书
1.  水葫芦沼气能源化发酵方法，包括：备料、进料前处理、微生物接种、密封启动运转、温度控制、进出料和回流搅拌日常管理，其特征在于，
A.备料、进料前处理——水葫芦粉碎后直接进行沼气发酵，堆肥酸化，pH值调节为6～8；C/N调节为20～30∶1；或者将水葫芦粉碎后将汁液分离，水葫芦汁液酸化后进行沼气发酵；
B.微生物接种——采用厌氧活性污泥或已有的沼液对新料液进行微生物接种，接种比例到达发酵料液体积总量的10～40％；
C.恒温发酵控制——密封启动运转，发酵罐中微生物对料液进行发酵，通过发酵罐中的温度控制系统，将冬季温度设定为20℃～40℃，夏季温度设定为40℃～55℃；
D.发酵液循环及搅动——采用水泵将发酵罐底部富集微生物的发酵液抽出再从发酵罐顶部淋喷的方法或利用机械搅拌使发酵原料分布均匀。

2.  根据权利要求1所述水葫芦沼气能源化发酵方法，其特征在于：采用蓝藻、禽畜粪便和秸秆将权利要求1中步骤A所述发酵材料的C/N调节为20～30∶1。

3.  根据权利要求1或2所述水葫芦沼气能源化发酵方法，其特征在于：利用太阳能热水器中热水或采用沼气发电余热进行循环水加热实现权利要求1中步骤C所述的恒温控制。

4.  权利要求1-3之一所述水葫芦沼气能源化发酵方法所获得的水葫芦渣、沼气、沼液和沼渣产品。

5.  权利要求4所述水葫芦渣、沼气、沼液和沼渣产品的应用。

说明书水葫芦沼气能源化发酵方法及其产品利用
技术领域
本发明涉及利用水葫芦沼气能源化发酵方法及其产品，属于环保和新能源技术领域，专用于富营养化水体水葫芦发酵为沼气能源和沼气、沼液、沼渣的综合利用。
背景技术
控源、截污、引流、清淤、修复是治理湖泊的方针与策略，因此，根治富营养化湖泊，必须设法加快从太湖水体中取走氮磷。水葫芦学名凤眼莲(Eichhornia crassipes)，其吸污能力在所有的水草中最强。在适宜条件下，一公顷水葫芦能将800人排放的氮、磷元素当天吸收掉，水葫芦还能从污水中除去镉、铅、汞、等重金属元素。因此养殖水葫芦是持续有效地从太湖中取走氮磷，为太湖富营养化控制增添新的途径，从而加快实现太湖水质的根本好转。目前，在治理湖泊过程中将大面积种植水葫芦。
但是水葫芦是外来物种，被列为世界10大害草之一，排位第二。水葫芦生长速度惊人，可达60吨/亩水面，无序生长对水体生态环境及湖泊、河道的通航造成严重影响，并且水葫芦死亡腐烂后营养再次释放到水体，导致水体二次污染。即使人工种植水葫芦用于消减湖泊水体氮、磷为目标，其生产庞大生物量水葫芦大量的后期处理同样关系到环境问题。将水葫芦作为沼气发酵能源化利用，由于其材料生产量大易于获取，因此具有巨大的生产潜力。
在国家能源紧张的状况下，发展生物质能源更为迫切，我国广泛实施农村沼气工程，鼓励农民建立沼气池充分利用生物质能源而采用与人争粮、争地生产生物质能源的方法在中国这样人口大国是行不通的。本发明利用水葫芦的光合生产力生产生物质能源，为治理富营养化水体提供新的途径，且操作简单易行，不需要对沼气池结构进行特殊改造，不用添加其它辅料就可以实现快速生产沼气。在生产沼气能源的同时，向农业生产提供优质高效的有机肥源，解决了水葫芦的巨大生物量处置难题，促进绿色食品生产和农业可持续发展，具有广阔的市场前景和推广价值。
但是目前国内外利用水葫芦进行沼气发酵能源化利用的技术及工艺处于空白状态，本发明不仅填补了国内空白而且走出了自己的路，具有自主的知识产权。
发明内容
技术问题本发明目的在于：针对湖泊、水库、河流与池塘等水体富营养化导致水葫芦大量繁殖以及湖泊治理过程中人工种植的水葫芦打捞出来后严重影响生态环境的问题，给出一种沼气发酵的能源化利用水葫芦资源及其残渣、沼液、沼渣的综合利用技术。
技术方案
为了达到以上目的，本发明的水葫芦能源化及综合利用技术采沼气发酵方法其工艺：包括：备料、进料前处理、微生物接种、密封启动运转、温度控制、进出料和回流搅拌日常管理，其特征在于，
A.备料、进料前处理——水葫芦粉碎后直接进行沼气发酵，堆肥酸化，pH值调节为6～8；C/N调节为20～30∶1；或者将水葫芦粉碎后将汁液分离，水葫芦汁液酸化后进行沼气发酵；
B.微生物接种——采用厌氧活性污泥或已有的沼液对新料液进行微生物接种，接种比例到达发酵料液体积总量的10～40％；
C.恒温发酵控制——密封启动运转，发酵罐中微生物对料液进行发酵，通过发酵罐中的温度控制系统，将冬季温度设定为20℃～40℃，夏季温度设定为40℃～55℃；
E.发酵液循环及搅动——采用水泵将发酵罐底部富集微生物的发酵液抽出再从发酵罐顶部淋喷的方法或利用机械搅拌使发酵原料分布均匀。
上述水葫芦沼气能源化发酵方法，采用蓝藻、禽畜粪便和秸秆将发酵材料的C/N调节为20～30∶1。利用太阳能热水器中热水或采用沼气发电余热进行循环水加热实现恒温控制。
上述水葫芦沼气能源化发酵方法所获得的水葫芦渣、沼气、沼液和沼渣产品。沼气利用：将产生的沼气通入用户直接作为燃料或者发电利用，也可以压成液体罐装后作为能源、化工原料利用。沼液、沼渣利用：将沼液、沼渣作为优质肥料或基质。榨汁后的残渣采用青储方法，作为饲料利用。
有益效果
本发明采用干发酵或榨汁和温度控制技术，沼气中甲烷含量达70％远高于一般材料，且产气迅速、供气量稳定、产气率大，具有显著的经济效益，适合规模化利用。池容产气率可为达1～1.5m3/m3·d左右，沼气中甲烷含量达70％以上。
本发明通过厌氧发酵技术对水葫芦进行无害化处理、资源化利用，在生产沼气能源的同时，向农业生产提供优质高效的有机肥源，促进绿色食品生产和农业可持续发展，这样既解决了富营养化水体无序生长或人工养殖的水葫芦巨大生物量处置难题，又可以转化为清洁能源，可以应用于富营养化湖泊及其他水体的治理及生态恢复，达到改善环境、社会和生态效益目的。
具体实施方式
实施例一
本实施例的水葫芦粉碎后直接进行沼气发酵，其步骤如下：
A.备料、进料前处理——采用粉碎打浆方法把水葫芦粉碎成糊状；在酸化池(根据生产规模建设的水泥池，上罩红泥塑料)内采用高温堆肥法(控制pH在5.7左右，最多不能超过6.0，Eh为-240mV，温度50℃-60℃)酸化；用石灰水将pH值调节为6.8～7.5；为了水葫芦发酵效率，用水葫芦与蓝藻、禽畜粪便、秸秆将C/N调节为20～30∶1的合适碳氮比。
B.微生物接种——采用厌氧活性污泥(用污水处理厂硝化池污泥，TS含量为1-2％)或用沼液对新料液进行微生物接种，接种比例到达发酵料液总量的10～30％，其中包括第一类发酵细菌，将复杂的有机物分解成较为简单的物质，例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸；第二类产氢产乙酸细菌，将前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳；第三类产甲烷菌，利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。厌氧活性污泥中含有以上三类菌是公知公用的技术。
C.恒温发酵控制——发酵罐中微生物对料液进行发酵，通过发酵罐中的自动控制系统中的温度智能控制仪，将冬季设定为30℃～40℃，夏季设定为40℃～55℃。利用太阳能热水器中热水，打开水泵，使热水在换热器中循环加热料液。当料液温度达到设定温度时，由自动控制系统断开电源，水泵停止工作，系统停止加热：当反应器内料液温度降低时，自动控制系统启动水泵，继续向料液加热，直至达到所设定的温度。或者采用发电余热(若沼气用于发电)进行循环水加热。
D.发酵液循环及搅动——为了提高产气量和原料利用率，采用水泵将发酵罐底部富集微生物的发酵液抽出再从发酵罐顶部淋喷的方法，使发酵原料分布均匀，增加微生物与原料的接触面，加快产气速度，从而实现发酵过程中自动搅拌。
E.沼气利用——将产生的沼气通入用户直接作为能源利用或者压成液体罐装后作为能源利用也可以发电利用。
F.沼液、沼渣利用——通过管道将沼液输送到农田作为蔬菜、花卉等优质液体肥料；塑料袋装后作为家庭花卉肥料或基质。沼渣中含有丰富的氨基酸等营养物质作为饲料和优质肥料。
以上步骤中冬季设定为35℃，夏季设定为53℃，在这个温度条件下，池容产气率可为达1～1.5m3/m3·d左右，沼气中甲烷含量达70％以上。
实施例二
本实施例的利用水葫芦汁进行沼气发酵，水葫芦渣可以作为堆肥材料、青储饲料等利用，其步骤如下：
A.采用粉碎打浆方法把水葫芦粉碎成糊状；将汁和渣进行分离；汁液在酸化池内采用高温堆肥法酸化；用石灰水将pH值调节为6.8～7.5；C/N调节为20～30∶1。
B.微生物接种——采用已有的沼液对新料液进行微生物接种，接种比例到达发酵料液总量的10～30％，其中包括第一类发酵细菌，将复杂的有机物分解成较为简单的物质，例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸；第二类产氢产乙酸细菌，将前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳；第三类产甲烷菌，利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。已有的沼液中含有以上三类菌是公知公用的技术。
C.恒温发酵控制——发酵罐中微生物对料液进行发酵，通过自动控制系统中的温度智能控制仪，将冬季设定为30℃～40℃，夏季设定为40℃～55℃，利用太阳能热水器中的热水，打开水泵，使热水在换热器中循环加热料液，当料液温度达到设定温度时，由自动控制系统断开电源，水泵停止工作，系统停止加热：当反应器内料液温度降低时，自动控制系统启动水泵，继续向料液加热，直至达到所设定的温度或采用发电余热(若沼气用于发电)进行循环水加热。
D.发酵液循环及搅动——为了提高产气量和原料利用率，采用水泵将发酵罐底部富集微生物的发酵液抽出再从发酵罐顶部淋喷的方法，使发酵原料分布均匀，增加微生物与原料的接触面，加快产气速度，从而实现发酵过程中自动搅拌。
E.沼气利用——将产生的沼气通入用户直接作为能源利用或者压成液体罐装后作为能源利用也可以发电利用。
F.沼液利用——通过管道将沼液输送到农田作为蔬菜、花卉等优质液体肥料。
G.分离出来的水葫芦残渣利用——在好氧状态下采用高温堆肥技术作为肥料和花卉基质等利用；或采用青储技术处理后含有丰富的氨基酸等营养物质作为饲料用。
以上步骤中冬季设定为35℃，夏季设定为53℃，在这个温度条件下，池容产气率可为达1.5～2.0m3/m3·d左右，沼气中甲烷含量达70％～72％。