一种同时产甲烷和制备肥料的方法技术领域
本发明属于农业发酵领域，具体的说涉及了一种利用外源添加稻秆炭或稻壳
炭同时产甲烷和制备肥料的方法。
背景技术
厌氧发酵产沼气是农业废物资源化利用的重要方向，按照物料总固体含量
(TS)可分为干式发酵、半干式发酵和湿式发酵。其中，物料浓度在15％以下的
厌氧发酵为湿式厌氧发酵，该种技术在处理固体废物时，存在消耗大量清洁水、
发酵后的产物浓度低、脱水处理困难，发酵产物难以有效利用等问题，制约了该
项技术的广泛推广和应用。而物料浓度在15％以上的厌氧发酵可称为干式甲烷发
酵，该种技术的培养基呈固态，虽然含水丰富，但没有或有少量自由流动水，是
固体有机物的理想处理方法。在欧洲，正运行着的厌氧发酵工程中，干式甲烷发
酵工艺约占54％，且呈逐渐增多的趋势，所以，干式甲烷发酵是一种很有前景的
技术途径。
干式甲烷发酵处理固体废物虽具有较多优势，但由于TS含量较高，发酵罐中
的固体废物以不流动的固态形式存在，具有较大的异质性，会导致反应启动速度
缓慢和产气效率低；而且最终发酵产物(沼渣)养分含量差异大、有效态养分含
量低。因此需要一种产气效率更高的发酵方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时产甲烷和制备肥料的方法，该方法包括如下
步骤：
1)按质量比3.5～4.5：1将畜禽粪尿和农作物秸秆混合得混合物料；
2)将稻秆炭或稻壳炭与混合物料按重量比0.5～2.5：10混合；然后置于厌
氧发酵罐发酵，发酵温度为55±2℃。
其中，所述的畜禽粪尿以湿基的形式加入，其含水率为75～85％，优选为猪
粪尿；
所述的农作物秸秆选自玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆中的一种或一种以
上，优选为水稻秸秆；所述农作物秸秆为风干的秸秆，含水率为0～10％，在混
合之前将其破碎成小于2cm的节段；
所述的混合物料的含固率为20～40％、VS为15～25％、C/N为20～35；
所述的稻秆炭和稻壳炭分别是以水稻秸秆和稻壳为原料，其中秸秆断成
18～20cm的节段并捆扎、稻壳原状装入密闭炭化炉中，在最终炭化温度为
300～600℃、平均升温速度为100℃·h-1的条件下对其进行炭化，升至最终炭化
温度后保温1h，分别得到稻秆炭和稻壳炭。
以上述方法生成的沼气中甲烷的体积浓度为60～70％。
本发明所提供的一种外源添加稻秆炭或稻壳炭产甲烷和制肥料的方法，选择
畜禽粪尿、风干的农作物秸秆、炭化的稻秆生物炭/稻壳生物炭为原料，将混合均
匀的物料装入发酵罐中，密闭进行厌氧发酵，发酵温度为55±2℃，克服了现有
技术存在的缺陷，有效减缓高浓度氨抑制发酵和有机酸积累问题，既可以保证较
高的产气效率，又提高了沼渣的品质。
与现有技术相比，本发明的方法具有以下优点及有益效果：
1.稻秆炭或稻壳炭具有导电性，促进微生物间的直接种间电子传递，最终有
利于厌氧发酵系统中甲烷的生成。
2.干式甲烷发酵反应基质的NH4+/NH3浓度水平和酸碱缓冲能力也是影响系
统运行状况的重要因素，由于炭化的稻秆炭或稻壳炭均含有酸性基团和碱
性基团，生物炭表面的负电荷对发酵体系中的NH4+/NH3具有吸附调节作
用；而其含有的K+、Ca2+、Na+等碱性基团对有机酸积累所造成的酸碱变
化也具有缓冲作用。
3.炭化得到的生物炭，由于纤维素分解不完全，羟基、羧基和羰基等含氧官
能团被保留，由此其具有较大的阳离子交换量；最终的沼渣富含氮磷等营
养元素，不需要后续处理，可和发酵残渣一起还田，具有更好的实用性。
4.稻秆炭或稻壳炭通过改善反应基质的组成和结构，增加基质孔隙度和比表
面积，可有效解决基质中产生气体的疏导和介质传递问题。
本工艺合理利用了稻秆炭或稻壳炭，解决农业废弃生物质弃置、焚烧和随意
排放的环境问题；同时将畜禽粪尿和农作物秸秆含有的有机物得到充分的回收和
再利用，减少了农业废物对环境的污染。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
下列实施例中使用的畜禽粪尿为猪粪尿，农作物秸秆为水稻秸秆，分别取自
上海市奉贤区庄行试验站的养猪场和试验田。其中，猪粪尿的含水率为74.5％，
VS为17.6％(VS指污泥中悬浮物经高温575℃煅烧后，挥发掉的有机物的浓度)；
水稻秸秆断成2cm的节段并风干，其含水率为7.7％，VS为69.8％。
稻秆炭：将水稻秸秆断成18～20cm的节段，并捆扎装入庄行试验站内密闭
炭化炉(浙江省悟能环保科技发展有限公司，型号ECO-5000)中，在最终炭化
温度分别为300℃、500℃、700℃、平均升温速度为100℃·h-1的条件下对其
进行炭化，升至最终炭化温度后保温1h，得到稻秆炭，制备成的稻秆炭的电导
率分别为10.0、7.9和4.8ms·cm-1；pH值分别为6.0、7.5和9.0；干基态有机碳
含量分别为8.0、6.2和4.5g·kg-1；全氮含量分别为0.2、0.07和0.02g·kg-1。
稻壳炭：将稻壳装入庄行试验站内密闭炭化炉(浙江省悟能环保科技发展有
限公司，型号ECO-5000)中，在最终炭化温度为300℃、500℃、700℃、平
均升温速度为100℃·h-1的条件下对其进行炭化，升至最终炭化温度后保温1h，
得到的稻壳炭电导率分别为8.5、5.7和2.1ms·cm-1、pH值分别为7.0、9.5和10.3，
干基态有机碳含量分别为7.0、5.1和3.6g·kg-1；全氮含量分别为0.2、0.06和0.02
g·kg-1。
下述实施例中各物料的配比如表1所示。
表1 实施例中的物料配比
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
实施例5
实施例6
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猪粪尿(kg)
8.16
8.16
8.16
8.16
8.16
8.16
秸秆(kg)
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
生物炭(kg)
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
生物炭种类
稻秆炭
稻秆炭
稻秆炭
稻壳炭
稻壳炭
稻壳炭
炭化温度(℃)
300
500
700
300
500
700
下述实施例中各种参数的检测方法如下：
(1)产气量：气体流量计(WS-1A，Shinagawa)测定；
(2)气体成分：气相色谱分析仪(GC-8A，Shimadzu)测定；
(3)干物质含量(TS，％)：称重法测定，将样品放在105℃烘箱中烘至
恒重，然后称质量；
其中取得的新鲜样品过2mm筛，混合均匀，加入去离子水1：10(w/v)
放入三角瓶中密封，室温条件200r min-1水平振荡4h。获得的上清液用于分析
pH和EC。
(4)pH：pH计(PB-21，Sartorius AG，Germany)测定；
(5)EC：电导率仪(DDSJ-318，精科)测定；
然后将上述的上清液16000r min-1离心10min，经0.45μm聚四氟乙烯膜滤，
滤液为水溶性有机物。其中水溶性有机物含有的水溶性总氮和水溶性总磷可以被
微生物和植物直接吸收和利用。
(6)水溶性总氮含量：TOC-TN分析仪(TOC-VCPH，Shimadzu,Japan)测
定；
(7)水溶性总磷含量：紫外分光光度计(DR5000，Hach，USA)测定；
实施例1
(1)将猪粪尿8.16kg和秸秆1.84kg混合得混合物料，该混合物料的含固
率为27.0％、VS为19.3％、C/N为20；
(2)将300℃炭化得到的稻秆炭1kg与上述10kg的混合物料混匀，置于
20L厌氧发酵罐中，并向厌氧发酵罐中通入氮气10min，以排尽反应器顶部空间
的空气，保证反应的厌氧环境，发酵温度为55℃；
采用上述处理方法，在干式甲烷发酵连续培养过程中，每隔1～5天分析50
天内产生沼气中的平均甲烷体积浓度，采集沼渣样品分析水溶性氮磷含量、pH
值和EC值，结果见表2。其中，每隔1～5天分析的甲烷体积浓度数据分别为60、
67、62、60、63、67、63、61、65、64、65、59、63、63、63、64和62％，平均
值为63％，结果表明，50天的发酵过程中系统可持续产甲烷。发酵末期沼渣中的
pH值维持在7.2，EC值为3.8ms·cm-1，水溶性总氮和水溶性总磷含量分别为5.0
g kg-1和6.5g kg-1。
实施例2
(1)将猪粪尿8.16kg和秸秆1.84kg混合得混合物料，该混合物料的含固率
为27.0％、VS为19.3％、C/N为20；
(2)将500℃炭化得到的稻秆炭1kg与上述10kg的混合物料混匀，置于20
L厌氧发酵罐中，并向厌氧发酵罐中通入氮气10min，以排尽反应器顶部空间的
空气，保证反应的厌氧环境，发酵温度为55℃；
采用上述处理方法，在干式甲烷发酵连续培养过程中，每隔1～5天分析50
天内产生沼气中的平均甲烷体积浓度，采集沼渣样品分析水溶性氮磷含量、pH
值和EC值，结果见表2。结果表明，50天的发酵过程中，系统可持续产甲烷，
其中沼气中平均甲烷体积浓度为65％，pH维持在7.5，EC为3.5ms·cm-1，水溶
性总氮和水溶性总磷含量分别为3.5g kg-1和5.0g kg-1。
实施例3
(1)将猪粪尿8.16kg和秸秆1.84kg混合得混合物料，该混合物料的含固
率为27.0％、VS为19.3％、C/N为20；
(2)将700℃炭化得到的稻秆炭1kg与上述10kg的混合物料混匀，置于
20L厌氧发酵罐中，并向厌氧发酵罐中通入氮气10min，以排尽反应器顶部空间
的空气，保证反应的厌氧环境，发酵温度为55℃；
采用上述处理方法，在干式甲烷发酵连续培养过程中，每隔1～5天分析50
天内产生沼气中的平均甲烷体积浓度，采集沼渣样品分析水溶性氮磷含量、pH
值和EC值，结果见表2。结果表明，50天的发酵过程中，系统可持续产甲烷，
其中沼气中平均甲烷体积浓度为55％，pH为7.8，EC为2.9ms·cm-1，水溶性总
氮和水溶性总磷含量分别为3.1g kg-1和4.3g kg-1。
实施例4
(1)将猪粪尿8.16kg和秸秆1.84kg混合得混合物料，该混合物料的含固
率为27.0％、VS为19.3％、C/N为20；
(2)将300℃炭化得到的稻壳炭1kg与上述10kg的混合物料混匀，置于
20L厌氧发酵罐中，并向厌氧发酵罐中通入氮气10min，以排尽反应器顶部空间
的空气，保证反应的厌氧环境，发酵温度为55℃；
采用上述处理方法，在干式甲烷发酵连续培养过程中，每隔1～5天分析50
天内产生沼气中的平均甲烷体积浓度，采集沼渣样品分析水溶性氮磷含量、pH
值和EC值，结果见表2。结果表明，50天的发酵过程中，系统可持续产甲烷，
其中沼气中平均甲烷体积浓度为64％，pH为7.2，EC为3.5ms·cm-1，水溶性总
氮和水溶性总磷含量分别为3.3g kg-1和4.5g kg-1。
实施例5
(1)将猪粪尿8.16kg和秸秆1.84kg混合得混合物料，该混合物料的含固率
为27.0％、VS为19.3％、C/N为20；
(2)将500℃炭化得到的稻壳炭1kg与上述10kg的混合物料混匀，置于20
L厌氧发酵罐中，并向厌氧发酵罐中通入氮气10min，以排尽反应器顶部空间的
空气，保证反应的厌氧环境，培养温度为55℃；
采用上述处理方法，在干式甲烷发酵连续培养过程中，每隔1～5天分析50
天内产生沼气中的平均甲烷体积浓度，采集沼渣样品分析水溶性氮磷含量、pH
值和EC值，结果见表2。结果表明，50天的发酵过程中，系统可持续产甲烷，
其中沼气中平均甲烷体积浓度为65％，pH为7.5，EC为3.0ms·cm-1，水溶性总
氮和水溶性总磷含量分别为2.8g kg-1和3.8g kg-1。
实施例6
(1)将猪粪尿8.16kg和秸秆1.84kg混合得混合物料，该混合物料的含固
率为27.0％、VS为19.3％、C/N为20；
(2)将700℃炭化得到的稻壳炭1kg与上述10kg的混合物料混匀，置于
20L厌氧发酵罐中，并向厌氧发酵罐中通入氮气10min，以排尽反应器顶部空间
的空气，保证反应的厌氧环境，发酵温度为55℃；
采用上述处理方法，在干式甲烷发酵连续培养过程中，每隔1～5天分析50
天内产生沼气中的平均甲烷体积浓度，采集沼渣样品分析水溶性氮磷含量、pH
值和EC值，结果见表2。结果表明，50天的发酵过程中，系统可持续产甲烷，
其中沼气中平均甲烷体积浓度为50％，pH为7.8，EC为2.0ms·cm-1，水溶性总
氮和水溶性总磷含量分别为2.0g kg-1和3.0g kg-1。
表2 实施例中不同炭化温度条件下稻秆炭和稻壳炭的产甲烷浓度和沼渣养分
从表2中可以看出，中低温300～500℃炭化制备的稻秆炭和稻壳炭比高温
700℃炭化制备的生物炭，能够提高沼气中的甲烷体积浓度，并且最终沼渣中的
水溶性总氮和水溶性总磷养分含量均有所提高。