專利名稱：利用微藻促進(jìn)木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物能源開(kāi)發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用微藻促進(jìn)木質(zhì) 纖維素原料沼氣發(fā)酵的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)大需求推動(dòng)下，生物能源受到了前所未有的重視。開(kāi)發(fā)生物 燃料用以替代化石燃料已成為世界能源發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。為此，世界各國(guó)紛紛制定戰(zhàn) 略規(guī)劃推動(dòng)生物能源的發(fā)展，美國(guó)提出了 “30-30計(jì)劃”，即2030年美國(guó)運(yùn)輸燃料的30%將 以生物燃料替代，歐洲提出了 “20-20計(jì)劃”，即2020年可再生能源將占整個(gè)歐盟能源消耗 量的20%，其中生物燃料占運(yùn)輸燃料的比例要達(dá)到10%以上。在歐美各國(guó)制定的生物能源 發(fā)展規(guī)劃中，均將以木質(zhì)纖維素為原料的第二代生物燃料作為了研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。木質(zhì)纖維素原料是指主要成分由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等組成的一類原料， 主要來(lái)自木本科植物(如各種木材)和禾本科植物(如各種作物秸稈)，是地球上最為豐富 的生物質(zhì)資源。利用秸稈等木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)沼氣是生物燃料發(fā)展的一個(gè)重要方向。但 是，由于多數(shù)木質(zhì)纖維素原料屬于富碳類原料，氮元素含量低，其C/N遠(yuǎn)高于厭氧發(fā)酵微生 物適宜的20 30 1的范圍，因此，這成為影響此類原料厭氧生物轉(zhuǎn)化的一個(gè)主要因素。針對(duì)C和N等營(yíng)養(yǎng)元素的平衡問(wèn)題，國(guó)外主要采用混合發(fā)酵的方法，即將富含N元 素的糞便和秸稈進(jìn)行混合發(fā)酵來(lái)調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵原料的營(yíng)養(yǎng)平衡。利用糞便作為混合原料 調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的C/N雖然是一種非常經(jīng)濟(jì)和高效的方法，但是這種方法在國(guó)內(nèi)應(yīng)用主要面 臨原料供應(yīng)限制的問(wèn)題，也就是說(shuō)很多情況下秸稈等木質(zhì)纖維素沼氣發(fā)酵工程周圍并沒(méi)有 可供利用的糞便原料，而國(guó)外農(nóng)場(chǎng)化的經(jīng)營(yíng)方式則基本不存在這方面的問(wèn)題。在沒(méi)有糞便 等富N類原料可供利用的情況下，為了調(diào)節(jié)發(fā)酵液的營(yíng)養(yǎng)平衡，只能采用添加化學(xué)藥劑，如 NH4HC03來(lái)補(bǔ)充發(fā)酵原料的N元素，而化學(xué)藥劑的使用提高了沼氣工程的運(yùn)行成本，降低了 其經(jīng)濟(jì)效益。微藻是一類光能自養(yǎng)型單細(xì)胞生物，具有資源豐富、種類繁多、光合效率高、生長(zhǎng) 速度快和大量吸收N和P等水體富營(yíng)養(yǎng)化成分的特點(diǎn)，因此自上世紀(jì)70年代起就被應(yīng)用于 污水的凈化處理。根據(jù)格羅貝拉爾計(jì)算出的微藻近似分子式C0a48H,83Na nP0.oi可知，微藻的 C/N比約為10 1，屬于一種富N類原料，在這方面，跟糞便類原料具有一定的相似性，可以 作為木質(zhì)纖維素的混合發(fā)酵原料加以利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是構(gòu)建一個(gè)利用厭氧發(fā)酵液和沼氣提純產(chǎn)生的C02等厭氧發(fā)酵系統(tǒng) 自身的產(chǎn)物培養(yǎng)微藻，并利用微藻與木質(zhì)纖維素原料混合發(fā)酵調(diào)節(jié)發(fā)酵原料C/N，提高木質(zhì) 纖維素原料厭氧發(fā)酵效率，進(jìn)而促進(jìn)能源總體產(chǎn)出率的新型沼氣發(fā)酵系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下措施達(dá)到一個(gè)利用微藻促進(jìn)秸稈等木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵的系統(tǒng)。將厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的渣液混合物進(jìn)行固液分離，分離產(chǎn)生的沼液用于培養(yǎng)微藻，生長(zhǎng)有微藻的沼液回流到調(diào)節(jié) 池與木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行混合后進(jìn)入到厭氧反應(yīng)器生產(chǎn)沼氣，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行提純處理， 處理過(guò)程中產(chǎn)生的C02排放到微藻培養(yǎng)設(shè)施中用以促進(jìn)微藻的光合作用，提高生物量的產(chǎn) 出。通過(guò)微藻的引入，不僅獲得了調(diào)節(jié)木質(zhì)纖維素原料C/N的N源，而且也使該系統(tǒng)具備了 一定的發(fā)酵原料自供功能，從而使該厭氧發(fā)酵系統(tǒng)具備了自我調(diào)節(jié)C/N能力，以及提高厭 氧發(fā)酵效果和增加能源產(chǎn)出的特性。其中木質(zhì)纖維素原料選自玉米秸稈、小麥秸稈、稻草、高粱稈、花生秧、草和竹產(chǎn)品 加工廢棄物中的一種或幾種；預(yù)處理方法優(yōu)先選用揉切法；厭氧反應(yīng)器優(yōu)先選用全混合厭 氧反應(yīng)器(CSTR)、上流式污泥床反應(yīng)器(USR)和高濃度塞流式反應(yīng)器(HCPF)；微藻培養(yǎng)優(yōu) 先選用封閉的培養(yǎng)設(shè)施。本發(fā)明首先將木質(zhì)纖維素進(jìn)行切割或揉切加工成2 3cm的原料段，如果是含水 率在30%以上的濕原料，切割或揉切后進(jìn)行青貯存放。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料投加到調(diào)節(jié)池與 微藻進(jìn)行混合，木質(zhì)纖維素原料與微藻的混合比例按C/N比=15 25 1進(jìn)行調(diào)節(jié)，混合 好的原料在調(diào)節(jié)池內(nèi)進(jìn)行酸化處理，同時(shí)調(diào)節(jié)其溫度在35 40°C，原料揮發(fā)性固體(VS) 濃度在6 14%，酸化時(shí)間可根據(jù)木質(zhì)纖維素原料的不同控制在1 3d。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)處理后 混合發(fā)酵原料采用間歇性進(jìn)料方式添加到厭氧反應(yīng)器，每天進(jìn)料3 11次，原料在反應(yīng)器 內(nèi)的停留時(shí)間控制為10 20d。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行脫硫處理脫除H2S，然后采用變 壓吸附法、水洗法或者低溫分離法將C02和CH4分開(kāi)，處理后沼氣中CH4的含量> 95%，C02 < 5%，分離出的C02充入到微藻培養(yǎng)設(shè)施內(nèi)作為氣肥用于提高微藻的產(chǎn)量，CH4用于發(fā)電、 集中供氣或者進(jìn)一步加工成壓縮天然氣。原料發(fā)酵后產(chǎn)生的發(fā)酵殘余物進(jìn)行固液分離處 理，分離得到的沼渣直接用作有機(jī)肥或者進(jìn)一步加工成商品有機(jī)肥，沼液則用作微藻的培 養(yǎng)液。本發(fā)明所涉及的木質(zhì)纖維素沼氣發(fā)酵系統(tǒng)具有以下幾方面的特點(diǎn)①本發(fā)明將木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵和微藻培養(yǎng)進(jìn)行了有機(jī)的組合，使二者之間 形成了相互促進(jìn)的正反饋機(jī)制，在解決木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵N含量不足問(wèn)題同時(shí)，還 增加了發(fā)酵系統(tǒng)生物質(zhì)的總量，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率和能量產(chǎn)出率。②通過(guò)將微藻培養(yǎng)引入到木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，使系統(tǒng)具備了自我生產(chǎn) 富N原料的功能，解決了木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵對(duì)外源N的依賴問(wèn)題。③厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生的C02為微藻的生長(zhǎng)提供了氣肥，促進(jìn)了微藻的生長(zhǎng)和繁殖， 使系統(tǒng)自身具備了轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能并進(jìn)一步通過(guò)微藻的厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為沼氣的能力，提高了整 個(gè)系統(tǒng)的能量產(chǎn)出。④厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生的CH4可用作滿足冬季微藻培養(yǎng)所需的熱量和光的燃料。


圖1是本發(fā)明的微藻促進(jìn)木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理 圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)的說(shuō)明僅僅是闡述本發(fā)明的普遍原理，并非限制性的，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以根據(jù)發(fā)酵原料的不同性質(zhì)和技術(shù)應(yīng)用區(qū)域的氣候等具體情況進(jìn)行合理的調(diào)整和修改。實(shí)施例將從田間收獲的青玉米秸稈進(jìn)行揉切處理成長(zhǎng)度為2 3cm的原料段，然后進(jìn)行 青貯處理。經(jīng)過(guò)青貯處理的玉米秸稈添加到調(diào)節(jié)池中，與來(lái)自微綠球藻培養(yǎng)池的藻水混合 物進(jìn)行混合，玉米稈、微綠球藻和水的配比按C/N = 25 1，VS%= 10%進(jìn)行調(diào)配。玉米 秸稈和微綠球藻在調(diào)節(jié)池內(nèi)酸化處理2d后，開(kāi)始向CSTR反應(yīng)器進(jìn)料，進(jìn)料采取間歇進(jìn)料方 式，每天進(jìn)料3 5次，進(jìn)料量按反應(yīng)器的容積負(fù)荷4 5kgVS/(m3 -d)進(jìn)行調(diào)控，控制反應(yīng) 器發(fā)酵溫度為38°C，CSTR攪拌器每天開(kāi)啟6 8次，每次攪拌時(shí)間為15 20min。發(fā)酵產(chǎn) 生的沼氣采用干式脫硫方法脫除H2S，然后利用變壓吸附工藝將C02和CH4進(jìn)行分離，分離出 的C02從微綠球藻池底部鼓入，通過(guò)氣泡的上浮起到攪拌的作用，以防止微藻的下沉，向微 綠球藻池內(nèi)補(bǔ)充C02時(shí)控制池內(nèi)C02濃度為2%，同時(shí)控制池內(nèi)溫度為20°C。厭氧反應(yīng)器排 出的渣液混合物采用螺旋分離機(jī)進(jìn)行固液分離，分離出的沼渣直接用作有機(jī)肥進(jìn)行銷售， 沼液則用作微綠球藻的培養(yǎng)液泵入到微藻培養(yǎng)池。沼液在培養(yǎng)池內(nèi)停留2 3天，然后與 培養(yǎng)的微綠球藻一起泵入到調(diào)節(jié)池。該系統(tǒng)通過(guò)微藻培養(yǎng)與木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵的有 機(jī)結(jié)合，解決了木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵N元素不足的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)微藻生物量的引入， 提高了整個(gè)系統(tǒng)的能源產(chǎn)出率。
權(quán)利要求
一種利用微藻促進(jìn)木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵的系統(tǒng)，其特征在于利用沼液培養(yǎng)微藻并使其參與到木質(zhì)纖維素原料的厭氧發(fā)酵過(guò)程，從而調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的C/N，以彌補(bǔ)木質(zhì)纖維素原料N含量不足對(duì)產(chǎn)氣效果的抑制作用，同時(shí)通過(guò)微藻的參與提高整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的能量產(chǎn)出，發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣通過(guò)凈化分離將CO2與CH4分開(kāi)，分離出的CO2通入微藻培養(yǎng)設(shè)施內(nèi)用作氣肥以增強(qiáng)微藻的光合作用，CH4用作能源或化工原料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于所述的木質(zhì)纖維 素原料選自玉米秸稈、小麥秸稈、稻草、高粱稈、花生秧、草、竹產(chǎn)品加工廢棄物中的一種或 幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于所述的厭氧發(fā)酵 采用濕式發(fā)酵或濕式和干式聯(lián)合發(fā)酵中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于所述的沼氣凈化 分離方法采用變壓吸附法、水洗法、低溫分離法、膜分離法中的一種或兩種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于所述的微藻培養(yǎng) 裝置培養(yǎng)的是單一種微藻，或者是多種微藻，或者藻菌混合體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于所述的微藻種植 裝置冬季燃燒部分甲烷用于為微藻增溫和增光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于所述的厭氧發(fā)酵 液C/N比為20 30 1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于微藻以濕態(tài)參與 木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵過(guò)程。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于發(fā)酵原料在厭氧 反應(yīng)器內(nèi)的滯留時(shí)間為15 35天。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物能源開(kāi)發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用微藻促進(jìn)木質(zhì)纖維素原料沼氣發(fā)酵的系統(tǒng)，系統(tǒng)由原料預(yù)處理裝置、調(diào)節(jié)池、厭氧反應(yīng)器、固液分離設(shè)備、沼氣凈化分離裝置和微藻培養(yǎng)設(shè)施組成。其特征在于通過(guò)培養(yǎng)微藻并使其與木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵，從而調(diào)節(jié)發(fā)酵液的C/N，以彌補(bǔ)木質(zhì)纖維素原料N含量不足對(duì)其厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的制約作用，同時(shí)通過(guò)微藻的參與提高整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的能量產(chǎn)出，發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣通過(guò)凈化分離將CO2與CH4分開(kāi)，分離出的CO2通入微藻培養(yǎng)設(shè)施內(nèi)用于增強(qiáng)微藻的光合作用，CH4直接用作能源或作為化工原料。本發(fā)明解決了大部分木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵氮源不足的問(wèn)題。
文檔編號(hào)C12P5/02GK101892268SQ20101021550
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者李繼紅, 楊世關(guān), 楊勇平, 田慧云, 董長(zhǎng)青, 趙瑩, 鄭宗明 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)