秸秆处理菌剂特性及其在沼气发酵中的应用

来源 :农业工程技术·新能源产业 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tian1_sheng2_wo3_cai
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  近年来,随着农村青壮年劳力外出打工,农村畜禽养殖业的规模化、集中化,农村农户畜禽散养户、散养数的大量减少,沼气发酵原料面临断料危机,致使农村户用沼气池推广不开、使用率不高,同时农村大量农业废弃物大量废弃、焚烧,造成农村环境污染,形成农业面源污染。为此,本文积极探索实践秸秆处理菌剂的特性以及处理农业废弃物(如秸秆等)在沼气发酵中的应用,达到扩大沼气发酵原料的途径,解决农村沼气发酵原料不足或部分不足的问题。
  
  一、沼气发酵基本原理
  
  沼气发酵的实质是微生物自身物质代谢和能量代谢的一个生理过程。沼气发酵过程分为水解、产酸、产甲烷三个阶段。1、水解反应是微生物利用所分泌的胞外酶,如纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶等对有机物进行体外酶解,通过水解反应使复杂有机物,主要是多糖类物质,转变成可溶于水的物质,如糖、肽、氨基酸、脂肪酸等,供产酸菌和产甲烷菌吸收利用;2、产酸阶段。产酸阶段吸收溶于水的物质,在胞内酶的作用下,将水解产物进一步分解成小分子化合物,如低级脂肪酸、核酸、醇、酮、醛等;3、产甲烷阶段。产甲烷菌大量繁殖,其分泌的酶将水解、产酸阶段分解出来的化合物转化为甲烷和二氧化碳等物质。在整个沼气发酵过程中,碳水化合物(纤维素、半纤维素、淀粉、多糖等)降解为双糖或单糖,木质素降解成腐殖质脂肪降解为脂肪酸和甘油;蛋白质水解成多肽和氨基酸并继续分解成醇、胺、苯酚、硫化氢及氨等。
  
  二、秸秆的组成和特点
  
  尽管秸秆是农业废弃物,但其也是一种物质和能量的载体,是一种特殊形态的农业资源。它们不仅具有较高的热值和粗纤维含量,且含有丰富的有机质、氮、磷、钾等营养元素,以及镁、钙、硫和其它重要的微量元素。根据化学组成和营养成分的不同特点,可以作为有机肥、沼气原料的补充。
  
  三、秸秆处理菌剂的组成及特性
  
  秸秆处理菌剂主要为利用现代生物技术分离、选育的多种高效微生物,其富含分解纤维素、半纤维素、木质素和其它生物有机物质的微生物菌群,能快速破坏秸秆纤维结构,使其中的木质素、纤维素等结构发生变化,快速腐熟农作物秸秆等有机废弃物,使秸秆中所含的有机质及磷、钾等元素成为植物所需的营养,并产生大量有益菌群,从而易于被沼气池中微生物分解利用,加快入池秸秆产沼气速度和提高产气量,目前有如绿秸灵复合菌剂、腐秆剂、腐熟剂等。以“绿秸灵”产沼气秸秆预处理复合菌剂为例,秸秆处理菌剂有效成分中有效活菌数≥0.5亿/克,富含真菌、放线菌、细菌、有益复合菌群;水分≤20%,粉粒状、松散、无酸臭味。
  秸秆处理菌剂特性:1、有效菌活性高,中高温菌有机组合,繁殖起温快;2、生物降解速率高,秸秆预处理时间最长一周;3、操作简便,启动快、易成功;4、产气时间较传统原料长,可持续4~6个月;5、产气量较未加菌剂的秸秆高51%;6、解决单纯秸秆结壳和出料难问题,提高产气量并增加沼渣肥效。
  
  四、秸秆处理菌剂在沼气发酵中的应用技术
  
  1、秸秆处理菌剂作用机理及用途。秸秆处理菌剂通过与农作物秸秆混合堆沤,快速破坏秸秆纤维结构,使其木质素、纤维素等结构发生变化,秸秆变得柔软、疏松,以便于厌氧微生物分解利用,从而加快入池秸秆产沼气速度和提高产气量。
  针对农村户用沼气池及中小型沼气工程缺乏畜禽粪便原料,出现较多闲池弃池的现象,秸秆处理菌剂可利用多种农作物秸秆在完全没有粪便的条件下生产沼气,克服了传统秸秆产沼气和秸秆气化炉方式产沼气的原料利用率低等不足,为秸秆的综合利用,减少和消除焚烧秸秆,提高农村庭院经济效益,提供了一个新的有效途径。我县在长桥乡上凡村、盱江镇北门村等地经两种池型的试验示范,试验结果表明其产气时间、产气量和产气质量均接近或优于传统粪便沼气。在养猪量不够甚至不养猪时,可用秸秆为主料生产沼气,满足了农户“多产气、用好气”的基本要求。其主要用途:(1)纯秸秆、粪便加秸秆的湿发酵或干发酵工艺的沼气生产。(2)大田作物及多种经济作物的秸秆生物处理。(3)生物饲料、有机肥料和有机废水净化等领域的应用。
  2、秸秆处理菌剂预处理秸秆操作技术。秸秆处理菌剂处理农作物秸秆进行沼气厌氧发酵其实质是利用物理、化学、生物三种预处理方法结合起来,共同作用来预处理制备沼气,生产沼肥。以“绿秸灵”为例。(1)备料:用小型铡草机铡断,将秸秆铡成长度小于6cm的细段。一般每立方沼气池需秸秆50公斤。原辅料配比如下:(2)润湿:将经铡短粉碎的秸秆按1:1的比例加水润湿。操作时边加水边翻料,最好用粪水,湿润要均匀,润湿时间为一天。(3)拌料、堆沤:将1.kg菌剂和5.kg碳铵分层均匀撒到已湿润的秸秆上。边翻、边撒、边补充水分,将秸秆、菌剂和碳铵进行拌和,补水量一般为秸杆量的1.8~2倍,用手捏紧,有少量水滴下,含水量在65~70%。将拌匀的秸秆收成自然堆,在料堆顶部及四周每隔30~50公分打孔若干,后用塑料布覆盖,堆的底部留10公分不盖。堆沤时间为夏季3~4天,冬季4~6天。以堆内温度达到50℃并维持3天,堆内能看到一层白色菌丝时即可入池。(4)入池:堆沤好的秸秆应趁热从进料孔直接倒入池内,同时将碳铵、接种物均匀加入沼气池中,并补加水至零压力水位处,最后在料上打孔若干。(5)封池、排气试火:封池后定时排气2天,3天后即可试火,直至能正常燃烧。(6)出料及补料:“三结合”沼气池对秸秆发酵是有利的,沼气池全部投入“绿秸灵”处理的秸秆后,厕所和猪圈的粪便仍可正常八池,可起到补料作用。若无禽畜粪便,可在产气下降后补加堆沤秸秆。一般一次补加已用菌剂堆沤处理的秸秆150公斤,只要能加进去可以尽量多加。
  3、常见问题及注意事项。(1)沼气池漏水漏气问题。有条件用户建议使用秸秆处理菌剂前对沼气池及管路进行检查,特别是停用、未用池必须进行试压检查。有漏气池修好后才能使用。有单向阀的回流池和进料管弯曲、进料管内径<200毫米的无活动盖沼气池暂不宜使用技术。管路气密性检查应保证无泄漏点。(2)秸秆问题。不是所有的植物秸秆都可作为沼气发酵原料,例如桃叶、大蒜、辣椒和木本枝条等。秸秆铡切或揉搓质量差会影响使用效果,无特殊困难不要人工手切。秸秆不能受农药、消毒液等的污染。秸秆的投池量要达到或略超批量投料量。秸秆的一次堆沤量可大于批量投料量,剩余堆沤好的秸秆可摊晒晾干后收藏,今后用于补料。沼气池运行中产气量出现较大波动时,应进行液体循环搅拌。产气量不能维持每天正常用气又不方便大换料时可补料,从水压间扒出或抽出部分沼渣后,一般一次补加150公斤已用菌剂堆沤好的秸秆。(3)水的问题。选用水的顺序为沼液、粪水、坑塘水、河水、井水,PH值6.5~7.5,未受毒害物质污染。堆沤加水不足会影响微生物的生长繁殖。应少量多次添加,让秸秆充分吸水。水量适合程度可以参考 以下几点:秸秆变颜色;地面无积水;手握紧秸秆指缝有水流出。重金属化合物、盐类和洗碗洗衣等含有洗涤液的水和打扫猪圈、厕所等含有消毒液的水都不能进入沼气池,它们对沼气发酵有较大的抑制作用,故不能作为沼气发酵原料。(4)接种物的问题。沼气池发酵最适接种物量为20~30%。8立方米新池正常启动应需好沼液35~50担,或黑色起泡的沟泥或堆沤一周左右的牛粪20~30担。接种物不足就不会有足够的产甲烷含量,沼气池很难启动。加大接种量可增加发酵初期的产气量和甲烷含量,是避免产酸过量发酵停顿的重要措施(使用便携式甲烷安全检测仪能及时发现酸化趋势)。要坚持接种物只可多投不能少投的基本原则。接种物应选用正常发酵的沼气池中的料液或富含沼气微生物的坑塘污泥、老粪坑底的粪便液。在用沼气池大出料时,应留存池容三分之一的料液作为接种物。(5)碳铵问题。沼气发酵微生物对发酵温度、酸碱度、发酵原料、料液浓度和碳氮比等都有要求。通常沼气发酵微生物消耗碳的速度是消耗氮的25~30倍。麦秸、稻草和玉米秆等秸秆都是富碳原料,预处理过程中须添回碳铵以补充氮素。适宜的碳氮比(C:N\25~30:1)发酵原料启动快,反之,不仅启动慢还易造成沼气池酸化。无碳铵时可用尿素替代。(6)与粪便共用问题。一池三改农户的沼气池全部投入绿秸灵预处理的秸秆后,厕所和猪圈的粪便仍可正常入池。以绿秸灵预处理的秸秆为主,粪便为辅一并投池的方法也可以。但鸡粪进池要慎重!因鸡粪属易产酸发酵原料,加入过多会引起有机酸大量累积。抑制沼气发酵,甚至导致产沼气中断。处理方法是用碱性物质进行调酸,同时加大接种物的投放量。(7)绿秸灵专用问题。绿秸灵是在有氧条件下对秸秆预处理的专用菌剂,不能直接投入池内当产甲烷菌使用。合百意公司另有专门研制生产的产甲烷菌促进剂和处理固体有机物生产高效肥料,处理秸秆生产高蛋白质饲料、培育蘑菇菌类基料,以及秸秆堆沤还田等的专用菌剂。用户应根据实际需要选用,不能相互代用。(8)堆沤及保温问题。堆沤时不要将堆料拍实封严。在昼夜平均温度低于15℃的季节堆料,堆料要高,必须作好保温,否则需较长时间才能达到要求。用塑料布封严,且顶部留一条40厘米的左右缝隙,并插孔通气,所有部位均用秸秆覆盖。在有条件的情况下最好能加入一些牲畜粪便,以加速升温。具有活动盖的可在池内堆沤,并在池口放草保温。(9)出料问题。有活动盖的沼气池,开盖后须将池内气体放净,并加强通风和看护。先用抓渣机将浮渣抓出,再用沼渣吸运单元抽吸沼液。无活动盖的沼气池,先用沼渣吸运车从出料问将沼液沼渣混合抽出,再将部分沼液从进料口打入,使残渣被冲散,反复抽吸。出料方式和机具可根据实际情况科学选择和组合。从沼气发酵原料多样性的展趋势看,有活动盖的沼气池优势较大,在建池前请慎重选择池型。(10)绿秸灵配套机具及专业服务问题。为保证绿秸灵的的效果,建议用户在沼气物业化服务的农村能源技术员指导下规范使用。其公司开发的各种秸秆预处理机械及出料机具,是配合秸秆生物气化而研发的专用配套机具,适用性强,省时省力工效高,经揉搓过的秸秆还可省去润湿工序。出料机具有多种组合配置,能满足不同情况的需求,沼气物业服务部门可灵活选择。(11)菌剂保存问题。绿秸灵属活性生物制剂,应避免阳光曝晒,保存在阴凉干燥处,防虫防鼠,避免与强酸、强碱及其它易挥发化学品、杀菌剂混放。
  4、沼气发酵后残余物沼肥的作用。沼气发酵残余物沼肥(沼液和沼渣)是指人畜粪便、农作物秸秆等有机物质投入密封的沼气池内,在厌氧条件下经过多种发酵微生物作用而产生的液态和固态残留物。
  沼肥成本低,可培肥地力,改良土壤,对土壤的作用有四:一是增加养分,促使生物生长起着既肥土又肥苗壮果的双重作用;二是调节土壤效应,提高土壤缓冲性,减少土壤酸碱度的急剧变化,有利作物正常生长;三是改善土壤结构,改变粘土的坚实、板结的不良性状,提高土壤肥力,增强土壤的保水、保肥能力;四是增加生理活性物质,能杀死土壤的病原菌。减少人物病害,减少农药化肥的使用量,有杀菌抑菌的作用,而且能刺激作物生长。
  
  五、结语
  
  (1)秸秆可以替代畜禽粪便作为纯发酵原料产生沼气,用秸秆产生沼气不但可以解决沼气池原料投入缺乏的问题,还可以获得优质有机肥,而且还可以从源头上解决焚烧秸秆带来的众多环境问题。(2)秸秆除了全部替代畜禽粪便产沼气外,也可以采用粪草结合的混合式工艺产生沼气,这样既节约了成本又解决了原料不足或部分原料不足的问题。(3)闲时收割嫩绿荒草或种植青草,夏季、秋季蔬菜的烂菜废叶,秋季秸秆青贮发酵等均可作为沼气池发酵原料,可有效降低成本,提高降解率和产气率。(4)纯秸秆或粪草混合原料模式不仅拓宽了沼气发酵原料,使农户的可选择性增加,而且降低了成本,使沼气物业有了用武之地。(5)秸秆可以替代畜禽粪便作为发酵原料产生沼气的试验研究还处于初步阶段,还需要进一步探索。
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