[发明专利]一种沼气生物净化及其废弃物资源化循环利用方法

说明书

技术领域

本发明属于资源循环利用技术领域，具体涉及一种沼气生物净化及其废弃物资源化循环利用方法。

背景技术

化石燃料的开发利用会产生很多危害环境的物质，如燃烧产生的二氧化碳是主要的温室气体，含硫燃料燃烧产生二氧化硫则是全球酸雨增多的主要因素之一，化石燃料的不完全燃烧还会产生危害人体肺部健康的碳颗粒。同时人类也面临着化石燃料耗竭的问题，因此人们迫切需要一种对自然环境和人类健康无害的、可再生的清洁能源。

沼气是一种实用性很高的绿色环保生物质能，一般由混合厌氧发酵产生，现主要在农村地区使用。我国沼气事业始于20世纪30年代，当时主要用于建筑物的照明。20世纪70年代前后我国开始大规模的发展沼气事业，特别是在20世纪80年代，对沼气发酵关键技术的研究取得了重要的突破。进入21世纪以来，受能源安全、温室气体减排和环境保护等问题的影响，沼气发酵技术又得到了新的发展。中国农业部2000年1月启动了以沼气综合利用和建设为重点，符合现阶段农业和农村经济发展的“生态家园富民计划”。

混合厌氧发酵产生的沼气中可作为燃料的甲烷气体仅占30%~40%，另外是占60%以上的二氧化碳，以及少量的其它气体。沼气中可燃气体组分含量较低，导致了现阶段沼气的可利用性较差，成为限制绿色沼气生物质能发展的瓶颈，所以迫切需要开发一种去除沼气中二氧化碳以提纯沼气的技术。目前采用的沼气提纯方法主要是变压吸附法和水洗法两大类，但他们都存在着工艺复杂、提纯效果不佳、添加剂或者溶剂消耗量大、技术实用性和经济效益较差的问题。

藻类是一种光能自养型生物，是地球上最古老的物种之一，在元古宇宙10多亿年的时间里它一直是地球生物圈中最主要的生物类群，是整个生态系统最为主要的初级生产者。藻类对于光的利用能力很强，一般高等植物的光能利用率是5%~6%，而藻类可达18%；藻类光合效率则接近40%，是一般农作物的1.5倍。由此可见藻类的增殖能力和对二氧化碳的吸收能力都是很强的。

混合厌氧发酵在产生沼气的同时也产生沼液和沼渣。沼液不仅含有丰富的氮、磷、钾等大量元素和铁、锌、铜等微量元素，而且还含有17种氨基酸、活性酶等。如果沼液不经处理直接排放，则会对环境造成极为不良的影响，极易引起水体富营养化等问题。考虑到沼液的营养成分充足，且基本上都是以速效养分形式存在，如果把其作为藻类培养营养液,再以沼气中的二氧化碳作为碳源供给，则可以在净化沼气的同时也解决沼液的污染问题，一举两得达到变废为宝的目的。沼渣是混合发酵后残留下来的固体废弃物，其通常含有有机质36.0%~49.9%，腐植酸10.1%~24.6%，粗蛋白5.0%~9.0%，全氮0.78%~1.61%，全磷0.4%~0.6%，全钾0.61~1.30%。沼渣的营养丰富，经过堆肥等无害化处理后可以最终还田作为肥料促进农作物的生长，农作物收获后其秸秆等又可以作为混合厌氧发酵的原料。

目前进行混合厌氧发酵和沼气净化的研究较多，但是关于将两者有机结合形成一个废弃物资源化循环利用体系，实现废弃物的零排放的研究则基本处于空白。藻类的生长过程能吸收大量的二氧化碳，将其与沼气净化相关联后可以利用藻类的这一特性很好的提高沼气的品质，进而提高沼气的使用价值。如果大面积使用此种技术，还可以起到固碳的作用，这对全球温室气体减排也是具有重要意义的。同时结合混合发酵后废弃的综合利用，既沼液养藻、沼渣还田和增殖的藻类再与农业固废等混合发酵产沼气这样三个步骤，建立起一个废弃物零排放的资源化循环利用体系。中国是能源紧缺的国家之一，同时也是二氧化碳等温室气体排放量较大、农业废弃物污染最为严重的国家之一，这决定了此项技术在我国一定会拥有极为广泛的应用空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本较低、效果优异的沼气生物净化和废弃物资源化循环利用的方法。

具体而言，本发明是利用藻类构建的光生物反应器来净化沼气中的二氧化碳，以得到高品质生物质能甲烷；同时结合对发酵后残留的沼液和沼渣，以及光生物反应器中增殖的藻类的综合资源化循环利用，最终达到废弃物的零排放。具体包括如下步骤：

（1）将厌氧发酵的底物（如农业秸秆、生活垃圾、厨余、藻类和畜禽粪便等）混合，放入厌氧发酵池，调节底物的碳、氮比（C/N）为（20~30）:1，pH值为6.5~7.5，温度为30~35℃，厌氧发酵产生沼气；