一种光催化预处理提高稻草厌氧消化产气性能的方法技术

一种光催化预处理提高稻草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于按50gTS/L负荷称取一定质量的稻草秸秆，负荷以稻草秸秆TS计算；将二氧化钛加水溶解加入玻璃容器中，搅拌均匀之后，加入一定质量的秸秆继续搅拌均匀，然后放入光催化反应器中，溶液表面距灯源40‑50cm，开启汞灯照射1h～8h，在光照过程中一直采用搅拌器进行搅拌；反应溶液温度保持在47±2℃；预处理后的稻草秸秆与接种物混合，接种物为厌氧消化后的沼液，pH在7.0～8.0，氨氮在200～1500mg/L，碱度在2000～6000mg/L，接种量为20gMLSS/L；再加水，搅拌均匀，定容密封保证厌氧环境；在35±1℃的恒温水浴箱中进行中温厌氧消化过程25d，每天摇动1次。本发明专利技术无毒、无害，厌氧消化周期明显缩短，单位TS产甲烷量提高了12.87％～56.98％。

【技术实现步骤摘要】
一种光催化预处理提高稻草厌氧消化产气性能的方法
本专利技术属于有机固体废弃物厌氧消化领域，具体涉及一种光催化预处理提高稻草产气性能的方法。
技术介绍
我国是农业大国，每年各类作物秸秆高达8亿吨，大量的秸秆被露天燃烧或随意弃置，严重地影响了我国生态环境。通过厌氧消化技术将秸秆转化成沼气，是解决农业废弃物环境污染和实现废物资源化利用的一条有效途径。秸秆是典型的木质纤维素生物质，主要由木质素、纤维素和半纤维素组成，其中木质素、纤维素和半纤维素的交联结构，尤其秸秆表面结构木质素的存在导致厌氧消化效率低，产气效率低。其中木质素是一种三维酚醛聚合物，复杂的结构导致其难以被微生物降解，而且也阻碍了微生物及酶对被木质素包裹其中的纤维素和纤维素的接触利用，因此通常需要在厌氧发酵前对秸秆进行预处理。预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法等。其中物理方法主要是破坏木质素的晶体结构，而无法实现木质素的转化利用，而且大多采用高温高压条件，操作及装置比较复杂。化学方法预处理的过程中，化学药品会逸散至环境中，因此存在化学试剂的污染问题。物理化学方法虽然效果较好，但仍存在某些物理、化学法中的共性问题。而且物理和化学预处理手段主要集中于破坏木质素与纤维素和半纤维素的交联结构，从而使纤维素和半纤维素更易被微生物接触利用，然而对于木质素的降解效果较差，导致木质素无法在厌氧消化过程中被完全利用。生物处理方法虽然可以降解木质素，但木质素降解微生物种类少、分解酶类的酶活力低、处理时间长。以上预处理方法中很少有基于氧化的方法溶解木质素，使其顽固的有机部分有利于生物降解，因此本专利提出一种采用光催化预处理提高稻草产气性能的方法，通过光催化预处理技术降解木质素，释放其中的纤维素，并实现木质素的降解利用。以往研究发现光催化可氧化降解木质素得到香兰素、愈创苯酚等小分子物质，但主要是对单一木质素的催化降解，而没有针对农作物秸秆的预处理方法，从而提高后续厌氧消化性能的研究。文献：陈云平等.纳米TiO2光催化降解碱木质素研究[J].生物质化学工程,2009,43(6):31～35.的研究发现：采用纳米TiO2作为催化剂，在紫外光下催化氧化降解碱木质素,发现在木质素为5g,催化剂用量为0.75g/L、光照时间为2.5h和pH值为10时,降解率可达70％以上，降解后得到了紫丁香基衍生物、香草醛、愈创木基衍生物等小分子物质。
技术实现思路
因此针对厌氧发酵过程中，木质素难以被降解消化，厌氧消化效率低的问题，提出本专利技术。本专利技术的目的在于提供一种光催化预处理提高稻草秸秆厌氧消化产气性能的方法，具有以下特点：本专利技术技术方案包含如下内容：(1)原料与试剂原料：秸秆原料准备，取风干的稻草秸秆，先切成3～4厘米，再用带40目筛网的粉碎机粉碎干燥保存备用；试剂：TiO2。(2)预处理方法称取一定质量的稻草秸秆，负荷以稻草秸秆TS计算；将0.2g～2g二氧化钛加水溶解加入玻璃容器中，搅拌均匀之后，加入一定质量的秸秆继续搅拌均匀，然后放入光催化反应器中，反应器中采用带有长弧汞灯作为光源，溶液表面距灯源一定距离，开启长弧汞灯分别照射1h～8h，在光照过程中一直采用搅拌器进行搅拌。在此过程中，由于半导体粒子具有能带结构，当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时,价带上的电子被激发跃迁至导带，能产生氧化和还原性较强的电子—空穴对，但由于TiO2的带隙较宽(约3.2eV)，因此采用紫外光进行照射，产生强氧化性的光生空穴,从而引发一系列的氧化还原反应，并产生羟基自由基，羟基自由基被认为是降解氧化有机物的驱动力。研究表明强氧化性的羟基自由基可将木质素侧链上的羰基和双键破坏，进一步生成小分子物质。预处理完成后将其放置在4℃冰箱储存备用。(3)厌氧消化将预处理后的稻草秸秆与接种物混合，接种物为厌氧消化后的沼液，pH在7.0～8.0，氨氮在200～1500mg/L，碱度在2000～6000mg/L，接种量为20gMLSS/L；再加水，搅拌均匀，定容密封保证厌氧环境；在35±1℃的恒温水浴箱中进行中温厌氧消化过程25d，每天摇动1次。测定厌氧消化过程中的甲烷百分含量和日产沼气量，数据用于评价光催化预处理后稻草秸秆厌氧消化的效果。具体步骤：按50gTS/L负荷分别称取15.98g稻草秸秆，负荷以稻草秸秆TS计算；分别将0.2g，1g，2g二氧化钛加水溶解加入玻璃容器中，搅拌均匀之后，之后加入称好的秸秆并定容至200ml，然后放入光催化反应器中，反应器中采用带有长弧汞灯作为光源，溶液表面距灯源41cm，开启长弧汞灯分别照射1h，2h，4h，8h，本实验采用外照式条形灯管，灯源采用500W长弧汞灯，主要波长为365nm；在光照过程中一直采用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌器采用上海司乐85～2型恒温磁力搅拌器，反应溶液温度保持在47±2℃；预处理完成后将其放置在4℃冰箱储存备用。催化剂是从绍兴光催化空气净化中心购买的VK-T06S型白色粉末状高活性纳米二氧化钛，粒径为20±5.60nm，比面积为70～120m2/g，晶型为金红石和锐钛矿混合晶型。将预处理后的稻草秸秆与接种物混合，接种物为猪粪厌氧消化后的沼液，pH在7.0～8.0，氨氮在200～1500mg/L，碱度在2000～6000mg/L，接种量为20gMLSS/L；再加水，搅拌均匀，定容至0.3L，密封保证厌氧环境；在35±1℃的恒温水浴箱中进行中温厌氧消化过程25d，每天摇动1次。实验过程中测定厌氧消化过程中的甲烷百分含量和日产沼气量，数据用于评价光催化预处理后稻草秸秆厌氧消化的效果。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)相比于以往预处理方法，光催化技术可在温和的条件——室温常压进行下，而且操作简单易于工程推广，该技术无毒、无害，对于保护环境具有重要意义。(2)厌氧消化周期明显缩短，与空白组(22d)相比，各预处理实验组T80时间缩短了1～4d，缩短了5％～18％。(3)实验组厌氧消化效率在25d后明显下降，在厌氧发酵25d，与空白组相比，各实验组单位TS产气量提高了11.07％～38.86％，单位TS产甲烷量提高了12.87％～56.98％。(4)预处理时间明显缩短。本专利技术专利预处理时间仅为1～8h，当TiO2添加量为1g，光照时间为1h时，预处理效果最好，相比以往预处理时间，大幅度节省了预处理时间，节约了时间成本。(5)与空白组相比，各实验组木质素降解率为13.59％～22.41％。具体实施方式按50gTS/L负荷分别称取15.98g稻草秸秆，负荷以稻草秸秆TS计算；分别将0.2g，1g，2g二氧化钛加水溶解加入玻璃容器中，搅拌均匀之后，之后加入称好的秸秆并定容至200ml，然后放入光催化反应器中，反应器中采用带有长弧汞灯作为光源，溶液表面距灯源41cm，开启长弧汞灯分别照射1h，2h，4h，8h，本实验采用外照式条形灯管，灯源采用500W长弧汞灯，主要波长为365nm。在光照过程中一直采用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌器采用上海司乐85～2型恒温磁力搅拌器，反应溶液温度保持在47±2℃。预处理完成后将其放置在4℃冰箱储存备用。将预处理后的稻草秸秆与接种物混合，接种物为猪粪厌氧消化后的沼液，pH在7.0～8.0，氨氮在200～150本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光催化预处理提高稻草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：(1)原料与试剂准备原料：秸秆原料准备，取风干的稻草秸秆，先切成3～4厘米，再用带40目筛网的粉碎机粉碎干燥保存备用；试剂：TiO2(2)预处理方法按50gTS/L负荷称取一定质量的稻草秸秆，负荷以稻草秸秆TS计算；将二氧化钛加水溶解加入玻璃容器中，搅拌均匀之后，加入一定质量的秸秆继续搅拌均匀，然后放入光催化反应器中，二氧化钛和秸秆的质量比为(0.2～2)：(15‑16)；反应器中采用带有长弧汞灯作为光源，溶液表面距灯源40‑50cm，开启汞灯照射1h～8h，在光照过程中一直采用搅拌器进行搅拌；反应溶液温度保持在47±2℃；预处理完成后将其放置在4℃冰箱储存备用；(3)厌氧消化将预处理后的稻草秸秆与接种物混合，接种物为厌氧消化后的沼液，pH在7.0～8.0，氨氮在200～1500mg/L，碱度在2000～6000mg/L，接种量为20gMLSS/L；再加水，搅拌均匀，定容密封保证厌氧环境；在35±1℃的恒温水浴箱中进行中温厌氧消化过程25d，每天摇动1次。

【技术特征摘要】
1.一种光催化预处理提高稻草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：(1)原料与试剂准备原料：秸秆原料准备，取风干的稻草秸秆，先切成3～4厘米，再用带40目筛网的粉碎机粉碎干燥保存备用；试剂：TiO2(2)预处理方法按50gTS/L负荷称取一定质量的稻草秸秆，负荷以稻草秸秆TS计算；将二氧化钛加水溶解加入玻璃容器中，搅拌均匀之后，加入一定质量的秸秆继续搅拌均匀，然后放入光催化反应器中，二氧化钛和秸秆的质量比为(0.2～2)：(15-16)；反应器中采用带有长弧汞灯作为光源，溶液表面距灯源40-50cm，开启汞灯照射1h～8h，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁海荣，卢新发，李秀金，左晓宇，李莹，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11