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微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法技术

技术编号:20009976 阅读:43 留言:0更新日期:2019-01-05 20:10
本发明专利技术属于有机固体废弃物厌氧消化领域,提供一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法。具体为:取自然风干或烘干的秸秆(TS≥90±1%)反复揉搓后切成小段,充分研磨后过筛,保证得到粒径小于1mm的足量秸秆粉末,以秸秆VS:接种泥VS=2:1的接种比接种厌氧消化污泥,加水定容后调节pH,进行中温厌氧消化。结果显示:经微化粉碎预处理后,VS降解率提高;厌氧消化周期明显缩短;单位产气量呈倍状提升;沼气中甲烷百分含量提高;且有效抑制了传统秸秆厌氧消化存在的浮渣现象。

Method of Improving Gas Production Performance of Wet Anaerobic Digestion of Straw by Micronization and Pulverization Pretreatment

The invention belongs to the field of anaerobic digestion of organic solid waste, and provides a method for improving the gas production performance of wet anaerobic digestion of straw by micronization and grinding pretreatment. Specifically: the natural air dried or dried straw (TS > 90 + 1%) is repeatedly rubbed and cut into small segments. After full grinding and sieving, sufficient straw powder with a particle size of less than 1mm is ensured. Straw VS: inoculation mud VS = 2:1 inoculation is inoculated with anaerobic digestion sludge, adding water and constant volume, then pH is adjusted, and mesophilic anaerobic digestion is carried out. The results showed that after micronization pretreatment, the degradation rate of VS was increased, the anaerobic digestion period was shortened, the gas yield per unit was doubled, the methane content in biogas was increased, and the dross phenomenon in traditional anaerobic digestion of straw was effectively inhibited.

【技术实现步骤摘要】
微化粉碎预处理提高秸秆湿式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,具体涉及一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法。
技术介绍
基于生态学以及循环低碳经济的思想,发展以农业废弃物为原料进行厌氧消化处理农村清洁能源工程,有利于实现农业废弃物资源化利用与生态农业系统的有机集成;对于满足农民的生产用能需求,增加农民收入,改善农村生态环境,促进社会主义新农村建设具有重要意义。中国是传统的农业生产大国,各类农作物秸秆资源丰富、分布广泛。据不完全统计,2015和2016年中国的农作物秸秆产量分别达到8.5和7.9亿吨;2017年6月1日农业部农产品加工局、农业部规划设计研究院在北京召开农产品及加工副产物综合利用模式研讨会,会议指出,我国农产品及加工副产物、剩余物逐年增多,每年秸秆产量有9亿吨,加工副产物有5.8亿吨,加工副产物综合利用率平均不到40%,60%以上的副产物被随意堆放、丢弃或用作肥料还田、生活燃料,相当于7亿亩土地的投入产出和6000亿元的收入被白白损失掉。厌氧消化是将作物秸秆变废为宝的有效手段,在厌氧条件下,秸秆等有机废物能被厌氧微生物分解利用产生甲烷。厌氧消化过程是在厌氧条件下由多种(厌氧或兼性)微生物共同作用,使有机物分解并产生甲烷和二氧化碳的过程。复杂有机物的厌氧消化过程由水解阶段、发酵酸化阶段、产乙酸产氢阶段以及产甲烷阶段组成。在这四个阶段中,前两个阶段的反应是由同一类细菌完成的,前三个阶段的反应速度很快,第四个阶段反应速度通常很慢。厌氧消化操作简单,成本较低且技术相对成熟,在我国已有许多工程应用实例。秸秆密度小、体积大,进入厌氧发酵罐后很快形成浮渣层,影响气、液、固三相传质、传热和流动性,气体释放困难,增加了安全风险发生率;形成的固液分层易导致物料与接种物接触不充分,反应器内传热、传质不均匀,消化条件不易控制,进而影响微生物群落条件反射或水解不充分导致底物粘滞性高;秸秆中木质素含量较高,它是构成植物细胞壁的成分之一,亲水性基团少,常存在于植物纤维素之间的连接处,具有增强细胞及粘合纤维的作用,不溶于水和一般溶剂,化学性质非常稳定,对酶降解和微生物水解有很强的抗性,使微生物不能有效利用秸秆,并给纤维素和半纤维素的分解带来了一定的困难,导致消化率不高,投入产出效率差等问题。因此,在进行厌氧消化处理前,通常需要对秸秆进行一定的预处理,破坏其内部结构以利于其后续水解过程中释放出更多的糖类物质。木质纤维素类原料的预处理方法主要物理处理法、化学处理法、物理化学综合处理法和生物处理法。物理处理能够降低秸秆的尺寸,提高秸秆的可接触面积,降低秸秆纤维素的晶度和聚合度,提高后处理过程的效率。化学法对条件要求低、时间短、处理效率高,但通常仅加入单一酸或碱,很难达到理想的效果,且产生的大量化学残液会迁移到沼渣沼液中,导致沼渣沼液难以被回收利用;生物处理对化学物质和能量的消耗较少,是一种生物安全、环境友好的秸秆处理方式,但需对特定菌种进行定向培养,对人员和设备条件的要求较高,大规模生产应用难度较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于,针对秸秆厌氧消化过程中易形成浮渣层、水解不充分和利用率低等缺陷,提供一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法,本专利技术具有以下特点:(1)随着机械粉碎程度增大,酶解反应中酶负荷将会减少,降解和发酵速率加快;(2)固体颗粒的粒度变化到100μm便已经具有表面效应和体积效应等特殊性质,同介质的作用力显著加强,有很好的溶解性、吸附性和流动性,化学反应速度快;(3)提高秸秆的可接触面积,降低秸秆纤维素的晶度和聚合度;(4)阻止厌氧发酵罐内形成浮渣层,减少了安全风险发生率。为了实现上述目标,本专利技术采用如下技术方案:一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法:1)秸秆物理预处理a.取自然风干或烘干处理后的秸秆,其TS(TotalSolid,总固体含量)不应小于90±1%;b.取经a步骤处理后的秸秆,手工反复揉搓,使纤维结构变得柔软;c.取经b步骤处理后的秸秆,将其手工剪成尽量小的段状,以小于1~2cm为宜;d.取经c步骤处理后的小段秸秆于研钵中,手工充分研磨,得到秸秆粉末;e.取经d步骤处理后的秸秆粉末,手工过筛,得到微粒径秸秆粉末;f.取足量经e步骤处理后得到的微粒径秸秆粉末,干燥保存备用;2)接种比确认取步骤1)所得微粒径秸秆粉末和待接种的厌氧消化污泥样品,分别测定其挥发性固体(volatilesolid,VS),以秸秆VS:接种泥VS一定的接种比进行接种,加水稀释至反应器总体积的60%-80%后搅拌均匀得料液,料液的含固率为5-8%;3)调节pH值调节料液的pH值至6.8-7.2以保证合适的发酵环境;4)厌氧消化将各反应器连接好搅拌单元后密封,在恒温水浴锅内进行中温厌氧消化30d,搅拌单元搅拌-静置交替运行,正转-反转交替运行。本专利技术中,采用湿式发酵,步骤2)所述的“料液的含固率为5-8%”,属于湿式发酵的范畴。进一步,步骤1)的所述微粒径秸秆粉末的粒径小于1mm,更接近“超微化”颗粒,同介质的作用力显著加强,有很好的溶解性、吸附性与流动性,化学反应接触位点增多,反应速度轩主加快。进一步,步骤1)所述的秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、高粱秸秆中的任意一种或几种,破碎前需自然风干并去除沙土等杂质。进一步,步骤2)的待接种物为稳定产甲烷的厌氧消化工艺污泥。进一步,步骤2)中,秸秆VS:接种泥VS的接种比为2:1。进一步,步骤3)中要求厌氧消化反应前利用盐酸和氢氧化钠溶液调节pH在7±0.2。进一步,步骤4)中所述厌氧消化过程包括序批式、半连续式与连续式运行过程。进一步,步骤4)中,秸秆进行中温厌氧消化,恒温水浴的温度控制在37±1℃。进一步,步骤4)中,秸秆厌氧消化过程进行搅拌,搅拌-静置交替运行,正转-反转交替运行,搅拌转速为60r/min。本专利技术进一步测定厌氧消化前后木质纤维素含量,甲烷百分含量,沼气产量,总固体含量TS,总挥发性固体含量VS,pH,氨氮,粗蛋白含量,溶解性COD,溶解性蛋白,溶解性多糖和碳氮元素含量,用于评价微化粉碎预处理后秸秆厌氧消化的效果。结果显示:经微化粉碎预处理后,VS降解率提高,最高可达58.98%;厌氧消化周期明显缩短,由25天可缩短至19天;单位产气量呈倍状提升,由164.84L/kg·VS可提升至303.26L/kg·VS;沼气中甲烷百分含量提高,由66.1%可提升至71.57%;且有效抑制了传统秸秆厌氧消化存在的浮渣现象。由于,秸秆这类木质纤维素含量很高的物质,韧性很足,常规破碎过程丝状纤维很容易搅缠刀片设备,使用周期非常短,维护成本非常高。而本专利技术依次采用自然风干或烘干、手工反复揉搓、剪切、研磨、过筛处理得到足够细的微粒径秸秆粉末。木质纤维素是由三个部分组成,分别是纤维素、半纤维素与木质素。在厌氧消化过程中,从最根本属性来说纤维素和半纤维素属于较易被降解的物质,木质素属于难降解物质,但在秸秆中这三种物质互相交联成一个整体,所以导致本身易被降解的纤维素和半纤维素也因木质素的包裹及本身结晶作用不能充分被降解糖化,本专利技术通过将秸秆类物质破碎到足够细,以打破交联与结晶状态,促进三种木质纤维素的降解与本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法,其特征在于,包括如下过程:1)秸秆物理预处理:a.取自然风干或烘干处理后的秸秆,其总固体含量TS不应小于90±1%;b.取经a步骤处理后的秸秆,手工反复揉搓,使纤维结构变得柔软;c.取经b步骤处理后的秸秆,将其手工剪成尽量小的段状,以小于1~2cm为宜;d.取经c步骤处理后的小段秸秆于研钵中,手工充分研磨,得到秸秆粉末;e.取经d步骤处理后的秸秆粉末,手工过筛,得到微粒径秸秆粉末;f.取足量经e步骤处理后得到的微粒径秸秆粉末,干燥保存备用;2)接种比确认:取步骤1)所得微粒径秸秆粉末和待接种的厌氧消化污泥样品,分别测定其挥发性固体VS,以秸秆VS:接种泥VS一定的接种比进行接种,加水稀释至反应器总体积的60%‑80%后搅拌均匀得料液,料液的含固率为5‑8%;3)调节pH值:调节料液的pH值至6.8‑7.2以保证合适的发酵环境;4)厌氧消化将各反应器连接好搅拌单元后密封,在恒温水浴锅内进行中温厌氧消化30d,搅拌单元搅拌‑静置交替运行,正转‑反转交替运行。

【技术特征摘要】
1.一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法,其特征在于,包括如下过程:1)秸秆物理预处理:a.取自然风干或烘干处理后的秸秆,其总固体含量TS不应小于90±1%;b.取经a步骤处理后的秸秆,手工反复揉搓,使纤维结构变得柔软;c.取经b步骤处理后的秸秆,将其手工剪成尽量小的段状,以小于1~2cm为宜;d.取经c步骤处理后的小段秸秆于研钵中,手工充分研磨,得到秸秆粉末;e.取经d步骤处理后的秸秆粉末,手工过筛,得到微粒径秸秆粉末;f.取足量经e步骤处理后得到的微粒径秸秆粉末,干燥保存备用;2)接种比确认:取步骤1)所得微粒径秸秆粉末和待接种的厌氧消化污泥样品,分别测定其挥发性固体VS,以秸秆VS:接种泥VS一定的接种比进行接种,加水稀释至反应器总体积的60%-80%后搅拌均匀得料液,料液的含固率为5-8%;3)调节pH值:调节料液的pH值至6.8-7.2以保证合适的发酵环境;4)厌氧消化将各反应器连接好搅拌单元后密封,在恒温水浴锅内进行中温厌氧消化30d,搅拌单元搅拌-静置交替运行,正转-反转交替运行。2.根据权利要求1所述的微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法,其特征在于:步骤1)的所述微粒径秸秆粉末的粒径小于1mm。3.根据权利要求1所述的微化粉碎...

【专利技术属性】
技术研发人员:华煜戴晓虎
申请(专利权)人:同济大学
类型:发明
国别省市:上海,31

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