一种沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法技术

一种沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法，属于环保和生物质能源领域。首先将小麦秸秆风干后粉碎与沼液混合搅拌均匀，预处理总固体含量为20％左右，然后置于密闭的发酵装置中在38±1℃恒温反应器中浸泡处理3天左右；将预处理后的小麦秸秆与接种液按照oTS比为2:1混合均匀，发酵液中固体含量控制在8‑10％，在沼气发酵反应器中进行中温厌氧消化以产生沼气。本发明专利技术预处理后小麦秸秆的木质纤维素素总量降低了20％左右，厌氧发酵周期T80明显缩短，厌氧发酵后甲烷产量提高了35％以上，沼液浸泡预处理兼有化学和生物作用，不需要额外添加药剂，在降低生产成本的同时还能循环利用沼液，减缓沼液对环境带来的污染，且工艺简单，易于操作。

【技术实现步骤摘要】
一种沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法
本专利技术属于环保和生物质能源领域，涉及一种高含氮沼液、秸秆浸泡处理、厌氧产沼气单元的集成系统，特别适用于处理小麦和水稻秸秆，对于提高沼气产气效率和沼气工程经济性具有重要意义。
技术介绍
我国作为农业大国，每年产生大量的秸秆废弃物。秸秆妥善的处理与处置将为农业废弃物的处置利用寻找到出路。与其他木质纤维素生物质一样，秸秆是由纤维素(30-40％)，半纤维素(20-30％)和木质素(15-20％)构成的复杂混合物。目前，农作物秸秆主要用于家禽饲养、堆肥和厌氧发酵产沼气，其中，通过厌氧发酵产生清洁能源沼气以实现农业废弃物资源化的方法备受青睐。但是在实际生产中，由于农作物秸秆中木质素的存在阻碍了酶接近纤维素和半纤维素，导致了酶的非特异性结合，降低了酶活，因此要达到产气量高和最大限度地提高秸秆利用率的目的，对发酵原料进行预处理是常用的有效手段。目前常用的预处理方式主要包括物理法、化学法和生物法，物理法主要以粉碎为主，但没有从根本上改变木质纤维素结构，直接发酵产气效率低；化学方法以酸碱处理为主，产气量高，但是化学药剂的添加残留于沼渣沼液中，存在二次污染；生物法因环境友好，效率高而成为近些年来研究的热点，但是由于其菌种和酶成本高，且技术难度大，因此在实际应用中难以大面积推广。沼液作为厌氧消化的最终产物之一，氨氮含量高，且含有丰富的可降解木质纤维素的微生物，兼有化学和生物反应，可以用作预处理化学药剂的替代品。与氨溶液预处理相比，沼液在预处理过程中不需要添加额外的化学药剂，显著降低预处理成本。此外，循环沼液对秸秆类物料进行预处理，在提高厌氧发酵过程中底物生物转化速率的同时，还减少发酵后需要处理的沼液体积，提高了木质纤维素的厌氧沼气生产效率，因此本专利技术提供了一种沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法，具有以下特点：(1)操作简单，预处理时间短，厌氧发酵启动迅速；(2)沼气产量大，甲烷浓度高；(3)循环利用沼液，无需添加化学药剂，基本没有额外成本。一种沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)秸秆原料准备：将秸秆自然风干后粉碎，密封保存；(2)沼液准备：沼液取自运行一年以上以鸡粪为底物稳定发酵的厌氧发酵沼气池中，静置沉降2天后将其过筛备用；(3)沼液浸泡预处理秸秆：取秸秆和适量沼液置于厌氧发酵瓶中，充分混合均匀，密封置于恒温反应器中预处理3天左右；(4)厌氧消化产沼气：在沼液浸泡预处理所得的秸秆中按照底物和接种液oTS比为2：1加入接种液得到发酵液，发酵液中固体含量控制在8-10％。在沼气发酵反应器中进行中温厌氧消化以产生沼气，每天进行3次定时搅拌。进一步地，所述步骤(1)中粉碎后秸秆长度约为6-12mm。进一步地，所述步骤(2)中沼液静置后过20目筛。进一步地，所述步骤(2)中沼液氨氮含量为3750±10mg/L，总氮含量为4500±20mg/L。进一步地，所述步骤(3)中沼液浸泡预处理中固体含量占秸秆和沼液总固体含量约为20％。进一步地，所述步骤(3)中沼液浸泡预处理的温度为38±1℃。进一步地，所述步骤(4)中接种液的pH值在7.5-8.0之间，氨氮含量约为3600±10mg/L，总氮含量约为4250±20mg/L。进一步地，所述步骤(4)中厌氧消化温度为38±0.5℃。对预处理前后秸秆进行木质纤维素含量分析、扫描电镜分析、结晶度分析和傅里叶红外光谱分析，测定厌氧发酵前后总挥发性固体含量VS，甲烷浓度和沼气产量。所有数据用于评价沼液浸泡预处理秸秆厌氧发酵的产气效率。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)纤维素降解明显。沼液浸泡预处理3-5天后小麦秸秆纤维素、半纤维素和木质素分别降低了25％-33％,13％-29％,和6％-16％，纤维素结晶度降低了24％-56％。此外，相对于化学和生物预处理，本专利技术循环利用发酵产生的沼液，不需要添加额外的药剂，操作简单，成本低廉。(2)厌氧发酵周期明显缩短。中温发酵条件下，沼液浸泡预处理后的秸秆厌氧发酵能迅速进入产甲烷高峰期，且有两次产气高峰，明显缩短厌氧发酵周期。对于预处理温度为38±0.5℃，沼液浸泡预处理时间3-7天的小麦秸秆的厌氧发酵周期，T80为9-12天，比未处理组的14天缩短了14％-35％。缩短发酵周期意味着更高的生物质转化效率和更低的运行成本，更适宜工业生产。(3)沼气产量和甲烷产量明显提高。沼液浸泡预处理3-7天后小麦秸秆的沼气产量和甲烷产量较未处理秸秆分别了提高了21％-29％和33％-51％。附图说明图1预处理前后小麦秸秆的扫描电镜图，图(A、B、C、D分别为未处理和预处理3，5，7天的小麦秸秆)图2预处理前后小麦秸秆的傅里叶红外光谱图，图3小麦秸秆日甲烷产量随时间变化图。具体实施方式下面结合具体实例对本专利技术做进一步说明，以使本领域技术人员更好地理解本专利技术，但本专利技术并不局限于以下实例。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1将小麦秸秆自然风干后粉碎至6-12mm，取12份重量为5g的小麦秸秆(以TS计)与27mL的TS为1％的鸡粪沼液(过20目筛)混合均匀，然后将其置于厌氧发酵瓶中，密封置于38±0.5℃恒温水浴锅中预处理3-7天。预处理结束后加入500g接种液形成发酵液进行厌氧发酵反应30天，每天记录沼气产量和测定其中甲烷浓度。发酵结束后计算沼气和甲烷总产量，然后计算T80，测定VS去除率，实验结果如下所示。表1预处理后小麦秸秆纤维素含量、结晶度及厌氧发酵结果表1为预处理后小麦秸秆纤维素含量及厌氧发酵结束后VS产气量、T80、VS去除率等厌氧发酵性质分析。沼液预处理后小麦秸秆的纤维素、半纤维素和木质素的主要成分相比于未处理小麦秸秆分别减少了25％-33％，13％-29％和6％-16％，说明沼液预处理能显著降低秸秆木质纤维素含量。此外，预处理后纤维素结晶度降低了24％-56％也侧面说明了沼液对木质纤维素的降解作用。沼液预处理试验组VS产甲烷量为216-246mL/gVS，比未处理试验组(162mL/gVS)提高了33％–51％，T80为9-12天，比未处理试验组(14天)缩短了14–35％，VS去除率为43％-49％，比未处理试验组(32％)提高了10％–17％。其中，预处理时间5天效果最好，VS产甲烷量为242mL/gVS，T80最短(9天)。可见，沼液预处理明显缩短了厌氧发酵时间，提高了厌氧发酵产气效率。实施例2取12份水稻秸秆，每份水稻秸秆重量为5g(以TS计)，与25mL干重为1％的鸡粪沼液(过20目筛)混合均匀，然后将其置于厌氧发酵瓶中，密封置于38±0.5℃恒温水浴锅中预处理3-7天。经预处理的水稻秸秆与500g接种液混合加入厌氧发酵瓶中进行厌氧发酵反应30天，每天记录沼气产量和测定其中甲烷浓度。发酵结束后计算沼气和甲烷总产量，然后计算T80，测定VS去除率，实验结果如下所示。表2预处理后水稻秸秆纤维素含量及厌氧发酵结果沼液浸泡预处理后水稻秸秆纤维素含量及厌氧发酵结束后VS沼气产量，VS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)秸秆原料准备：将秸秆自然风干后粉碎，密封保存；(2)沼液准备：沼液取自运行一年以上以鸡粪为底物稳定发酵的厌氧发酵沼气池中，静置沉降2天后将其过筛备用；(3)沼液浸泡预处理秸秆：取秸秆和适量沼液置于厌氧发酵瓶中，充分混合均匀，密封置于恒温反应器中预处理3天；(4)厌氧消化产沼气：在沼液浸泡预处理所得的秸秆中按照底物和接种液oTS比为2：1加入接种液得到发酵液，发酵液中固体含量控制在8‑10％；在沼气发酵反应器中进行中温厌氧消化以产生沼气，每天进行3次定时搅拌。

【技术特征摘要】
1.一种沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)秸秆原料准备：将秸秆自然风干后粉碎，密封保存；(2)沼液准备：沼液取自运行一年以上以鸡粪为底物稳定发酵的厌氧发酵沼气池中，静置沉降2天后将其过筛备用；(3)沼液浸泡预处理秸秆：取秸秆和适量沼液置于厌氧发酵瓶中，充分混合均匀，密封置于恒温反应器中预处理3天；(4)厌氧消化产沼气：在沼液浸泡预处理所得的秸秆中按照底物和接种液oTS比为2：1加入接种液得到发酵液，发酵液中固体含量控制在8-10％；在沼气发酵反应器中进行中温厌氧消化以产生沼气，每天进行3次定时搅拌。2.根据权利要求1中所述的一种沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法，其特征在于，所述步骤(1)中粉碎后秸秆长度为6-12mm。3.根据权利要求1中所述的一种沼液浸泡预处理强化秸秆产沼气效率的方法，其特征在于，所述步骤(2)中沼液静置后过20目筛...

【专利技术属性】
技术研发人员：李子富，刘婷，周晓琴，程世昆，孙嘉臣，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11