用预处理强度评价木质纤维素原料厌氧消化性能的方法技术

用预处理强度评价木质纤维素原料厌氧消化性能的方法，属于有机固体废物厌氧消化领域。本发明专利技术步骤：木质纤维素原料加试剂在一定温度、时间条件下进行水热预处理，测定预处理后原料的pH值；计算不同条件下水热预处理强度；接种污泥，加水定容后进行厌氧发酵；将水热强度与甲烷产量进行拟合，用于评价甲烷潜力的过程。通过本发明专利技术的实施，可达到以下优点：(1)提供的水热强度评价方法，减少繁杂的数学模型计算与拟合；(2)可大大缩减实验工作量及其所需时间，可以节省掉厌氧消化时间(30‑60d)。(3)操作简单，价格低廉，可节省测试COD所需时间以及废液处理处置费用。(4)操作简单、节约能耗，快速环保。

A method for evaluating the anaerobic digestibility of lignocellulosic materials by pretreatment intensity

【技术实现步骤摘要】
用预处理强度评价木质纤维素原料厌氧消化性能的方法
本专利技术属于有机固体废物处理处置资源化——厌氧消化领域，具体涉及一种利用预处理强度评价水热预处理后木质纤维素原料厌氧消化产甲烷性能的判定方法。
技术介绍
木质纤维素类生物质是地球上储量巨大的碳资源，被认为是最有前途的石油类替代品。然而，木质纤维素类原料的复杂结构阻碍了纤维素酶与木质纤维素的接触，导致木质纤维素难降解。因而，为了提高木质纤维素原料的产甲烷能力，众多学者开发出各种各样的预处理手段破坏木质纤维素的空间结构，使其更易于与微生物、酶接触，从而让提供产气性能。由于厌氧消化是一个复杂的微生物消化过程，没有特别快速有效的方法可以直接通过预处理性质来得到产甲烷潜力。目前，所有的预处理条件都需要经过30-60天的厌氧消化过程，通过每天监测其沼气产量或甲烷产量的累加来得到其产气潜力。这种方法既耗时间，又耗费人力物力和财力。因此，如果能通过预处理参数初步判定最佳产气的参数范围，可以大大减少工作量和时间。由于厌氧消化原料来源广泛，不同类型的原料理化特性不同，以及预处理方法不同，导致不同条件下不同原料的产甲烷特性也不同，因此，还没有一个通用而简单的方法能计算出各种不同原料的产甲烷量。现有的方法是通过测定C、H、O、N之后通过公式进行计算其理论产气量，由于各种预处理条件和预处理试剂的不同影响，导致这种通过简单的元素组成计算出来的理论产气量与实际产气量相差甚远，无法判定不同预处理条件下的不同原料的产气潜力。对于餐厨垃圾和废水这种含水量较高、流动性较好且富含蛋白质类的原料，有人提出以餐厨垃圾为原料，用Gompertz模型结合一阶动力学模型进行拟合的方法来预测产气潜力[赵明星，CN107145725A]，前提是不同预处理条件都需要做一遍，才能得到相应的修正系数，因此，并没有减少任何工作量。在废水厌氧消化产甲烷生产中，常使用COD快速预测产甲烷潜力，而在木质纤维素厌氧消化产甲烷研究中，常通过产甲烷潜力(BMP)实验或Buswell公式获得其产甲烷潜力。Silva等人以猪粪和污泥等为原料，通过早期参数估计厌氧消化产甲烷潜力，但最短所需时间仍达5-15天[Silva等.Biochemicalmethanepotential(BMP)tests:Reducingtesttimebyearlyparameterestimation[J].WasteManagement,2017,71:19-24.]对于木质纤维素类原料，目前的文献所报道的方法存在操作难度高，预处理参数范围大，传统意义上评估产甲烷潜力方法应用困难。因此，目前还没有有效的预判方法。目前，水热预处理是一种很好的预处理方法，将不同原料放在不同温度的热水中进行浸泡或蒸煮，可以加压或不加压，可以加或不加各种化学试剂。但预处理时间、温度、含水量、是否加化学试剂以及不同原料对预处理效果都有很大影响，目前还没有一致性的结论，每种预处理方法均需要进行30-60天的厌氧消化后才能得出产气潜力。所以，针对上述存在问题，本专利技术提出一种利用预处理强度评价水热预处理后木质纤维素原料厌氧消化产甲烷性能的判定方法，快速确定厌氧消化产甲烷较优范围，以达到快速筛选预处理条件的目的。
技术实现思路
针对不同水热预处理后的木质纤维素原料厌氧消化产甲烷性能评价工作量大、难实现问题，提出本专利技术。本专利技术的目的在于提供一种评价水热预处理后的木质纤维素类厌氧消化产甲烷效果的指标，快速确定较优产甲烷的预处理范围，大大降低后续厌氧消化环节操作工作量。针对不同水热预处理后的木质纤维素原料厌氧消化产甲烷性能评价工作量大、难实现问题，提出本专利技术。本专利技术的目的在于提供一种评价水热预处理后的木质纤维素类厌氧消化产甲烷效果的指标，快速确定较优产甲烷的预处理范围，大大降低后续厌氧消化环节操作工作量。本专利技术具体内容如下：(1)水热预处理条件确定在水热预处理过程中，预处理温度和预处理时间是影响水热预处理过程的重要因素。本专利技术的预处理温度范围为50-200℃，预处理时间范围为5min-3d。本专利技术的预处理物料用自来水调节其含水率为70％-90％。本专利技术所用预处理方法为：a.称取经过粉碎的木质纤维素原料(包括玉米秸秆、牛粪、稻壳木质纤维素类原料)于固定容器中，添加化学试剂，并用自来水调节其含水率；b.将混合好的物料转入容器中，用玻璃棒搅拌均匀后置于反应器中在不同温度条件下进行不同时间的加热预处理。c.预处理结束后取出物料，测定木质纤维素原料的pH。(2)水热强度计算根据预处理温度和预处理时间计算出在所用预处理温度和时间条件下的积分因子R0，其中a为起始时间b为结束时间；然后，根据公式(1)并结合预处理前后木质纤维素酸碱性的变化，用预处理后H+浓度来表明酸试剂的影响，计算出酸化因子R0’推导出公式(2)：R＇0＝R0·[H+]式(2)将公式(2)代入公式(1)，两边同取对数，得出公式(3)，log(R＇0)＝logR0-pH式(3)在公式(3)基础上加以校正，快速统一比较添加酸碱试剂后的水热预处理效果，推出预处理强度因子R0”：其中，t是水热预处理时间(min)，T是水热预处理温度(℃)，pH是预处理后的pH值。厌氧消化产甲烷将预处理后的物料与接种物混合，加水定容至发酵罐有效容积，密封放入恒温水浴水箱中进行中温厌氧消化。每天通过排水集气法记录沼气产量。通过气相色谱仪测定沼气中甲烷含量。利用水热预处理强度评价厌氧消化产甲烷性能采用公式(4)中评价指标logR0”计算水热预处理强度，并将预处理后的物料进行厌氧消化得到甲烷产量。将水热预处理强度与厌氧消化产甲烷性能进行拟合，根据拟合结果，得到该类原料的最佳水热预处理强度范围如图1所示。为不同预处理条件提供一种预测甲烷潜力的依据。木质纤维素原料甲烷潜力判定利用水热预处理强度与不同预处理条件下的甲烷产率关系图(图1)，可以快速判定不同预处理条件下原料厌氧消化产甲烷的性能。其他人不用再重复做厌氧消化实验，只需通过公式(4)结合预处理后pH值以及预处理时间和温度计算出的预处理强度，再查阅不同原料的拟合图(图1)，即可知道其产甲烷潜力范围。大大减少参数筛选工作量。具体步骤：(1)水热预处理称取所需质量的木质纤维素原料(玉米秸秆、牛粪、稻壳)，以原料TS计算，添加预处理化学试剂，并用自来水调节其含水率；将混合后的物料加入玻璃容器中，用玻璃棒搅拌均匀后置于水热反应器中进行加热预处理。100℃以下的预处理保持1-3d不等；100℃以上的预处理实验保持5-30min不等。预处理结束后利用水冷和风冷进行降温，降温完成后取出物料，检测原料预处理后pH、还原糖、VFAs性质及是否存在有毒有害物质。(2)计算水热预处理强度利用公式(4)，并结合上述水热预处理的时间、温度与pH值，计算出不同预处理条件下的水热预处理强度。(3)厌氧消化将预处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用预处理强度评价木质纤维素原料厌氧消化性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)水热预处理/na.称取经过粉碎的木质纤维素原料于固定容器中，添加化学试剂，并用自来水调节其含水率为70％-90％；/nb.将混合好的物料转入容器中，用玻璃棒搅拌均匀后置于反应器中在不同温度条件下进行不同时间的加热预处理；预处理温度范围为50-200℃，预处理时间范围为5min-3d；/nc.预处理结束后取出物料，测定木质纤维素原料的pH；/n(2)水热强度计算/n根据预处理温度和预处理时间计算出在所用预处理温度和时间条件下的积分因子R

【技术特征摘要】
1.用预处理强度评价木质纤维素原料厌氧消化性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)水热预处理
a.称取经过粉碎的木质纤维素原料于固定容器中，添加化学试剂，并用自来水调节其含水率为70％-90％；
b.将混合好的物料转入容器中，用玻璃棒搅拌均匀后置于反应器中在不同温度条件下进行不同时间的加热预处理；预处理温度范围为50-200℃，预处理时间范围为5min-3d；
c.预处理结束后取出物料，测定木质纤维素原料的pH；
(2)水热强度计算
根据预处理温度和预处理时间计算出在所用预处理温度和时间条件下的积分因子R0，其中a为起始时间b为结束时间；



然后，根据公式(1)并结合预处理前后木质纤维素酸碱性的变化，用预处理后H+浓度来表明酸试剂的影响，计算出酸化因子R0’推导出公式(2)：
R＇0＝R0·[H+]式(2)
将公式(2)代入公式(1)，两边同取对数，得出公式(3)，
log(R＇0)＝logR0-pH式(3)
在公式(3)基础上加以校正，...

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