一种秸秆厌氧发酵产沼气的方法技术

本发明专利技术提供了一种秸秆厌氧发酵产沼气的方法，属于生物质利用领域。具体步骤包括：常规秸秆原料粉碎风干后，将混合碱联合反复冻融预处理后得到的秸秆固液混合物调节pH至弱碱后直接进入中温厌氧发酵产沼气体系。在秸秆中温厌氧发酵沼气生产过程中，使用本发明专利技术预处理后的秸秆可有效缩短发酵周期7

【技术实现步骤摘要】
一种秸秆厌氧发酵产沼气的方法


[0001]本专利技术属于生物质利用领域，涉及到一种秸秆厌氧发酵产沼气的方法。

技术介绍

[0002]中国作为一个农业大国，全国平均每年约有8.65亿吨的农业秸秆产出，其中86％可被重新利用，其主要转化形式为“五料”，即肥料、饲料、基料、燃料、工业原料。然而秸秆燃料化并非我国的主流工艺，主要原因除了秸秆燃料化的低值化属性，另一个原因也跟秸秆燃料化的转化率低有关。秸秆由于其生物学特征，存在不易于收集和储存，能量密度较低，含碳量高、含氮量低，营养比例不均衡等缺点。而在厌氧发酵产沼气工程应用中，由于秸秆组织结构复杂，降解速度较慢，能量不能进行有效转化，因此秸秆作为主要的农作物生物质，在沼气工程中并没有得到大范围的推广，使得目前世界各国的秸秆生物学转化研究在取得一定进展的基础上始终存在技术瓶颈。
[0003]目前我国常用的秸秆预处理工艺在一定程度上提高了秸秆的生化降解性能，但在产业化应用过程中存在成本高，过程繁琐、二次污染，难以大规模产业化等弊端。所以，一种低成本、简单操作、绿色环保的预处理工艺显得极为重要。生物质预处理主要目的是破坏木质纤维素坚固的超分子结构，使其本身致密的结构变得松散，便于后续生物法处理秸秆过程中微生物与底物的结合，保证厌氧发酵产沼气的高效进行。目前产业化应用过程中效率较高的预处理法主要为化学法、物理法或多种工艺联合的方法。上述方法均能有效提高秸秆的生化性，然而在实际应用中存在一些问题。如化学预处理后，强酸强碱预处理后需要把酸碱脱除，避免极端pH或过量的金属盐进入秸秆混合物的后续生化处理体系，从而导致大部分水溶性有机质随酸碱溶液流出，导致底物的流失，影响后续厌氧产沼的得率；物理预处理工艺可以在有效提高秸秆生化性的同时避免底物中有机质的流失，然而也常常伴随着高能量、高成本的投入，如碾磨、挤压等相关设备的使用，因此该方法并不具备经济优势。为了弥补上述缺陷，本专利技术设计一种低浓度混合碱联合反复冻融的预处理工艺，为秸秆预处理提供新思路。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是针对秸秆类生物质在预处理过程中存在的底物流失、处理过程冗繁、处理成本过高等现有技术的弊端，提供一种避免底物流失、操作简单、成本经济的秸秆类预处理方法，即提供一种秸秆厌氧发酵产沼气的方法。
[0005]本专利技术的专利技术思路为：过往报道中KOH被证实可以用来改变秸秆的顽固性和复杂性，提高秸秆的降解率，并且K可以用作土壤复垦和农业肥料，从而资源得以回收利用，有效避免浪费及二次污染，但从经济角度出发，高浓度的KOH并不适用于大规模长期使用。此外，秸秆是一类C/N比严重失调的生物质，在单独厌氧发酵产沼气的过程中，需要额外补充N源，尿素作为典型的弱碱和有机氮源，在预处理阶段适量使用可以提高秸秆的生物可利用率，在之后的厌氧发酵阶段又能被厌氧微生物吸收利用。此外，低成本冻融法可以有效破坏秸
秆晶体结构，底物与微生物更好的接触并被其降解，该方法大大的降低了预处理成本。基于上述特点，本专利技术拟采用混合碱联合反复冻融处理，以期提供一种新型的秸秆预处理工艺的思路。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种秸秆厌氧发酵产沼气的方法，取常规秸秆原料，经混合碱联合反复冻融处理后，将处理得到的秸秆固液混合物经调节pH至弱碱性后，直接进入中温厌氧发酵产沼气体系。具体包括如下步骤：
[0008](1)预处理阶段：将混合碱溶液与秸秆混合后进行反复冻融处理，获得秸秆固液混合物；
[0009](2)厌氧产沼阶段：将步骤(1)获得的秸秆固液混合物调节pH后，与厌氧污泥混合，进行厌氧发酵制得沼气。
[0010]其中，步骤(1)中，所述的秸秆，为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆中的任意一种或几种的组合。
[0011]其中，步骤(1)中，所述的秸秆，为干燥秸秆，其尺寸为小于等于50mm的任意数值，如10mm、20mm、30mm等。出于经济角度考量，本专利技术选用的50mm长度是为市售常规秸秆粉碎机粉碎后的常规尺寸。
[0012]其中，步骤(1)中，所述的混合碱溶液，为0.2
‑
1.0wt％KOH与1.5
‑
4.5wt％尿素混合，溶剂为水；优选的，0.5wt％KOH与1.5
‑
4.5wt％尿素混合；更优选的，0.5wt％KOH与3.9wt％尿素混合。
[0013]其中，步骤(1)中，所述的秸秆与所述的混合碱溶液混合的质量比为1
‑
40：1，优选10
‑
20：1，更优选18：1。
[0014]其中，步骤(1)中，所述的反复冻融处理，其冻融周期为4
‑
48次，优选8
‑
24次，更优选24次。
[0015]具体的，所述的反复冻融处理，其一次冻融周期内以一天24小时计，小于等于0℃冷冻12小时，大于0℃解冻12小时。
[0016]具体的，冷冻可以在小于等于0℃的自然条件下进行，也可以在低温冰箱中进行；解冻可以在大于0℃的自然条件下进行，也可以通过加热来进行。在本专利技术方法的实施方案中，解冻通过大于0℃的自然条件来进行，从而达到节省能源的目的；静置冷冻在
‑
20℃的冰箱中进行的。在实际产业化应用中，静置冷冻可以利用自然条件进行，如东北地区的自然气候，从而节省能源，然后在20
‑
30℃自然条件下静置解冻12小时后，进入下一个冻融周期。
[0017]步骤(1)中，预处理后的秸秆固液混合物的pH通常在9.0
‑
10.0之间，因此，在进入步骤(2)的厌氧发酵体系时，需将秸秆固液混合物的pH用0.25M H2SO4调节至6.0
‑
8.0之间。
[0018]其中，步骤(2)中，所述的厌氧污泥，为中温35℃条件下，从正常运行的餐厨垃圾全混厌氧发酵罐中取得的含有丰富的活性较高的厌氧底泥。厌氧污泥在添加到厌氧发酵体系中之前可简单过筛，去除不可生物降解的大颗粒物质，如石头、沙子等。
[0019]其中，步骤(2)中，所述的秸秆固液混合物与厌氧污泥的总有机质含量(TS)比为1:1
‑
2，实际比例以厌氧发酵搅拌器能确保正常搅拌为基础。
[0020]其中，步骤(2)中，所述的厌氧发酵，其发酵条件为：32
‑
40℃，转速100
‑
150rpm条件下，发酵28
‑
35天；优选的，厌氧发酵，其发酵条件为：35
‑
40℃，转速100
‑
150rpm条件下，发酵
30天。
[0021]本专利技术经过上述秸秆厌氧发酵产沼气的方法处理，与未经过预处理的秸秆相比，所述的方法最高能够将发酵周期缩短7
‑
8天，最高能够将沼气产气率提高近129％。
[0022]有益效果：
[0023](1)本专利技术提供的方法，同比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种秸秆厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将混合碱溶液与秸秆混合后进行反复冻融处理，获得秸秆固液混合物；(2)将步骤(1)获得的秸秆固液混合物调节pH后，与厌氧污泥混合，进行厌氧发酵制得沼气。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的秸秆，为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆中的任意一种或几种的组合；所述的秸秆为干燥秸秆；所述的秸秆，其尺寸小于等于50mm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的混合碱溶液，为0.2
‑
1.0wt％KOH与1.5
‑
4.5wt％尿素混合，溶剂为水；优选的，0.5wt％KOH与1.5
‑
4.5wt％尿素混合；更优选的，0.5wt％KOH与3.9wt％尿素混合。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的秸秆与所述的混合碱溶液混合的质量比为1
‑
40：1，优选10
‑
20：1，更优选18：1。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的反复冻融处理，其冻融周期为4

【专利技术属性】
技术研发人员：宋贺，刘桂文，陈勇，朱杰，刘洋，应汉杰，
申请(专利权)人：江苏集萃工业生物技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：