CN101481710A - 一种木质纤维原料资源化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于可再生能源开发利用与环境保护领域，公开了一种木质纤维原料资源化工艺。该工艺将木质纤维原料粉碎，按适当比例加入蚓粪，混合均匀，再加入接种物进行厌氧发酵生产沼气。本发明利用蚯蚓处理木质纤维原料发酵后的沼渣，沼渣处理后的蚓粪与木质纤维原料混合发酵产沼气，提高了木质纤维原料的厌氧转化效率，缩短了产气周期，并可获得高品质的有机肥和高蛋白饲料，实现了木质纤维原料的有效利用。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源开发利用与环境保护领域，涉及一种木质纤维原料资源化工艺。具体来说是利用发酵特性具有互补性的木质纤维原料与蚓粪混合厌氧发酵来提高木质纤维原料生物转化率，并结合蚯蚓处理沼渣产生蚓粪，实现木质纤维原料的最大资源化率。
背景技术
在化石能源渐趋枯竭的今天，能源紧张对全球的影响日益突出，世界开始将目光聚集到新生能源领域。“十一五”规划中，国家将可再生能源放在了非常重要的位置，而各种可再生能源中，生物质能源是其中非常重要的一部分。在太阳能、核能、水能、生物质能等诸多新能源中，生物质能源是最安全、最稳定的能源，也是目前国家重点鼓励的新能源领域。生物质是指由光合作用产生的有机体。光合作用将太阳能转化为化学能储存在生物质中。世界上生物质资源庞大，种类繁多。它包括所有的陆生、水生植物，人类和动物的排泄物以及工业有机物等。在各种可供人类使用的生物质中，木质纤维原料占其中的绝大多数。目前，木质纤维原料能源化利用的途径主要包括：焚烧、气化、发酵产乙醇、生物柴油和厌氧产气等几种。与其它转化技术相比，厌氧产气具有能耗低、产生的沼气清洁无污染等特点，且发酵产生的沼渣和沼液可作为有机肥重回土壤，实现物质和能量的梯级循环利用，更符合国家可持续发展的要求。
众所周知，米草、秸秆等生物质资源的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，这3种成分的质量占植物纤维原料总质量的80％～95％。纤维素是聚合度为300到15000的线型高分子化合物，由于氢键的作用使很多纤维素分子共同形成结晶区。木质素是纤维素的粘合剂，能增加植物体的机械强度。木质素本身不易被降解，而且对纤维素的降解有屏蔽作用，以及纤维素本身的结晶结构、半纤维素对纤维素的包覆作用，都导致木质纤维素材料厌氧降解困难。此外，木质纤维原料的C/N偏高也是影响其厌氧生物转化的一个因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种木质纤维原料厌氧发酵工艺，该工艺可提高木质纤维原料的生物转化率。
木质纤维原料主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，以及木质纤维原料的C/N偏高的特点，发明人发现向发酵物中添加一些多孔性的微生物含量丰富的C/N较低的原料是有效解决这些问题的重要技术途径。在相同条件下，提高系统中微生物的种类和数量将增加微生物与原料接触的机会，促进原料的水解酸化产气。蚓粪是蚯蚓的排泄物，含有大量微生物和酶，并且蚓粪的C/N较低，将之加入厌氧系统中可提高系统中微生物的活性，调节C/N，促进木质纤维原料的生物转化。同时，所用蚓粪源自蚯蚓处理木质纤维原料发酵后的沼渣，实现了木质纤维原料的最大转化率。
本发明的目的是通过下列技术措施实现的：
一种木质纤维原料资源化工艺，该工艺包含下列步骤：
a.将木质纤维原料粉碎，按木质纤维原料与蚓粪的干物质重量比为4:1～2:3的比例加入蚓粪，混合均匀；
b.加入接种物及适量水进行厌氧发酵生产沼气，以干物质重量计，接种物的加入量为木质纤维原料干重的5～30wt％，接种物选自污水处理厂的厌氧消化污泥、老沼气池污泥、腐败河泥、新鲜牛粪中的一种或多种。老沼气池指已正常运行一段时间的沼气池。
所述的工艺，还包含下列步骤：将厌氧发酵后的沼渣调节含水率至60～80％，加入蚯蚓处理，取处理所得的部分蚓粪再与粉碎的木质纤维原料混合后接种进行厌氧发酵生产沼气，发酵后的沼渣再用蚯蚓进行处理，如此循环往复；剩余的蚓粪制成有机肥，养殖的蚯蚓除部分用来处理沼渣，部分作为饲料；蚓粪加入量与上述步骤a相同，接种物的种类及加入量上述步骤b相同。
所述的工艺，其中木质纤维原料选自玉米秸、麦秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一种或几种。可根据季节、地域以及当地的实际情况选择不同的木质纤维原料。将收割后的木质纤维原料地上部分通过人工或机械方法切成1～2cm的小段；或者通过秸秆粉碎机进行粉碎，达到使原料均匀的目的。
所述的工艺，其中蚓粪是将木质纤维原料厌氧发酵后的沼渣加入蚯蚓处理所得。
所述的工艺，其中蚯蚓的加入量为每100克发酵后的沼渣干物质50～200只，处理时间为1～2周。
所述的工艺，其中蚯蚓品种为爱胜属类(Eisenia)；优选为赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)或红色爱胜蚓(Eisenia rosea)中的一种或多种。爱胜属蚯蚓本属近20种，在欧洲、北美分布较广，在我国各省区都有发现。目前世界上养殖最普遍的就是本属的赤子爱胜蚓和红色爱胜蚓。爱胜属类蚯蚓具有适应力强、喜吃垃圾和畜禽粪等特点，且繁殖能力强，具有很强的处理沼渣的能力。
所述的工艺，其中厌氧发酵时温度控制在35±1℃，发酵过程中通过搅拌装置对发酵物进行搅拌。
所述的工艺，经过30～50天的厌氧发酵，当日产气量低于平均日产气量的30％时，反应即可结束，进行新一轮发酵。
本发明的有益效果：
1、工艺简单，可操作性强。
2、将木质纤维原料与蚓粪混合厌氧消化产沼气，从C/N上讲这两种物质就是有互补性的，不但提高了木质纤维原料的生物转化率，单位木质纤维原料沼气产量最高可提高22.25％。同时，可将沼渣转化为优质的有机肥，最大程度的实现了废物的“零排放”。
3、将木质纤维原料与蚓粪混合发酵改善了微生物的生存环境，可以有效的提高系统的缓冲能力，避免发酵过程中可能出现的酸化，同时使产气高峰提前，缩短发酵周期，提高发酵装置的处理能力和处理效率。
4、将发酵后的木质纤维原料养殖蚯蚓，可同时获得蚓粪和蚯吲。除少部分蚓粪用于与木质纤维原料混合发酵外，大部分可加工成商品有机肥出售，产生的蚯蚓是一种很好的高蛋白饲料，具有很高的经济价值。
附图说明
图1为实发酵过程中日产气量的变化曲线。
图2为发酵过程中pH的变化情况。
图3为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
通过机械或人工方法将收割后的木质纤维原料切成1～2cm的小段，然后与蚓粪按干物质比100:0(C100)、80:20(C80)、60:40(C60)、40:60(C40)、20:80(C20)和0:100(C0)混合均匀后投加到厌氧反应器中，加入厌氧污泥(老沼气池的污泥、腐败河泥、新鲜牛粪或城市污水处理厂的厌氧消化污泥中的一种或多种)进行接种，按干重计，接种物的加入量为发酵物干重的5％～30％，混匀。向混合料中加水，使木质纤维原料+蚓粪的反应器的系统TS负荷(指反应系统内有机物的负荷率)为6％。封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管与储气装置连接，反应温度控制在35±1℃，发酵过程中通过搅拌装置对发酵物进行搅拌；24h内即可产生沼气，发酵过程中的pH变化见图2。蚓粪与木质纤维原料混合发酵明显提高了混合物的缓冲能力，混合物中蚓粪的比例越高pH越高。每天测定储气装置内沼气体积，各处理日产气量结果见图1。累积产气量的结果如表1所示，蚓粪在发酵过程中几乎不产气，实验结束时累积产气量仅为40mL，以木质纤维原料与蚓粪干物质比3:2的累积产气量最高，混合物的单位质量产气量达410.57mL/g TS，相较于木质纤维原料单独发酵的单位质量产气量提高了22.25％。蚓粪与木质纤维原料混合发酵不但提高了木质纤维原料的产气能力，产气高峰明显提前，C100、C80、C60、C40和C20在实验第20天时的累积产气量占总产气量的比例分别为52.34％、88.13％、83.37％、86.80％和98.54％，第30天时分别为84.31％、97.23％、95.40％、96.86％和100％，可以看出混合发酵改善了微生物的生存环境，提高了微生物的活性，缩短了产气周期。
表1：
经过30天的发酵，产气量明显下降，当日产气量低于平均日产气量的30％时，反应即可结束。将发酵后的沼渣取出，调节含水率至60％～80％(晾晒或添加少许干秸秆)，加入蚯蚓处理1～2周，蚯蚓的加入量为每100克沼渣干物质50～200只。所用蚯蚓为爱胜属类，包括赤子爱胜蚓、红色爱胜蚓等，可以是其中的一种或多种。爱胜属蚯蚓具有喜食垃圾、粪便的特点，对沼渣具有很强的处理能力。蚯蚓处理后的沼渣质量下降30％左右，蚯蚓数量增加20％左右，蚓粪通过筛网分离，蚯蚓和未被完全分解利用的沼渣位于筛网上方，筛网上的沼渣挥发性固体含量大幅下降30％左右。所得蚓粪氮含量高达4.5％，有机质含量为35％～37％，且颗粒均匀，带有少许泥土的气味，是一种优质的有机肥。蚯蚓处理沼渣所得蚓粪除部分用于与木质纤维原料混合发酵外，大部分可加工成有机肥出售。蚯蚓是一种优质的高蛋白饲料，随着蚯蚓数量的不断增加，除部分蚯蚓用于沼渣处理外，多余的蚯蚓可作为饲料出售。
本工艺在处理木质纤维原料的同时，可获得清洁的能源——沼气，优质的有机肥料——蚓粪，优质的蛋白饲料——蚯蚓，以及少量液态肥——沼液，实现了资源的最大利用率，符合我国可持续发展的要求，具有很好的应用前景。
Claims (9)
1、一种木质纤维原料资源化工艺，其特征在于该工艺包含下列步骤：
a.将木质纤维原料粉碎，按木质纤维原料与蚓粪的干物质重量比为4：1～2：3的比例加入蚓粪，混合均匀；
b.加入接种物及适量水进行厌氧发酵生产沼气，以干物质重量计，接种物的加入量为木质纤维原料干重的5～30wt％，接种物选自污水处理厂的厌氧消化污泥、老沼气池污泥、腐败河泥、新鲜牛粪中的一种或多种。
2、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于该工艺还包含下列步骤：将厌氧发酵后的沼渣调节含水率至60～80％，加入蚯蚓处理，取处理所得的部分蚓粪再与粉碎的木质纤维原料混合后接种进行厌氧发酵生产沼气，发酵后的沼渣再用蚯蚓进行处理，如此循环往复；剩余的蚓粪制成有机肥，养殖的蚯蚓除部分用来处理沼渣，部分作为饲料；蚓粪加入量、接种物的种类及加入量均与权利要求1相同。
3、根据权利要求1或2所述的工艺，其特征是所述木质纤维原料选自玉米秸、麦秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一种或几种。
4、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于蚓粪是将木质纤维原料厌氧发酵后的沼渣加入蚯蚓处理所得。
5、根据权利要求2或4所述的工艺，其特征在于蚯蚓的加入量为每100克发酵后的沼渣干物质50～200只，处理时间为1～2周。
6、根据权利要求2或4所述的工艺，其特征是蚯蚓品种为爱胜属类。
7、根据权利要求6所述的工艺，其特征是蚯蚓为赤子爱胜蚓或红色爱胜蚓中的一种或多种。
8、根据权利要求2或4所述的工艺，其特征在于厌氧发酵时温度控制在35±1℃，发酵过程中通过搅拌装置对发酵物进行搅拌。
9、根据权利要求2或4所述的工艺，其特征在于经过30～50天的厌氧发酵，当日产气量低于平均日产气量的30％时，反应即可结束，进行新一轮发酵。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20090715 |