CN101691586A - 一种植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,粉碎后的植物秸秆中加入水和活性污泥,在密闭的反应器中厌氧发酵生产沼气,在厌氧发酵前,向反应器中加入固体碱。其中,所述的固体碱为有机固体碱、无机固体碱和有机无机复合固体碱中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。固体碱的作用是缓冲调节发酵液的pH值,调整厌氧活性污泥中菌群的种类和数量,使利用秸秆产甲烷的菌群成为优势菌种,从而大大提高产气量和产气速率。10g植物秸秆15天产气量达2760ml,产气速率为18.4ml/g.day。本发明所用固体碱可经过回收后重复使用。本发明技术操作要求低,生产沼气的成本低,可推广应用至不同规模的沼气发酵过程中。

Description

一种植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法
技术领域
本发明涉及环境保护、可再生能源技术领域。具体涉及一种植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法。
背景技术
沼气发酵是自然界存在数十亿年的、非常普遍的自然现象。沼气的主要成分甲烷是一种简单的有机化合物,是良好的气体燃料。而植物秸秆是可再生的,它是地球上最充足但却又未得到充分利用的可再生资源之一。植物秸秆制沼气是减少环境污染,发展循环经济,建立节约型社会的有效途径。
目前,沼气发酵工艺包括单相发酵和两相发酵。单相发酵是指沼气发酵的产酸和产甲烷阶段合二为一,在同一装置中调节完成。由于产酸阶段发酵液pH值降低,一方面会对原料的酸化产生反馈抑制,另一方面也会对产甲烷菌生命活性产生不利影响。两相发酵是指产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个反应器中进行。但是整个厌氧发酵过程是各个菌群通过代谢,相互连贯和制约,最终达到一定平衡,而两相厌氧反应过程势必会改变稳定的中间代谢产物水平,可能对某些特殊营养型的细菌产生抑制作用,甚至造成热力学上不适于中间产物继续降解的条件,无法得到最优化的发酵条件;从实际生产角度来说,两相厌氧工艺虽可提高处理效果,但按两相工艺的总容积计算,其提高的幅度并不是很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,该方法以单相发酵为基础,结合两相发酵的特点,克服了单相发酵和两相发酵的缺点。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:
一种植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,向粉碎后的植物秸秆中加入水和活性污泥,在密闭的反应器中厌氧发酵生产沼气,在厌氧发酵前,向反应器中加入固体碱;其中,所述的固体碱为有机固体碱、无机固体碱和有机无机复合固体碱中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。
其中,所述的植物秸秆为小麦秸秆、稻草秸秆、玉米秸秆、水葫芦秸秆及高粱秸秆等农作物植物秸杆中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。
其中,所述的有机固体碱为端基是叔胺或叔膦碱性树脂类固体碱,优选201型强碱性阴离子交换树脂、D301型大孔弱碱性阴离子交换树脂和D280阴离子交换树脂中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。
其中,所述的无机固体碱是水合滑石类阴离子粘土和负载型固体碱中的任意一种或两种任意比例的混合物。水合滑石类阴离子粘土,其化学式可表示为:[Mg2+Al3+(HO)x](Am- 1/m)*nH2O,其中,Am-为Cl-或CO3 2-,x、n取任意值。负载型固体碱,其活性位为碱金属如钾、钠、铯及其盐和其氢氧化物,载体为Al2O3或分子筛,例如Na/Al2O3、Na/NaOH/Al2O3、KNO3/Al2O3等。
其中,所述的有机无机复合固体碱为负载有机胺或季胺碱的分子筛。
本发明所述的固体碱优选使用有机固体碱。最优选201型强碱性阴离子交换树脂。
其中,固体碱的加入量为植物秸秆重量的0.1~100%,优选40~80%。
其中,厌氧发酵反应温度为10~60℃,优选20~40℃。
其中,所述的固体碱优选分包包装,采用金属丝网,可分成1~100份,分别包装,金属丝网的目数根据固体碱的粒径而定,保证固体碱不会漏出即可,每份重量不限,这样反应结束后,可取出固体碱包装袋,重复使用或再生后使用。
固体碱定期再生方法为:用清水将回收的固体碱包装袋冲洗干净后打开包装带取出固体碱,在1mol/L的盐酸中浸泡4~6小时,然后用去离子水洗至中性。再用1mol/L的氢氧化钠溶液浸泡3~4小时,然后用去离子水洗至中性,烘干,包装之后即可再次利用。
在本研究中固体碱的作用有三点:一、与活性污泥中以及发酵过程中的大分子有机物反应生成利于微生物利用的小分子有机物。二、对活性污泥的预处理,筛选出菌群中的强势菌种。三、在发酵的过程中平衡发酵液的pH值,维持活性污泥菌群的稳定。
有益效果:本发明与现有技术相比具有如下优点:
1、本发明大大提高了植物秸秆的产气速率和产气量,10g植物秸杆15天最高产气率达2760mL,产气速率为18.4mL/g*day,比不加固体碱,即传统的单相发酵法,产气速率提高300%,产气量提高63.5%。
2、本发明所用的固体碱可以回收后重复使用或再生后重复使用,成本投入较低。
3、本发明生产操作技术要求低,可推广应用至不同规模的沼气发酵过程中。
具体实施方式:
根据下述实施例,本领域的技术人员可以更好地理解本发明。但实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
对比例1:
称取粉碎至60目的水葫芦秸秆粉10g,加入500mL的三角瓶中。接入固形物含量10%(w/w)的活性污泥100mL,在水浴锅中35℃恒温发酵。15天后产气总量为1540mL,产气率10.2mL/g*day。经检测甲烷含量68%。
实施例1:
称取粉碎至60目的玉米秸秆10g,加入500mL的三角瓶中。将KNO3/Al2O3用金属丝网包装成2g每包,取1包加入三角瓶中。接入固形物含量10%(w/w)的活性污泥100mL,在水浴锅中35℃恒温发酵。15天后产气总量达2360mL,产气率15.7mL/g*day。经检测甲烷含量68%。
实施例2:
称取粉碎至60目的小麦秸秆5g,粉碎至60目的大豆秸秆5g,加入500mL的三角瓶中。将Na/Al2O3用金属丝网包装成2g每包,将D301型打孔弱碱性阴离子交换树脂用金属丝网包装成2g每包,两种固体碱各取1包加入三角瓶中。接入固形物含量10%(w/w)的活性污泥100mL,在水浴锅中35℃恒温发酵。15天后产气总量达2430mL,产气率16.2mL/g*day。经检测甲烷含量67%。
实施例3:
称取粉碎至60目的稻草秸秆10g,加入500mL的三角瓶中。将负载有季胺碱的分子筛用金属丝网包装成1g每包,取5包加入三角瓶中。接入固形物含量10%(w/w)的活性污泥100mL,在水浴锅中35℃恒温发酵。15天后产气总量达2130mL,产气率14.2mL/g*day。经检测甲烷含量68%。
实施例4:
称取粉碎至60目的水葫芦秸秆10g,加入500mL的三角瓶中。将201型强碱性阴离子交换树脂用金属丝网包装成2g每包,取1包加入三角瓶中。接入固形物含量10%(w/w)的活性污泥100mL,在水浴锅中35℃恒温发酵。15天后产气总量达2300mL,产气率15.3mL/g*day。经检测甲烷含量67%。
实施例5:
称取粉碎至60目的水葫芦秸秆10g,加入500mL的三角瓶中。将201型强碱性阴离子交换树脂用金属丝网包装成2g每包,取5包加入三角瓶中。接入固形物含量10%(w/w)的活性污泥100mL,在水浴锅中35℃恒温发酵。15天后产气总量达2545mL,产气率17.0mL/g*day。经检测甲烷含量68%。
实施例6:
称取粉碎至60目的水葫芦秸秆10g,加入500mL的三角瓶中。将201型强碱性阴离子交换树脂用金属丝网包装成2g每包,取4包加入三角瓶中。接入固形物含量10%(w/w)的活性污泥100mL,在水浴锅中35℃恒温发酵。15天后产气总量达2760mL,产气率18.4mL/g*day。经检测甲烷含量68%。
实施例7:
称取粉碎至60目的水葫芦秸秆10g,加入500mL的三角瓶中。将重复再生利用5次的201型强碱性阴离子交换树脂用金属丝网包装成2g每包,取5包加入三角瓶中。接入固形物含量10%(w/w)的活性污泥100mL,在水浴锅中35℃恒温发酵。15天后产气总量达2670mL,产气率17.8mL/g*day。经检测甲烷含量68%。

Claims (10)

1.一种植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,向粉碎后的植物秸秆中加入水和活性污泥,在密闭的反应器中厌氧发酵生产沼气,其特征在于在厌氧发酵前,向反应器中加入固体碱;其中,所述的固体碱为有机固体碱、无机固体碱和有机无机复合固体碱中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。
2.根据权利要求1所述的植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,其特征在于所述的植物秸秆为小麦秸秆、稻草秸秆、玉米秸秆、水葫芦秸秆和高粱秸秆中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。
3.根据权利要求1所述的植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,其特征在于所述的有机固体碱为端基是叔胺或叔膦碱性树脂类固体碱。
4.根据权利要求3所述的植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,其特征在于优选的固体碱是有机固体碱为201型强碱性阴离子交换树脂、D301型大孔弱碱性阴离子交换树脂和D280阴离子交换树脂中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。
5.根据权利要求1所述的植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,其特征在于所述的无机固体碱是水合滑石类阴离子粘土和负载型固体碱中的任意一种或两种任意比例的混合物。
6.根据权利要求1所述的植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,其特征在于所述的有机无机复合固体碱为负载有机胺或季胺碱的分子筛。
7.根据权利要求1所述的植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,其特征在于所述的固体碱为有机固体碱。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,其特征在于固体碱的加入量为植物秸秆重量的0.1~100%。
9.根据权利要求8所述的植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,其特征在于固体碱的加入量为植物秸秆重量的40~80%。
10.根据权利要求1至7中任意一项所述的植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法,其特征在于所述的固体碱分成1~100份,分别用网袋包装。
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