CN101701223A - 提高木质纤维原料厌氧产气速率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高木质纤维原料厌氧产气速率的方法，木质纤维原料先进行切碎预处理；再将木质纤维原料装入厌氧反应器中，加入接种物，加水调节厌氧系统TS负荷至20％～30％，进行厌氧发酵反应产沼气；1～2周后，采用1～5％的NH4HCO3溶液将厌氧系统TS负荷调节至14％～16％，继续进行厌氧发酵反应。本发明在厌氧发酵周期基本不变的前提下，较大幅度的提高了木质纤维原料的厌氧产气速率和池容产气率，厌氧反应器处理能力和产气能力较传统的厌氧工艺提高了80％以上，提高了木质纤维原料厌氧处理的经济性和可行性。
Description
技术领域
本发明属于生物质能源开发利用与环境保护领域，具体涉及一种通过改变厌氧发酵工艺条件来提高木质纤维原料厌氧产气速率的方法。
背景技术
在人类可开发利用的各种新能源中，生物质能源是最安全、最稳定且可再生的能源之一，是目前国家重点鼓励的新能源领域之一。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，且发布广泛，易于大范围利用。充分合理的利用好这部分资源对于缓解目前能源日趋紧张的局势，减少温室气体的排放量，保护当地的生态环境具有重要意义。目前，将木质纤维原料能源化利用的途径主要包括：焚烧、生物柴油、气化、发酵产乙醇和厌氧产气等几种。与其它技术相比，厌氧产气具有投资省、能耗低、运行管理方便、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。
顾名思义，木质纤维原料的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，这3种成分的质量占木质纤维原料总质量的80％～95％。厌氧条件下木质素不易被分解，且对微生物分解纤维素有屏蔽作用，加之纤维素本身的结晶结构、半纤维素对纤维素的包覆作用等，都导致木质纤维原料厌氧降解困难。此外，木质纤维原料的C/N偏高，是影响其厌氧生物转化的另一个因素。木质纤维原料一般容重小，质量轻，其厌氧发酵产沼气存在厌氧反应器容积产气率低，搅拌困难，进出料不方便等问题，增加了此类原料厌氧产气的成本，成为厌氧消化技术推广的重要障碍。目前，木质纤维原料厌氧消化产气按反应器有机负荷可分为湿发酵和干发酵，湿发酵的反应器有机负荷较低，一般在10％以下对污泥的要求低，但反应器池容产气率低；干发酵的有机负荷一般为20～40％％，池容产气率较高，但原料单位干物质产气率相对较低，对污泥的要求较高。在使用一般的厌氧消化污泥的前提下，提高厌氧反应器的池容产气率和产气稳定性，大幅提高原料的生物转化率，这在国内外还未见报道。
发明内容
本发明的目的是为了提高木质纤维原料厌氧发酵产沼气的速率，提供一种提高厌氧反应器处理能力和池容产气率的方法。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种提高木质纤维原料厌氧产气速率的方法，包括如下步骤：
(1)木质纤维原料先进行切碎预处理；
(2)将预处理后的木质纤维原料装入厌氧反应器中，并加入接种物，混合，加水调节厌氧系统TS负荷至20％～30％，在30～40℃下进行厌氧发酵反应产沼气；
(3)厌氧发酵反应进行1～2周后，采用1～5％(质量浓度)的NH4HCO3溶液将厌氧系统TS负荷调节至14％～16％(优选15％左右)，混匀，继续进行厌氧发酵反应，之后产气缓慢回升，待厌氧发酵周期期满产气量明显下降时，结束反应。NH4HCO3溶液加入前，由于木质纤维原料中的有机物迅速水解产酸，厌氧系统迅速酸化，pH迅速下降，日产气量会迅速降低。本发明的发酵周期为50～80天，包括步骤2和步骤3中的厌氧发酵。发酵周期至产气量明显下降时结束，产气量明显下降一般是指日产气量低于平均日产气量的30％。反应结束后即可进行新一轮发酵。
其中木质纤维原料选自稻秸、麦秸、玉米秸、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通过人工或机械方法切成1～3cm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。
厌氧发酵的接种物一般选自老沼气池的沼渣、腐败河泥、城市污水处理厂的厌氧消化污泥或新鲜牛粪中的一种或几种。接种物的加入量为木质纤维原料干重的5％～30％。将木质纤维原料、接种物以及少量的水混合均匀后即可进行厌氧反应。水的添加量以调节系统TS负荷至20％～30％为准。
木质纤维原料在TS负荷为20％～30％，厌氧的条件下经厌氧微生物将其中的大分子有机物转化为产酸产烷菌易利用的小分子有机物，有利于后续微生物的利用；由于反应器的TS负荷较高，反应初期系统迅速酸化，pH迅速降低，而低pH环境有利于木质纤维结构的破坏。
酸化后的系统很难自身恢复到正常状态，经过1～2周的反应后，低pH对木质纤维结构的破坏已达到相当高的水平，用1～5％的NH4HCO3溶液将厌氧系统TS负荷调节至14％～16％(优选15％左右)，即将厌氧系统的pH调节到正常的水平，又提供了适当的水分，有利于厌氧过程中物质的转移运输；加NH4HCO3溶液的量过少起不到调节pH，提高流态介质的目的，添加的量过多则降低了反应器的处理能力，且增加了后续沼液处理的工作量，严重的还可能造成铵中毒，抑制反应。
厌氧反应器内的厌氧发酵的温度优选为35±2℃。厌氧发酵产沼气至日产气量低于平均日产气量的30％时，结束反应；一个厌氧发酵产沼气的周期一般为50～80天。厌氧发酵时封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管与储气装置连接，控制反应温度，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，经过50～80天的发酵，产气量明显下降，当日产气量低于平均日产气量(指累积产气量/发酵天数所得的值)的30％时，反应即可结束，进行新一轮发酵。
在一定的有机负荷内，厌氧反应通常是TS负荷调节在10％以内，随着有机负荷的提高池容产气率增加，但当TS负荷大于10％则反应容易酸化，严重的甚至导致反应失败。而本发明恰是利用这种酸化对木质纤维结构进行充分地破坏，再采用NH4HCO3调节TS负荷至14％～16％，从而使得厌氧发酵反应继续进行，并使得在接下来的较短的反应时间内产生较多的沼气，极大提高了该厌氧反应的池容产气率。
本发明的有益效果：
1、工艺简单，可操作性强。
2、对污泥的要求不高，普通的厌氧消化污泥即可。
3、大幅提高了厌氧反应器的池容产气率，池容产气率达0.46L/L·d，反应过程中产气稳定，原料TS去除率达60.93％，TS产气量为258.23L/kg。
4、提高了厌氧反应器的处理能力，与传统厌氧发酵相比，在反应周期相当的前提下处理能力提高了1倍多。
附图说明
图1为实施例1发酵过程中日产气量的变化情况。
图2为实施例1发酵过程中累积产气量的变化情况。
图3为实施例2发酵过程中日产气量和累积产气量的变化情况。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：
(1)原料木质纤维(稻秸、麦秸或玉米秸)先进行粉碎预处理，通过机械或人工方法将收割后的木质纤维原料切成1～3cm的小段；
(2)将预处理后的木质纤维原料(含干物质分别为16克、32克、48克、64克和120克分别对应TS负荷为2％、4％、6％、8％和本发明的处理)分别投加到1000mL的厌氧反应器中，加入干物质含量为2.94％的厌氧污泥300克进行接种，混合；
(3)向步骤(2)所得混合料中加水，使前四个反应器的TS负荷分别为2％、4％、6％和8％，最后一个反应器的TS负荷至20％；
(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±2℃，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，经过54天的发酵，前4个反应器产气量明显下降，停止反应，进行新一轮投料和接种发酵；最后一个反应器在反应进行1～2周后，日产气量已大幅降低，用1％的NH4HCO3溶液将厌氧系统TS负荷调节至15％左右，混匀，之后产气缓慢回升，经过50～80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，进行新一轮发酵。
各处理发酵过程中日产气量和累积产气量的变化曲线分别见图1和图2。TS负荷在2％～8％的4个反应器日产气量具有相似的变化趋势，均为“降低→增加→降低”的趋势，发酵过程中日产气量波动较大，尤其在反应前期，各处理日产气量表现出明显的大起大落的现象，不利于工程化利用。采用本专利的处理经NH4HCO3溶液调节TS负荷至15％左右后，日产气量缓慢回升，至第22天达产气高峰，为939mL，之后保持较高的日产气量，尤其在实验第36～55天，日产气量保持在700mL/d以上，之后产气量缓慢下降。实验结束时，TS负荷为2％、4％、6％、8％和处理的池容产气率分别为61.56、180.05、279.03、314.79和462.51mL/L·d.
实施例2：
(1)原料木质纤维(稻秸、麦秸或玉米秸)先进行粉碎预处理，通过机械或人工方法将收割后的木质纤维原料切成1～3cm的小段；
(2)将预处理后的木质纤维原料(含干物质120克)投加到1000mL的厌氧反应器中，加入干物质含量为2.94％的厌氧污泥300克进行接种，混合；
(3)向步骤(2)所得混合料中加水，使反应器的TS负荷至30％；
(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±2℃，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，在反应进行1～2周后，日产气量已大幅降低，用5％的NH4HCO3溶液将厌氧系统TS负荷调节至15％左右，混匀，之后产气缓慢回升，经过50～80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，进行新一轮发酵。
发酵过程中日产气量和累积产气量的变化曲线分别见图3。反应初期，日产气量迅速下降，到第5天产气量为0ml，之后几天一直不产气。第11天，用5％的NH4HCO3溶液调节TS负荷至15％左右后，日产气量缓慢回升，至第22天达产气高峰，为1072mL，之后保持较高的日产气量，尤其在实验第32～51天，日产气量保持在600mL/d以上，之后产气量缓慢下降。实验结束时，池容产气率为414.84mL/L·d。采用本专利的方法较传统的湿法工艺具有明显的优势，且反应器处理木质纤维原料的能力大幅提高，在发酵周期稍微延长的条件下处理木质纤维原料量增加了近一倍，累积沼气产量增加了80％以上，具有明显的经济效益。
Claims (7)
1.一种提高木质纤维原料厌氧产气速率的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)木质纤维原料先进行切碎预处理；
(2)将预处理后的木质纤维原料装入厌氧反应器中，并加入接种物，混合，加水调节厌氧系统TS负荷至20％～30％，在30～40℃下进行厌氧发酵反应产沼气；
(3)厌氧发酵反应进行1～2周后，采用1～5％的NH4HCO3溶液将厌氧系统TS负荷调节至14％～16％，继续进行厌氧发酵反应，待厌氧发酵周期期满产气量明显下降时，结束反应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的木质纤维原料选自稻秸、麦秸、玉米秸、米草或甘蔗渣中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中将木质纤维原料切碎至1.0～3.0cm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的接种物选自老沼气池的沼渣、腐败河泥或城市污水处理厂的厌氧消化污泥中的一种或几种。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于所述的接种物的加入量为厌氧反应器内的发酵物干重的5％～30％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的厌氧发酵周期为50～80天。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的产气量明显下降时是指厌氧发酵产沼气的日产气量低于平均日产气量的30％时。
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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 | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100505 |