CN102604999A - 一种秸秆沼气发酵的原料预处理新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种秸秆沼气发酵的原料预处理新方法。它是将秸秆原料粉碎，加入到预处理反应器中，添加挥发性脂肪酸或含挥发性脂肪酸的有机废水，添加量按挥发性脂肪酸与秸秆干物质质量比为1∶4～15，再向预处理反应器中加水调节秸秆干物质质量浓度为8％～15％，搅拌混合物料使其均匀，密封预处理反应器后进行加热浸泡预处理，控制预处理温度为80℃～160℃，预处理时间为0.5h～5h，得到预处理后的原料。本发明能够避免设备和管道腐蚀，避免溶解性有机质的损失，减少碱金属离子的大量引入积累，避免厌氧发酵抑制和环境污染，有利于沼渣的后续利用，能降低单位沼气产量的预处理成本。
Description
技术领域：
本发明属于可再生能源领域，具体涉及一种秸秆沼气发酵的原料预处理新方法。
背景技术：
中国是一个农业大国，每年产生约8亿吨农作物秸秆。以2005年为例，全国稻草、玉米秸、麦秸的产量分别为2.11亿吨、2.02亿吨和1.07亿吨，分别占全国秸秆总量的25.10％、24.00％和12.73％。当然，本文所述的秸秆，除了农作物秸秆(如稻草、玉米秸、麦秸等)，还包括大量草本类能源植物(如皇草、象草、柳枝稷、芒草、狼尾草)。目前，秸秆的能源化利用方式主要有焚烧、气化、热解、乙醇发酵和沼气发酵。与其它转化技术相比，利用沼气发酵技术处理利用秸秆，不仅可以产生高效、清洁的高品位能源，同时产生的沼渣和沼液还可以直接用作有机肥料，不失为一种行之有效的出路。沼气发酵技术本身是一种非常成熟的技术，利用该技术转化秸秆为新型能源，可以缓解我国常规能源紧张状况、提高农村人民的生活质量；另一方面，又可解决作物秸秆的出路问题，减少因其露天焚烧、乱堆乱置等带来的对环境不利影响。实际上，我国已经明确将秸秆沼气作为一项主要的可再生能源进行重点支持发展。
众所周知，秸秆复杂的木质纤维结构是阻碍其生物降解的重要因素，因此在进行沼气发酵之前，通常需要对秸秆进行预处理。常用的预处理方法包括物理预处理、化学预处理、生物预处理，从目前的应用来看，主要采用物理预处理+化学预处理相结合的方法，即切碎/粉碎+酸/碱预处理。然而，目前采用的酸碱预处理方法主要为强酸或强碱预处理，例如盐酸、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾，这种预处理方法普遍存在设备腐蚀问题，且需要大量的水对预处理后的原料进行清洗或需要大量的酸碱进行中和。当用水进行清洗时，会损失溶解性有机质，当用酸碱中和时，又会产生大量的钠离子和氯离子，不仅可能抑制厌氧发酵，还可能造成环境污染，而且会影响沼渣的后续利用。以上问题严重影响了酸碱预处理在规模化秸秆沼气工程上的应用，因此，开发一种秸秆原料预处理新方法是规模化秸秆沼气工程推广的关键之一。
发明内容：
本发明的目的是提供一种可避免设备和管道腐蚀，避免溶解性有机质的损失，减少碱金属离子的大量引入积累，避免厌氧发酵抑制和环境污染，有利于沼渣的后续利用，能降低单位沼气产量的预处理成本的秸秆沼气发酵的原料预处理新方法。
本发明的秸秆沼气发酵的原料预处理新方法，其特征在于，包括以下步骤：
将秸秆原料粉碎，加入到预处理反应器中，添加挥发性脂肪酸或含挥发性脂肪酸的有机废水，添加量按挥发性脂肪酸与秸秆干物质质量比为1∶4～15，再向预处理反应器中加水调节秸秆干物质质量浓度为8％～15％，搅拌混合物料使其均匀，密封预处理反应器后进行加热浸泡预处理，控制预处理温度为80℃～160℃，预处理时间为0.5h～5h，得到预处理后的原料。
预处理后的原料可以进入后续的沼气发酵过程。
所述的将秸秆原料粉碎优选是将秸秆原料粉碎至粒径0.5～1cm。
所述秸秆包括但不局限于稻草、麦秆、玉米秸、米草、狼尾草、皇草、象草，可以是未经预沼气发酵过的原料，也可以是经预沼气发酵过的原料。
所述挥发性脂肪酸包括甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸或异丁酸，优选为乙酸。
作为本发明的一种改进，可以采用含上述挥发性脂肪酸的有机废水进行预处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明方法采用腐蚀性较弱的挥发性脂肪酸进行预处理，避免了设备和管道的腐蚀；
(2)本发明方法采用挥发性脂肪酸进行预处理，由于挥发性脂肪酸本身就是沼气发酵的良好底物，无需对预处理后的原料进行清洗，不仅避免溶解性有机质的损失，还可以直接利用挥发性脂肪酸进行沼气发酵，提高沼气产量，这在一定程度上可以降低单位沼气产量的预处理成本；
(3)本发明方法采用挥发性脂肪酸进行预处理，由于酸性较弱，只需添加少量碱或进行稀释处理即可进行后续沼气发酵，减少了碱金属离子的大量引入积累，避免厌氧发酵抑制和环境污染，有利于沼渣的后续利用。
附图说明
图1是本发明实施例1～3和对照例1～3的沼气发酵结果对照。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
以稻草为原料，乙酸为预处理剂。将干稻草粉碎至粒径0.5～1cm左右，取40g加入到预处理反应器中，添加2.7g乙酸，加457g水调节稻草干物质质量浓度为8％，将混合物料搅拌均匀，密封预处理反应器进行加热浸泡预处理，控制预处理温度为80℃，预处理时间为0.5h。
将完成预处理的稻草、乙酸、水混合物取出冷却后放入沼气发酵反应器接种进行中温(37℃)厌氧发酵，为了调节发酵原料的碳氮比，采用富含氮的厨余垃圾沼气发酵剩余物作为接种物，同时添加少量碳酸氢铵，发酵时间为25天，累积产甲烷量为6570mL；为扣除乙酸的相应产甲烷量，设置了2.7g乙酸的沼气发酵，待其产气结束后测得累积产甲烷量为564mL；扣除乙酸本身的产甲烷量，经预处理后稻草的单位质量原料产甲烷量为150mL/g TS。
实施例2
以稻草为原料，乙酸为预处理剂。将干稻草粉碎至粒径0.5～1cm左右，取40g加入到预处理反应器中，添加6g乙酸，加287g水调节稻草干物质质量浓度为12％，将混合物料搅拌均匀，密封预处理反应器进行加热浸泡预处理，控制预处理温度为120℃，预处理时间为3h。
将完成预处理的稻草、乙酸、水混合物取出冷却后放入沼气发酵反应器接种进行中温(37℃)厌氧发酵，为了调节发酵原料的碳氮比，采用富含氮的厨余垃圾沼气发酵剩余物作为接种物，同时添加少量碳酸氢铵，发酵时间为25天，累积产甲烷量为8250mL；为扣除乙酸的相应产甲烷量，设置了6g乙酸的沼气发酵，待其产气结束后测得累积产甲烷量为1090mL；扣除乙酸本身的产甲烷量，经预处理后稻草的单位质量原料产甲烷量为179mL/g TS。
实施例3
以稻草为原料，乙酸为预处理剂。将干稻草粉碎至粒径0.5～1cm左右，取40g加入到预处理反应器中，添加10g乙酸，加216g水调节稻草干物质质量浓度为15％，将混合物料搅拌均匀，密封预处理反应器进行加热浸泡预处理，控制预处理温度为160℃，预处理时间为5h。
将完成预处理的稻草、乙酸、水混合物取出冷却后放入沼气发酵反应器接种进行中温(37℃)厌氧发酵，为了调节发酵原料的碳氮比，采用富含氮的厨余垃圾沼气发酵剩余物作为接种物，同时添加少量碳酸氢铵，发酵时间为25天，累积产甲烷量为9916mL；为扣除乙酸的相应产甲烷量，设置了10g乙酸的沼气发酵，待其产气结束后测得累积产甲烷量为1716mL；扣除乙酸本身的产甲烷量，经预处理后稻草的单位质量产甲烷量为205mL/g TS。
对照例1
以稻草为原料，不添加乙酸、不进行加热处理。将干稻草粉碎至粒径0.5～1cm左右，取40g加入到预处理反应器中，加460g水调节稻草干物质质量浓度为8％，将混合物料搅拌均匀，密封预处理反应器进行预处理，在常温(约25℃)条件下浸泡5h。
将完成浸泡的稻草、水混合物取出后放入沼气发酵反应器接种进行中温(37℃)厌氧发酵，为了调节发酵原料的碳氮比，采用富含氮的厨余垃圾沼气发酵剩余物作为接种物，同时添加少量碳酸氢铵，发酵时间为25天，累积产甲烷量为4400mL，经预处理后稻草的单位质量产甲烷量为110mL/g TS。
对照例2
以稻草为原料，不添加乙酸、但进行加热处理。将干稻草粉碎至粒径0.5～1cm左右，取40g加入到预处理反应器中，加460g水调节稻草干物质质量浓度为8％，将混合物料搅拌均匀，密封预处理反应器进行加热预处理，控制预处理温度为80℃，预处理时间为0.5h。
将完成预处理的稻草、水混合物取出后放入沼气发酵反应器接种进行中温(37℃)厌氧发酵，为了调节发酵原料的碳氮比，采用富含氮的厨余垃圾沼气发酵剩余物作为接种物，同时添加少量碳酸氢铵，发酵时间为25天，累积产甲烷量为4840mL，经预处理后稻草的单位质量产甲烷量为121mL/g TS。
对照例3
以稻草为原料，不添加乙酸、但进行加热处理。将干稻草粉碎至粒径0.5～1cm左右，取40g加入到预处理反应器中，加226g水调节稻草干物质质量浓度为15％，将混合物料搅拌均匀，密封预处理反应器进行加热预处理，控制预处理温度为160℃，预处理时间为5h。
将完成预处理的稻草、水混合物取出后放入沼气发酵反应器接种进行中温(37℃)厌氧发酵，为了调节发酵原料的碳氮比，采用富含氮的厨余垃圾沼气发酵剩余物作为接种物，同时添加少量碳酸氢铵，发酵时间为25天，累积产甲烷量为6200mL，经预处理后稻草的单位质量产甲烷量为155mL/g TS。
为便于直观比较，将实施例1～3和对照例1～3的预处理条件和沼气发酵结果作表1和图1。以对照例1作为比较基准，虽然采用较低温度和较短时间的对照例2预处理可以提高原料产甲烷量10％，但是采用与对照例2相同的预处理温度和时间、添加3g乙酸进行的实施例1预处理，可以提高原料产甲烷量的36％；同样以对照例1作为比较基准，虽然采用较高温度和较长时间的对照例3预处理，能够显著提高原料产甲烷量41％；但是采用与对照例3相同的预处理温度和时间、添加10g乙酸进行的实施例3预处理，能够大幅提高原料产甲烷量86％。值得一提的是，实施例中添加的乙酸，最后也转化为沼气，提高了沼气产量，这在一定程度上降低了单位沼气产量的预处理成本。
表1：实施例1～3和对照例1～3的预处理条件和沼气发酵结果
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例，其目的是为了说明实施本发明方法所取得的显著效果。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种秸秆沼气发酵的原料预处理新方法，其特征在于，包括以下步骤：将秸秆原料粉碎，加入到预处理反应器中，添加挥发性脂肪酸或含挥发性脂肪酸的有机废水，添加量按挥发性脂肪酸与秸秆干物质质量比为1∶4～15，再向预处理反应器中加水调节秸秆干物质质量浓度为8％～15％，搅拌混合物料使其均匀，密封预处理反应器后进行加热浸泡预处理，控制预处理温度为80℃～160℃，预处理时间为0.5h～5h，得到预处理后的原料。
2.根据权利要求1所述的秸秆沼气发酵的原料预处理新方法，其特征在于，所述的将秸秆原料粉碎是将秸秆原料粉碎至粒径0.5～1cm。
3.根据权利要求1所述的秸秆沼气发酵的原料预处理新方法，其特征在于，所述秸秆为稻草、麦秆、玉米秸、米草、狼尾草、皇草或象草。
4.根据权利要求1所述的秸秆沼气发酵的原料预处理新方法，其特征在于，所述挥发性脂肪酸为甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸或异丁酸。
5.根据权利要求4所述的秸秆沼气发酵的原料预处理新方法，其特征在于，所述挥发性脂肪酸为乙酸。
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