CN102899361A

CN102899361A - 利用木质纤维原料产沼气的方法

Info

Publication number: CN102899361A
Application number: CN2012104529937A
Authority: CN
Inventors: 常志州; 叶小梅; 陈广银; 杜静; 马慧娟
Original assignee: Jiangsu Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: Jiangsu Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公开了利用木质纤维原料产沼气的方法，工艺是将木质纤维原料粉碎后加入到厌氧反应器中接种接种物进行一次发酵产沼气；当产气高峰过后，将沼渣取出，机械脱水至含水率60%～75%，进行生物处理，接种含有白腐菌或褐腐菌或侧耳真菌中的一种或几种的微生物菌剂，在接种量1～3%、含水量55-75%、20-35℃条件下，有氧发酵2～7天，然后再接种接种物进行二次厌氧发酵产沼气。本发明与木质纤维原料接种微生物预处理产沼气技术相比，可提高木质纤维原料产气量27.64%～47.89%，减少微生物菌剂用量50%左右，生物处理过程对原料中易分解有机物的损耗量大幅降低，原料累积产气量较生物预处理提高了21.77%～41.32%。

Description

利用木质纤维原料产沼气的方法

技术领域：

本发明涉及一种木质纤维原料产沼气的生物后处理方法，属于农村生态环境保护与农村可再生清洁能源利用领域。

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。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。生物质资源量庞大，种类繁多，包括所有的陆生植物、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。将木质纤维原料厌氧生物产沼气具有能耗低、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，符合国家可持续发展的要求。

木质纤维原料由大量有机物和少量无机盐及水构成，其有机成分以纤维素、半纤维素为主，其次是木质素、蛋白质、氨基酸、树脂、单宁等。其中，纤维素、半纤维素和木质素是构成木质纤维原料细胞壁的主要成份。然而，厌氧微生物分解利用木质纤维素的能力较弱，影响了木质纤维原料的厌氧消化产气性能，表现为作物木质纤维原料厌氧消化时间长、消化率低、投入产出效益差，进而限制了作物木质纤维原料在生物产气方面的大规模应用。因而，通过预处理改变作物木质纤维原料物理结构或把它预先降解成简单的化学成分，以利于厌氧菌的消化利用，显得尤为重要。

目前的预处理方式主要包括碱处理、酸处理、爆破、湿式氧化技术和生物降解处理等，其中，生物处理是目前使用较多的预处理方式。生物预处理可以很好的破坏木质纤维原料的木质纤维结构，将被木质素包裹的纤维素裸露出来，增加了微生物与纤维素类物质接触的机会，有利于提高木质纤维原料的生物转化率。但是，由于生物预处理过程中，微生物不仅为分解破坏厌氧微生物难利用的木质素和结晶态纤维素，更多的是分解利用可被厌氧微生物分解利用的纤维素、半纤维素类物质，预处理后木质纤维原料的干物质损失严重，从而降低了原料的累积产气量。此外，由于木质纤维原料结构蓬松，原料的生物预处理生物菌剂的用量很大，预处理场所的需求以及工作量都很大，且菌剂与木质纤维原料很难混合均匀，降低了生物预处理的效率，增加了沼气工程运行成本，以上问题影响了生物预处理的工程应用。因此，发展一种木质纤维原料厌氧发酵产沼气新方法以解决以上问题迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于：现有木质纤维原料产沼气的生物预处理技术，意在利用木质纤维类降解微生物对阻碍厌氧微生物分解破坏的木质纤维结构进行破坏，达到提高木质纤维原料水解率，增加原料产沼气量的目的。在实践中，通过生物接种预处理确实提高了木质纤维原料产沼气率，但同时发现，所接种微生物在破坏木质纤维原料木质纤维结构的同时，也消耗了木质纤维原料中可被厌氧微生物转化产沼气的易降解有机物，如半纤维素、水溶性有机物等。因此，在计算生物预处理损耗木质纤维原料有机物产气潜力后发现，生物预处理并没有明显增加木质纤维原料底物的产气量。本发明提出一种后处理提高木质纤维原料厌氧生物产沼气的方法，即木质纤维原料经粉碎后直接进行厌氧发酵产沼气，发酵后的沼渣经脱水后接种白腐菌等微生物，处理后再次接种进行厌氧生物产沼气，最终达到提高木质纤维原料厌氧生物产气量、降低预处理成本的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种利用木质纤维原料产沼气的方法，其特征在于：工艺由木质纤维原料一次厌氧发酵、生物处理和二次厌氧发酵构成，具体步骤如下：

a）将木质纤维原料切碎至不大于5cm的小段；

b）将切碎的原料加入到厌氧反应器中作为发酵物，在发酵物中接种接种物，接种物的接种量为发酵物干重的5％~30％，接种后混合均匀；

c）向厌氧反应器中加水，将反应器内发酵物初始干物质浓度调节至3~30%，密封反应器，进行一次厌氧发酵产沼气，反应温度为15~60℃；

d）待一次厌氧发酵的产气高峰期过后，将厌氧反应器内的一次厌氧发酵产气高峰过后的沼渣取出，机械脱水至含水率为60~75%；

e）对机械脱水后的沼渣接种微生物菌剂，微生物菌剂接种量为1~3%，置于20~35℃、好氧通气条件下发酵2~7天，形成有氧发酵后的木质纤维原料沼渣；

f）将获得的木质纤维原料沼渣调节pH 6.9~7.1，置于厌氧反应器内内作为发酵物，再次接种接种物，接种物的接种量为发酵物干重的5％~30％，接种后混合均匀再进行二次厌氧发酵产沼气，厌氧反应器内发酵物初始干物质浓度为3～30%，反应温度为15-60℃。

在本发明中：所述木质纤维原料选自玉米秸、麦秸、稻秸、棉花杆、米草或甘蔗渣中的一种或几种；所述的一次厌氧发酵的产气高峰期为28~32天。

在本发明中：厌氧反应器为USR反应器或CSTR反应器，或两相厌氧发酵的水解相反应器。

在本发明中：生物处理中接种的微生物菌剂为白腐真菌、褐腐真菌、侧耳真菌中的一种或组合，经液体或固体发酵扩大培养形成的培养物，其中液体培养物中的孢子浓度不小于1×10⁸个/ml ，固体培养物中的孢子含量不小于1×10⁸个/g，微生物培养物的添加量与沼渣的质量比为1：100~3：100；一次厌氧发酵和二次厌氧发酵中的接种物均为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组合。

本发明的有益效果：

1、工艺简单，可操作性强。

2、在保证木质纤维原料生物转化率大幅提高的前提下，大幅减少了生物菌剂的用量，生物菌剂用量不足传统生物预处理用量的二分之一。

3、在生物后处理前，将木质纤维原料进行一次发酵处理，大幅降低了生物处理原料表层的易分解有机物含量，减少生物处理过程中白腐菌等微生物对易分解有机物的分解利用，也避免了生物处理后原料发酵出现酸化现象，提高了系统的稳定性。

4、该工艺不但大幅提高了木质纤维的生物转化率，而且较大程度上破坏了木质纤维原料的结构，有利于沼渣的后续利用。

本发明的技术总体性能指标与同类技术相比其优势在于：一是将木质纤维原料生物预处理改为生物后处理，生物处理的对象由木质纤维原料到木质纤维原料沼渣，木质纤维原料经厌氧发酵后干物质量损失了30-50%，即生物菌剂的使用量至少减少30-50%；二是木质纤维原料厌氧发酵后的沼渣中木质纤维结晶结构裸露出来，更有利于白腐真菌等微生物的分解利用，即微生物分解利用的效率提高，处理效果更好；三是与其他预处理（碱处理、蒸汽爆破等）方法相比，生物处理具有能耗少、成本低且生态环保等特点，更符合可持续发展的要求。

附图说明

图1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。

实施例1：

通过机械或人工方法将收割后的木质纤维原料切成不大于5cm的小段，然后装入厌氧反应器中，加入接种物（接种物均为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组合，下同）进行接种，接种物的加入量为发酵物干重的30％，用水将厌氧反应器内发酵物初始干物质浓度调节至20%，混匀。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37±1℃，24h内即可产生沼气，当产气高峰过后，产气量明显下降，反应即可结束。将一次厌氧发酵后的木质纤维原料取出，晾干。经过一次厌氧发酵后的木质纤维原料变得疏松多孔，体积降低了40%以上，质量下降了近50%，但含水率较高，在85%左右，需经机械脱水至75%。沼渣经机械脱水后，加入营养液将沼渣含水率调节至80%，接种含有白腐真菌或褐腐真菌或侧耳真菌的微生物菌剂，接种量为3%，置于20-35℃、好氧通气条件下发酵7天，形成有氧发酵后的木质纤维原料沼渣。微生物菌剂（液体）中的孢子浓度不小于1×10⁸个/ml。

微生物培养基配方为：每升液体营养培养基含：0.2克KH₂PO₄，0.05克MgSO₄.7H₂O，0.01克CaCl₂，10克葡萄糖。

PDB培养基成分：把马铃薯洗净去皮后，切成小块。称取马铃薯小块200克，加水1000毫升，煮沸20分钟后，过滤。在滤汁中补足水分到1000毫升，即成20%马铃薯煮汁。在马铃薯煮汁中加入葡萄糖，使它溶解后分装，灭菌，备用。

将白腐真菌或褐腐真菌或侧耳真菌接种在装有150ml PDB培养基的250ml的三角瓶中，用两层纱布封口，在120rm/min，37℃的摇床上培养7天，用4000rm/min的离心机离心得到菌丝体，接种3%的菌丝体于脱水后的沼渣中。

由于一次发酵后的木质纤维原料干物质质量大幅降低，因此，微生物菌剂用量较直接对木质纤维原料接种预处理减少了50%。微生物处理后的木质纤维原料表层长满白色菌丝，木质纤维结构破坏严重。将生物处理后的原料投加到厌氧反应器中，加入厌氧发酵接种物进行接种，接种物的加入量为发酵物干重的30％，混匀。向混合料中加水，使反应器内发酵物初始干物质浓度为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37±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。

本实施例中，一次厌氧发酵时间为50天，累积产气量为23800mL～25500mL，二次厌氧发酵时间为25天，累积产气量为10500mL～11950mL。本工艺木质纤维原料的单位干物质产气量为343 mL/g～374.5mL/g，发酵周期总计为75天。

实施例2

对照实验：

取与实施例1等量的木质纤维原料两份，通过机械或人工方法切成不大于5cm的小段，一份作为对照组1（传统的生物预处理），另一份作为对照组2(不进行生物预处理)。

对照组1接种微生物菌剂（微生物菌剂与实施例1相同），微生物菌剂用量为木质纤维原料干物质质量的3%，接种后置于20-35℃、好氧通气条件下发酵7天，形成有氧发酵后的木质纤维原料。微生物菌剂（液体）中的孢子浓度不小于1×10⁸个/ml。

对照组2不作任何处理于同样条件下放置7天。

7天后同时将两组原料分别装入各自的厌氧反应器中，调节pH至7，加入接种物进行接种，混合，接种物的加入量为发酵物干重的5％～30％。向反应器中加水调节发酵物初始干物质浓度至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37±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，经过40～50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。

在对照实验中，对照组1微生物生长良好，生物处理后的木质纤维原料表层长满白色菌丝，原料的木质纤维结构破坏较大，原料的厌氧发酵产沼气性能有所改善，厌氧发酵产气高峰提前3～7天，发酵周期缩短一周期左右，但微生物菌剂的用量较大，其用量是实施例1的2倍。与对照组2相比，对照组1的木质纤维原料累积产气量仅提高了5%左右，生物预处理过程消耗了木质纤维原料中大量的易分解有机物，原料干物质损失了约10%。实验结束时，对照组1和对照组2的木质纤维原料累积产气量分别为26500～28169mL和25323～26873mL，单位干物质产气量分别为265～281.69mL/g和253.23～268.73mL/g，实验周期分别为38天和45天。

对比实施例1和实施例2可以看出，本发明木质纤维原料生物转化率大幅提高，产气量较对照增加了27.64%～47.89%。与传统的生物预处理相比（实施例2中的对照组1），生物后处理过程对原料中易分解有机物的损耗量大幅降低，微生物菌剂用量减少了50%，原料累积产气量较生物预处理提高了21.77%～41.32%，发酵周期较对照实验组延长了37天。本发明符合我国节能减排的要求，具有很好的应用前景。

实施例1不是对本发明的具体限制，只要根据权利要求的启示，结合本领域的基本常识，实现与本发明相同的技术目的，均落入本发明的保护范畴。

Claims

1.一种利用木质纤维原料产沼气的方法，其特征在于：工艺由木质纤维原料一次厌氧发酵、生物处理和二次厌氧发酵构成，具体步骤如下：

a）将木质纤维原料切碎至不大于5cm的小段；

f）将获得的木质纤维原料沼渣调节pH 至6.9~7.1，置于厌氧反应器内内作为发酵物，再次接种接种物，接种物的接种量为发酵物干重的5％~30％，接种后混合均匀再进行二次厌氧发酵产沼气，厌氧反应器内发酵物初始干物质浓度为3～30%，反应温度为15-60℃。

2.根据权利要求1所述的利用木质纤维原料产沼气的方法，其特征在于：所述木质纤维原料选自玉米秸、麦秸、稻秸、棉花杆、米草或甘蔗渣中的一种或几种；所述的一次厌氧发酵的产气高峰期为10~60天。

3.根据权利要求1所述的利用木质纤维原料产沼气的方法，其特征在于：厌氧反应器为USR反应器或CSTR反应器，或两相厌氧发酵的水解相反应器。

4.根据权利要求1~3之一所述的利用木质纤维原料产沼气的方法，其特征在于：生物处理中接种的微生物菌剂为白腐真菌、褐腐真菌、侧耳真菌中的一种或组合，经液体或固体发酵扩大培养形成的培养物，其中液体培养物中的孢子浓度不小于1×10⁸个/ml ，固体培养物中的孢子含量不小于1×10⁸个/g，微生物培养物的添加量与沼渣的质量比为1：100~3：100；

一次厌氧发酵和二次厌氧发酵中的接种物为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组合。