CN103088074A - 一种电化学协同木质纤维素生物降解的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学协同木质纤维素生物降解的方法，方法中先将木质纤维素原料进行水热预处理温度在150℃-200℃，然后将预处理过的木质纤维素原料和水溶液与含厌氧发酵产沼气的菌种混合，投入厌氧发酵生物反应器中，加电压为0.05v-5v，发酵的温度为30℃-60℃，进行厌氧发酵；本发明对木质纤维素原料的降解有很好的效果，而且产的沼气的质量比较高，也加快了发酵的速度，大幅度的提高了生物质的转化率，发酵后的沼液沼渣还可以做有机复合肥。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学协同木质纤维素生物降解的方法，属于固体废物处理处置领域。
背景技术
我国农作物秸秆资源丰富，以水稻秸秆而言，我国年产水稻秸秆约为1.35亿吨，农作物秸秆的闲置不仅造成资源的大量浪费，而且污染环境。秸秆作为一种可再生能源，蕴含着巨大的生物质能量，它的资源化利用，对节约能源，改善生态环境、实现社会的可持续发展，有着重要意义。秸秆中含大量的木质纤维素，主要有半纤维素、纤维素和木质素三个组成分构成，各组分都有广泛的用途。半纤维素是戊糖和己糖的集合物，降解后可被微生物利用生产各种发酵产品；纤维素是由葡萄糖单元构成的高聚物，降解后作为微生物碳源生产各种发酵产品；木质素的基本结构是苯丙烷，单体间通过醚键和碳-碳键联结而成的复杂的、无定行的具有三维空间的结构，用途也非常广泛。
目前，对木质纤维素原料预处理的研究主要有物理法（蒸汽爆破、机械粉碎、微波、辐射等），化学预处理（酸、碱、氧化、有机溶剂、超临界萃取等），生物预处理（直接生物处理和生物酶预处理).研究表明，秸秆木质纤维素原料自身结构复杂和不均一性，仅依靠一种是很难实现清洁转化的。
因此中国申请CN 102165069 A公开了一种利用木质纤维素制备沼气的方法，主要是将原料通过挤压膨化法预处理，然后与厌氧发酵菌种混均，进行发酵产沼气。当中使用了酸碱等化学试剂，存在较大的环境污染问题，增加了后续处理的难度。中国申请CN 102051383 A 气爆处理木质纤维素原料联产沼气、纤维素和木质素的方法。此发明采用了高温高压耗能比较大，而且此方法操作复杂。
对于预处理：目前工业上木质纤维素的预处理方法是酸法和蒸汽爆破。酸法预处理需要大量的稀酸，其对环境污染严重，不符合生态环境的要求，产生了副产品，使其整个脱毒工艺复杂。蒸汽爆破预处理，处理的木质素未被除去，影响纤维素后期酶法水解。
对于发酵：产气周期长，效率低；漂浮原料结壳的残留；以及产气速率不好等现实问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电化学协同木质纤维素生物降解的方法，从而能高效的降解木质纤维素，该方法的操作简单，对木质纤维素原料的降解有很好的效果，而且产的沼气质量比较高，也加快了发酵的速度，大幅度的提高了生物质的转化率，无环境污染的特点。
本发明通过如下技术方案实现本发明目的：
将木质纤维素原料置于150-200℃下进行水热预处理30-70min，然后将预处理过的木质纤维素物料与含厌氧发酵产沼气菌种混合，混合物投入厌氧发酵生物反应器中，在电压为0.05-5v，发酵温度为30-60℃条件下进行厌氧发酵，连续制备沼气，其中混合物中含厌氧发酵产沼气的菌种为混合物质量的15-50%，木质纤维素原料为混合物质量的10-35%，其余都为水。
本发明中所述厌氧发酵产沼气的菌种为沼气发酵的渣水或者污泥、污水处理厂的污泥或人畜粪便驯化而来，即沼气发酵渣水、沼气发酵污泥、污水处理厂的污泥或人畜粪便中一种或几种任意比混合物与木质纤维素原料按质量比为0.2-0.85:1的比例混合，混合物的含水率在10-40%，发酵驯化20-55d后制备而成的沼液。
本发明中所述木质纤维素原料为秸秆（玉米、小麦、水稻、烟秆）、玉米芯、高粱秆、甘蔗渣、草类中一种或几种任意比混合物，粉碎后大小为15-30mm。
本发明中加电压的方式有两种，一种是只在混合物中插入一个电极（阳极或阴极），另一种是插入两个电极，电压为直流电或交流电。
本发明方法利用电化学协同能够加速木质纤维素的降解，在发酵罐中有一个微电场，微电场的形成在一定的程度上使得木质纤维素过渡到带电物质起到了加速作用，同时使得带电微粒子聚集在电极板周围，使得带电粒子和微生物菌体充分接触，从而降解。本发明方法有助于解决木质纤维素不能充分利用的现状，采用本发明方法对木质纤维素原料的降解有很好的效果，而且产生的沼气的质量比较高，同时也加快了发酵的速度，大幅度的提高了生物质的转化率，而且在发酵过程中能够解决结壳的问题，而且此方法具有无污染、高效率等优势，发酵后沼液沼渣还可以做有机肥料等特点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：本电化学协同木质纤维素生物降解的方法，具体操作如下：
（1）水热处理木质纤维素原料：对玉米秸秆1kg（水分为13.30%，纤维素30.24%，半纤维素26.43%，木质素14.58%，灰分为6.2%）切成25mm，加入5kg的水，在温度为150℃进行水热预处理，处理的时间是30min；
（2）然后在预处理过的木质纤维素物料中，加入2kg驯化后含菌种的沼液（沼气发酵渣水与玉米芯高粱秆混合物（1:1）按质量比0.2:1的比例混合，混合物的含水率在30%，发酵驯化40d后制备而成的沼液）混均，然后加入到厌氧发酵的反应器中进行发酵，在发酵罐中加直流电压0.25v，发酵的温度调节为45℃，进行厌氧发酵30d，连续制备沼气；
（3）经检测，发酵产甲烷比较稳定，含甲烷的浓度在78-86%，CO2的浓度在5-15%，发酵后测定纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为22.5%、86.8%和7.5%。
实施例2：本电化学协同木质纤维素生物降解的方法，具体操作如下：
（1）水热处理木质纤维素原料：对小麦秸秆1kg（水分为12.26%，纤维素32.16%，半纤维素25.61%，木质素21.2%，灰分为4.3%）切成15mm，加入5kg的水，在温度为150℃进行水热预处理，处理的时间是30min；
（2）在处理过的玉米秸秆和进行水热预处理剩余的液体中，加入2kg驯化后含菌种的沼液（沼气发酵污泥与小麦和烟草秸秆（2:1）混合物按质量比0.5:1的比例混合，混合物的含水率在40%，发酵驯化20d后制备而成的沼液）混均，然后加入到厌氧发酵的反应器中进行发酵。在发酵罐中加直流电压1v，发酵的温度调节为45℃，进行厌氧发酵40d，连续制备沼气；
（3）经检测，发酵产甲烷比较稳定，含甲烷的浓度在75-87%，CO2的浓度在5-20%，发酵后测定纤维素、半纤维素、木质素的降解率分别为23.4%、88.5%和6.7%。
实施例3：本电化学协同木质纤维素生物降解的方法，具体操作如下：
（1）水热处理木质纤维素原料：对水稻秸秆1kg（水分为13.53%，纤维素35.46%，半纤维素21.71%，木质素7.95%，灰分为17.8%）切成25mm，加入5kg的水，在温度为150℃进行水热预处理，处理的时间是30min；
（2）在处理过的玉米秸秆和进行水热预处理剩余的液体中，加入2kg驯化后含菌种的沼液（污水处理厂的污泥与甘蔗渣按质量比0.6:1的比例混合，混合物的含水率在10%，发酵驯化55d后制备而成的沼液）混均，然后加入到厌氧发酵的反应器中进行发酵。在发酵罐中加直流电压2v，发酵的温度调节为45℃，进行厌氧发酵35d，连续制备沼气；
（3）经检测，发酵产甲烷比较稳定，含甲烷的浓度在76-85%，CO2的浓度在5-17%，发酵后测定纤维素、半纤维素、木质素的降解率分别为29.8%、82.5%和6.6%。
实施例4：本电化学协同木质纤维素生物降解的方法，具体操作如下：
（1）水热处理木质纤维素原料：对烟秆1kg（水分为10.3%，纤维素31.4%，半纤维素23.1%，木质素15%，灰分为6.4%）切成30mm，加入4kg的水，在温度为200℃进行水热预处理，处理的时间是50min；
（2）在处理过的玉米秸秆和进行水热预处理剩余的液体中，加入5kg驯化后含菌种的沼液（沼气发酵渣水和牛粪混合物（1:1）与甘蔗渣按质量比0.85:1的比例混合，混合物的含水率在20%，发酵驯化50d后制备而成的沼液）混均，然后加入到厌氧发酵的反应器中进行发酵，在发酵罐中加直流电压5v，发酵的温度调节为30℃，进行厌氧发酵45d，制备沼气；
（3）经检测，发酵产甲烷比较稳定，含甲烷的浓度为74-86%，CO2的浓度在5-19%，发酵后测定纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为30.7%、83.4%和7.8%。
实施例5：本电化学协同木质纤维素生物降解的方法，具体操作如下：
（1）水热处理木质纤维素原料：对烟秆3.5kg（水分为10.3%，纤维素31.4%，半纤维素23.1%，木质素15%，灰分为6.4%）切成15mm，加入5kg的水，在温度为180℃进行水热预处理，处理的时间是50min；
（2）在处理过的玉米秸秆和进行水热预处理剩余的液体中，加入1.5kg驯化后含菌种的沼液（沼气发酵污泥和渣水混合物（2:1）与水稻秸秆和草（3:1）混合物按质量比0.8:1的比例混合，混合物的含水率在25%，发酵驯化45d后制备而成的沼液）混均，然后加入到厌氧发酵的反应器中进行发酵，在发酵罐中加直流电压0.1v，发酵的温度调节为60℃，进行厌氧发酵28d，制备沼气；
（3）经检测，发酵产甲烷比较稳定，含甲烷的浓度80-85%，CO2的浓度在5%-18%，发酵后测定纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为34.6%、88.5%和7.9%。
Claims (3)
1.一种电化学协同木质纤维素生物降解的方法，其特征在于：将木质纤维素原料置于150-200℃下进行水热预处理30-70min，然后将预处理过的木质纤维素物料与含厌氧发酵产沼气菌种混合，混合物投入厌氧发酵生物反应器中，在电压为0.05-5v，发酵温度为30-60℃条件下进行厌氧发酵，连续产沼气，其中混合物中含厌氧发酵产沼气菌种的量为混合物质量的15-50%，木质纤维素原料为混合物质量的10-35%，其余为水。
2.根据权利1所述电化学协同木质纤维素生物降解的方法，其特征在于：厌氧发酵产沼气菌种为沼气发酵渣水、沼气发酵污泥、污水处理厂的污泥或人畜粪便中一种或几种与木质纤维素原料按质量比为0.2-0.85:1的比例混合，混合物的含水率在10-40%，发酵驯化20-55d后制备而成的沼液。
3.根据权利1或2所述电化学协同木质纤维素生物降解的方法，其特征在于：木质纤维素原料为秸秆、玉米芯、高粱秆、甘蔗渣、草类中一种或几种，粉碎后大小为15-30mm。
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| CN102533872A (zh) * | 2012-02-29 | 2012-07-04 | 昆明理工大学 | 一种固体废弃物发酵产气的方法 |
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-
2013
- 2013-02-26 CN CN2013100599704A patent/CN103088074A/zh active Pending
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