CN104593430B - 定向酸化预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法 - Google Patents

Abstract

定向酸化预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法属于玉米秸秆高效资源化利用领域。采用氢氧化钠对玉米秸秆预处理，预处理后酸化，向预处理后的玉米秸秆中加入活性污泥，相对52g TS玉米秸秆加入10g‑50g TS活性污泥，再加入自来水至反应容器总体积的80％，混合后，充入氮气后密封固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2℃之间；每天定时用pH计测定pH，pH低于5.5时，停止酸化；甲烷化启动完成后，以酸化的出料作为原料，每天定时进料、出料一次，进料和出料体积相等，HRT为40天。本发明实现了生物学上的酸化阶段和甲烷阶段的分离，增强了酸化菌群和产甲烷菌群在各自阶段的作用，有利于酸化相和产甲烷相的稳定、高效运行，玉米秸秆生物降解性和产气性能均有较大提高。

Description

定向酸化预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法

技术领域

本发明属于玉米秸秆高效资源化利用技术领域，是一种定向酸化预处理的方式提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法。

背景技术

玉米秸秆属于纤维素类生物质，含有丰富的营养和易利用的化学成分，是丰富的可再生有机物质，但是其中大部分被丢弃或露天焚烧，造成资源浪费、环境污染、妨碍正常交通等严重问题。

玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大成份组成，而利用厌氧消化技术处理利用玉米秸秆，产生高效、清洁的高品质生物质能源——生物气，是玉米秸秆资源化利用的有效途径。但是半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触，导致木质纤维素原料难以被微生物降解，限制了玉米秸秆用于生物气生产方面的大规模应用。有一些科研工作者致力于将秸秆应用物理方法、化学方法以及生物方法或组合方法的预处理技术的研究，例如酸解、碱解及各种好氧、厌氧纤维素降解菌剂，也取得了一定的效果。

厌氧消化产甲烷过程是一个很复杂的生物转化过程，包括水解/酸化阶段和生物质能转化阶段，而水解/酸化是产甲烷应用的主要限速阶段。而在厌氧消化过程中，发挥作用的微生物种群主要是产酸菌和产甲烷菌，两者所需的生存条件恰好相反，产酸菌种类多，世代时间短，增长快对环境条件适宜性强；甲烷菌种类少，世代时间长，专一性强，对环境条件苛刻，如果将两者分开放入两个反应器中，分别调节到各自合适的生存环境，则能够提高厌氧消化的效率。因此，本发明遵循废物资源化的原则，围绕生物相分离思路构建了两段式厌氧发酵系统，同时选用两种工艺方式对玉米秸秆进行厌氧消化试验，既第一阶段(水解/酸化)采用批式处理方法，而第二阶段采用(生物质转化)半连续式工艺方法，以寻求达到最大甲烷产率，从而提高反应器的处理效率。由于生物相的分离有效缓解了产酸过程和产甲烷过程的恶性竞争机制，同时对促进产酸相底物降解速率及产甲烷相稳定高效运行均具有积极的作用，为秸秆纤维类物质沼气规模化生产提供一定的技术支持及理论参考。

为解决可以在低污染、温和的操作条件下，高效预处理玉米秸秆的技术难题，意在提供一种能够有效提高玉米秸秆的产气性能，为玉米秸秆的充分利用开辟新途径。本发明采用不同工艺条件下的生物相分离技术，同时对玉米秸秆进行不同预处理，以总甲烷产量为产气性能指标，确定最佳处理条件。本发明操作条件温和，对反应器的抗压和抗腐蚀性要求不高，成本低，操作简单，效率高，无污染，可以改善玉米秸秆的生物降解性，显著提高厌氧消化沼气产量的效果，同时有效降低预处理过程对环境的影响。

发明内容

本发明利用定向酸化预处理的方式，可以明显降低酸化阶段出料的pH，提高玉米秸秆在产甲烷阶段的产气性能。

定向酸化预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：

选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸秆，用粉碎机粉碎至20目以下然后预处理，预处理试剂为氢氧化钠，其添加量为玉米秸秆干重的2％，然后加入一定质量的水使之与氢氧化钠溶液中的水和玉米秸秆中所含的水的总质量为玉米秸秆干重的六倍；均匀混合后置于40±2℃环境中密封保存，预处理时间为1天；

预处理后酸化，酸化过程需要活性污泥来自污水处理厂，向预处理后的玉米秸秆中加入活性污泥，相对52g TS玉米秸秆加入10g-50g TS活性污泥，再加入自来水至反应容器总体积的80％，均匀混合后，充入氮气后密封固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2℃之间；每天定时用pH计测定pH，pH低于5.5时，停止酸化；

利用CSTR反应器作为厌氧反应装置，向厌氧反应装置中加入厌氧污泥，然后加入预处理后的玉米秸秆，玉米秸秆相对于12g厌氧污泥加入量为52g TS，再加入自来水至反应装置总体积的80％，充入氮气，反应器温度设定在在35±2℃之间；待反应器内pH达到7时，表明甲烷化启动完成；

甲烷化启动完成后，以酸化的出料作为原料，每天定时进料、出料一次，进料和出料体积相等，HRT为40天。

更具体的：

(1)秸秆预处理。本发明选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸秆，用粉碎机粉碎至20目，用坩埚称取一定量的玉米秸秆，置于105℃烘箱，12小时后测定玉米秸秆TS。利用蓝盖瓶(1L)作为厌氧反应容器，反应体积0.8L，按照玉米秸秆负荷65g TS/L，首先称取52g TS玉米秸秆。本发明预处理试剂为氢氧化钠，其添加量为玉米秸秆干重的2％，然后加入一定质量的水使之与氢氧化钠溶液中的水和玉米秸秆中所含的水的总质量为玉米秸秆干重的六倍。均匀混合后置于40±2℃环境中密封保存，预处理时间为1天。

(2)酸化方法。厌氧发酵过程需要接种物(活性污泥)，活性污泥来自污水处理厂，包含有大量厌氧微生物菌群，活性污泥需要沉降一周以上，其干物质浓度为8％。向预处理后的玉米秸秆(52g TS)中加入10g-50g TS活性污泥，再加入自来水至反应容器总体积的80％，均匀混合后，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将蓝盖瓶固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2℃之间。同时以未处理的玉米秸秆作为对照。每天定时用pH计测定pH，第7天时，pH低于5.5时，停止酸化。

(3)半连续式甲烷相启动。利用CSTR反应器作为厌氧反应装置，反应体积8L。首先向反应器中加入120g TS厌氧污泥，然后加入预处理后的玉米秸秆520g TS，再加入自来水至反应装置总体积的80％，充入氮气，反应器温度设定在在35±2℃之间。同时以未处理的玉米秸秆作为对照。待反应器内pH达到7时，表明甲烷化启动完成。

(4)半连续式甲烷相运行。待预处理组甲烷相和未处理组甲烷相启动完成后，以预处理组的批式酸化的出料作为预处理组的甲烷相的原料，同时以未处理组的批式酸化的出料作为未处理组的甲烷相的原料。每天上午8点进料、出料一次，均为200mL，HRT为40天。每天定时测定并记录甲烷含量和日产气量，同时测定出料TS浓度。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明在较高的温度(40℃)下利用氢氧化钠预处理玉米秸秆，微生物活性较高，生长速率快，可以快速地降解有机质，缩短预处理时间并且快速启动厌氧酸化反应。

2)本发明利用不同工艺方式实现了生物学上的酸化阶段和甲烷阶段的分离，增强了酸化菌群和产甲烷菌群在各自阶段的作用，有利于酸化相和产甲烷相的稳定、高效运行。

3)与未经过预处理的半连续式甲烷化相比，预处理后的半连续式甲烷化容积产气率提高了50％-98％，平均甲烷含量提高了22％-39％，TS去除率提高了28％-83％，玉米秸秆生物降解性和产气性能均有较大提高，明显提高半连续式厌氧反应器的设备效率。

具体实施方式

实施例1：

(1)秸秆预处理

本发明选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸秆，用粉碎机粉碎至20目，用坩埚称取一定量的玉米秸秆，置于105℃烘箱，12小时后测定玉米秸秆TS。利用蓝盖瓶(1L)作为厌氧反应容器，反应体积0.8L，按照玉米秸秆负荷65g TS/L，首先称取52g TS玉米秸秆。本发明预处理试剂为氢氧化钠，其添加量为玉米秸秆干重的2％，然后加入308.68毫升水使之与玉米秸秆中所含的水(3.32毫升)的总质量为玉米秸秆干重的6倍(312毫升)。40℃下密封保存1天进行预处理。

(2)酸化方法

厌氧发酵过程需要接种物(活性污泥)，活性污泥来自污水处理厂，包含有大量厌氧微生物菌群，活性污泥需要沉降一周以上，其干物质浓度为8％。向预处理后的玉米秸秆(52g TS)中加入10g TS活性污泥，再加入自来水至反应容器总体积的80％，均匀混合后，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将蓝盖瓶固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2℃之间。同时设置一组未经过预处理的玉米秸秆作为对照。每天定时用pH计测定pH，第7天时，pH低于5.5时，停止酸化。

(3)半连续式甲烷相启动

利用CSTR反应器作为厌氧反应装置，反应体积8L。首先向反应器中加入120g TS厌氧污泥，然后向反应器中加入预处理后的玉米秸秆520g TS和未处理的玉米秸秆520g TS，再加入自来水至反应装置总体积的80％，充入氮气，反应器温度设定在在35±2℃之间。同时以未处理的玉米秸秆作为对照。待反应器内pH达到7时，表明甲烷化启动完成。

(4)半连续式甲烷相运行

待预处理组甲烷相和未处理组甲烷相启动完成后，以预处理组的批式酸化的出料作为预处理组的甲烷相的原料，同时以未处理组的批式酸化的出料作为未处理组的甲烷相的原料。每天上午8点进料、出料一次，均为200mL，HRT为40天。每天定时测定并记录甲烷含量和日产气量，同时测定出料TS浓度。

上述实施例效果为：半连续式厌氧甲烷化反应结束时，与未预处理组比，预处理组的容积产气率提高了69％-76％，达到0.76-0.79；甲烷平均含量提高了33％，达到60％；玉米秸秆TS去除率提高了65％，达到59％。

实施例2：

(1)秸秆预处理

本发明选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸秆，用粉碎机粉碎至20目，用坩埚称取一定量的玉米秸秆，置于105℃烘箱，12小时后测定玉米秸秆TS。利用蓝盖瓶(1L)作为厌氧反应容器，反应体积0.8L，按照玉米秸秆负荷65g TS/L，首先称取52g TS玉米秸秆。本发明预处理试剂为氢氧化钠，其添加量为玉米秸秆干重的2％，然后加入308.68毫升水使之与玉米秸秆中所含的水(3.32毫升)的总质量为玉米秸秆干重的6倍(312毫升)。40℃下密封保存1天进行预处理。

(2)酸化方法

厌氧发酵过程需要接种物(活性污泥)，活性污泥来自污水处理厂，包含有大量厌氧微生物菌群，活性污泥需要沉降一周以上，其干物质浓度为8％。向预处理后的玉米秸秆(52g TS)中加入30g TS活性污泥，再加入自来水至反应容器总体积的80％，均匀混合后，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将蓝盖瓶固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2℃之间。同时以未处理的玉米秸秆作为对照。每天定时用pH计测定pH，第7天时，pH低于5.5时，停止酸化。

(3)半连续式甲烷相启动

利用CSTR反应器作为厌氧反应装置，反应体积8L。首先向反应器中加入120g TS厌氧污泥，然后向反应器中加入预处理后的玉米秸秆520g TS和未处理的玉米秸秆520g TS，再加入自来水至反应装置总体积的80％，充入氮气，反应器温度设定在在35±2℃之间。同时设置一组未经过预处理的玉米秸秆作为对照。待反应器内pH达到7时，表明甲烷化启动完成。

(4)半连续式甲烷相运行

待预处理组甲烷相和未处理组甲烷相启动完成后，以预处理组的批式酸化的出料作为预处理组的甲烷相的原料，同时以未处理组的批式酸化的出料作为未处理组的甲烷相的原料。每天上午8点进料、出料一次，均为200mL，HRT为40天。每天定时测定并记录甲烷含量和日产气量，同时测定出料TS浓度。

上述实施例效果为：半连续式厌氧甲烷化反应结束时，与未预处理组比，预处理组的容积产气率提高了87％-98％，达到0.84-0.89；甲烷平均含量提高了39％，达到64.9％；玉米秸秆TS去除率提高了83％，达到75％。

实施例3：

(1)秸秆预处理

本发明选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸秆，用粉碎机粉碎至20目，用坩埚称取一定量的玉米秸秆，置于105℃烘箱，12小时后测定玉米秸秆TS。利用蓝盖瓶(1L)作为厌氧反应容器，反应体积0.8L，按照玉米秸秆负荷65g TS/L，首先称取52g TS玉米秸秆。本发明预处理试剂为氢氧化钠，其添加量为玉米秸秆干重的2％，然后加入308.68毫升水使之与玉米秸秆中所含的水(3.32毫升)的总质量为玉米秸秆干重的6倍(312毫升)。40℃下密封保存1天进行预处理。同时设置一组未经过预处理的玉米秸秆作为对照。

(2)酸化方法

厌氧发酵过程需要接种物(活性污泥)，活性污泥来自污水处理厂，包含有大量厌氧微生物菌群，活性污泥需要沉降一周以上，其干物质浓度为8％。向预处理后的玉米秸秆(52g TS)中加入50g TS活性污泥，再加入自来水至反应容器总体积的80％，均匀混合后，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将蓝盖瓶固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2℃之间。每天定时用pH计测定pH，第7天时，pH低于5.5时，停止酸化。

(3)半连续式甲烷相启动

利用CSTR反应器作为厌氧反应装置，反应体积8L。首先向反应器中加入120g TS厌氧污泥，然后向反应器中加入预处理后的玉米秸秆520g TS和未处理的玉米秸秆520g TS，再加入自来水至反应装置总体积的80％，充入氮气，反应器温度设定在在35±2℃之间。同时以未处理的玉米秸秆作为对照。待反应器内pH达到7时，表明甲烷化启动完成。

(4)半连续式甲烷相运行

待预处理组甲烷相和未处理组甲烷相启动完成后，以预处理组的批式酸化的出料作为预处理组的甲烷相的原料，同时以未处理组的批式酸化的出料作为未处理组的甲烷相的原料。每天上午8点进料、出料一次，均为200mL，HRT为40天。每天定时测定并记录甲烷含量和日产气量，同时测定出料TS浓度。

上述实施例效果为：半连续式厌氧甲烷化反应结束时，与未预处理组比，预处理组的容积产气率提高了60％-67％，达到0.72-0.75；甲烷平均含量提高了29％，达到58％；玉米秸秆TS去除率提高了34％，达到55％。

Claims (1)

1.定向酸化预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：

选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸秆，用粉碎机粉碎至20目以下然后预处理，预处理试剂为氢氧化钠，其添加量为玉米秸秆干重的2％，然后加入一定质量的水使之与氢氧化钠溶液中的水和玉米秸秆中所含的水的总质量为玉米秸秆干重的六倍；均匀混合后置于40±2℃环境中密封保存，预处理时间为1天；

预处理后酸化，酸化过程需要活性污泥来自污水处理厂，向预处理后的玉米秸秆中加入活性污泥，相对52g TS玉米秸秆加入10g-50g TS活性污泥，再加入自来水至反应容器总体积的80％，均匀混合后，充入氮气后密封固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2℃之间；每天定时用pH计测定pH，pH低于5.5时，停止酸化；

利用CSTR反应器作为厌氧反应装置，向厌氧反应装置中加入厌氧污泥，然后加入预处理后的玉米秸秆，玉米秸秆相对于12g厌氧污泥加入量为52g TS，再加入自来水至反应装置总体积的80％，充入氮气，反应器温度设定在35±2℃之间；待反应器内pH达到7时，表明甲烷化启动完成；

甲烷化启动完成后，以酸化的出料作为原料，每天定时进料、出料一次，进料和出料体积相等，HRT为40天。