CN106434765A - 一种秸秆沼气利用黄贮预处理方法 - Google Patents

一种秸秆沼气利用黄贮预处理方法 Download PDF

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苏小红
刘伟
汤晓玉
王欣
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胡启春
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Abstract

本发明公开了一种秸秆沼气利用黄贮预处理方法，所述方法包括如下步骤：将收割后的秸秆粉碎后逐层填装在用于秸秆黄贮的容器中，填装同时按一定比例逐层添加水份，并逐层压实；将装填好的容器用塑料布封盖并勒紧，使其密封不漏气，在此条件下黄贮。本方法是一种经济、简便、高效的秸秆预处理方法，为农作物秸秆的沼气化高效利用提供了一种新的预处理方法，并能够进行大批量处理，一定程度上解决了我国东北地区农民秋收后秸秆不能焚烧、大量堆放田地里的处境；随着黄贮秸秆沼气化技术的成熟，秸秆处理成本越来越低，沼气成本也随之降低，沼气发电、生物天然气等也与传统能源相比有一定的竞争力，解决了化石能源短缺、新能源成本高的问题。

Description

一种秸秆沼气利用黄贮预处理方法
技术领域
本发明涉及一种黄贮工艺，具体涉及一种秸秆沼气利用黄贮预处理方法。
背景技术
我国东北地区秸秆资源量极其丰富，作为沼气工程的原料潜力巨大，由于秸秆特殊的木质纤维素结构使其难以被直接转化利用。而且秋季玉米收货后秸秆被大量堆放在田地里，玉米秸秆发干黄化，原料含水率过低，达不到青贮技术的要求，青贮秸秆沼气技术在东北地区无法实现。而黄贮技术要求较低，且能达到和青贮相似的预处理效果，在我国北方寒冷地区秸秆沼气工程应用上具有广阔的推广前景。干秸秆经过黄贮后具有青贮类似的酸香味，刺激了家畜的食欲，提高了采食量，目前黄贮饲料技术主要用来饲喂牛羊等反刍家畜，尚未有用于沼气化利用的研究。
发明内容
本发明针对秸秆木质纤维素难以被直接转化利用的问题，提供了一种秸秆沼气利用黄贮预处理方法，通过优化黄贮工艺的关键参数，提高秸秆中难降解成分的转化率，提高秸秆的消化率，为东北地区秸秆资源化利用及沼气工程的推广应用寻找一条切实可行的新道路。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种秸秆沼气利用黄贮预处理方法，包括如下步骤：
一、将收割后的秸秆粉碎至1～3cm；
二、将粉碎后的秸秆逐层填装在用于秸秆黄贮的容器中，填装同时按一定比例逐层添加水份，控制含水率为55～75％，并逐层压实；
三：将装填好的容器用塑料布封盖并勒紧，使其密封不漏气，在此条件下黄贮30～150d。
本发明具有如下优点：
本发明提供的黄贮工艺是一种经济、简便、高效的秸秆预处理方法，为农作物秸秆的沼气化高效利用提供了一种新的预处理方法，并能够进行大批量处理，一定程度上解决了我国东北地区农民秋收后秸秆不能焚烧、大量堆放田地里的处境；由此还能产生一系列新的产业，如玉米秸秆的收、售，粉碎、运输等行业，增加了农民收入的同时，提供了新的就业机会；随着黄贮秸秆沼气化技术的成熟，秸秆处理成本越来越低，沼气成本也随之降低，沼气发电、生物天然气等也与传统能源相比有一定的竞争力，解决了化石能源短缺、新能源成本高的问题。
附图说明
图1为不同含水率下的秸秆木质纤维含量；
图2为不同存贮时间条件下的秸秆木质纤维含量；
图3为不同存贮时间条件下的秸秆X-射线衍射图；
图4为不同含水率条件下的秸秆X-射线衍射图；
图5为不同贮存时间的黄贮秸秆日产沼气量；
图6为不同黄贮含水率的秸秆日产沼气量；
图7为不同黄贮含水率的秸秆甲烷累积产气量；
图8为不同黄贮时间的秸秆甲烷累积产气量。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
东北地区农作物秸秆资源丰富，作为沼气工程的原料潜力巨大，由于秸秆特殊的木质纤维素结构使其难以被直接转化利用，因此，本发明针对秸秆这一特性，研究东北地区秸秆黄贮技术，并优化黄贮技术的关键参数，提高秸秆中难降解成分的转化率，提高秸秆的消化率；并通过调研东北地区秸秆沼气发展现状进行秸秆沼气利用开发模式研究。具体研究内容如下：
一、黄贮工艺
一、选择一个适合的贮窖或者装置作为秸秆黄贮的容器，本试验选用的是5L烧杯作为黄贮容器；
二、将收割后的秸秆粉碎至一定的长度；
三、将粉碎后的秸秆逐层填装，填装同时按一定比例逐层添加水份，并逐层压实，尽量装满，不留空隙；
四、将装填好的容器用塑料布封盖，并用绳、皮筋等工具勒紧，使其密封不漏气，在此条件下进行黄贮。
二、不同黄贮条件对玉米秸秆化学成分的影响
如图1所示，在相同的黄贮时间条件下，与未经预处理的对照组相比，处理后秸秆的纤维素、半纤维素含量均有所降低，且随着含水率的增加呈现递减趋势，含水率为70％的试验组达到最低值，说明在一定范围内增加秸秆原料的含水率有利于黄贮过程中半纤维素和纤维素的降解；相对于对照试验组，黄贮后秸秆的木质素含量均有不同程度的增加，这可能与半纤维素与纤维素含量的减少有关，黄贮对秸秆中木质素的降解作用较小。
由图2可知，黄贮后的秸秆木质纤维含量发生了改变，在相同含水率条件下，随着黄贮时间的延长秸秆的纤维素、半纤维素含量逐渐降低；在4M即120d、5M即150d实验组的试验中发现，试验后期秸秆出现腐烂结块现象，且纤维素、半纤维素含量较3M即90d实验组下降显著，可见黄贮时间过长不利于纤维素等可利用成分的保存及后续厌氧发酵产沼气试验的进行。
三、不同黄贮条件的玉米秸秆结构特性比较
纤维素是由结晶区和无定形区连接而成的二相体系，纤维素结晶度的大小是反映与木质纤维类物质在处理过程中脱木素以及半纤维素溶出的一项重要指标。
如图3-4所示，未经处理的对照试验组与经不同黄贮条件处理的玉米秸秆的晶型结构相似，在2θ＝220均存在衍射峰，而在2θ＝180的无定形区，黄贮秸秆的衍射峰均较未经处理对照试验组有所增加，无定形区是纤维素较易被分解的区域，说明黄贮使得纤维素的水解发酵更容易，有助于厌氧发酵产沼气。
CrI的高低反应了结晶区所占比例的大小。从结晶度结果看出，黄贮的秸秆结晶度均较对照试验组低，长时间的酸性黄贮环境引起了结晶纤维素的降解和纤维素结晶区内部羟基间氢键强度的变化，进而使纤维素的晶体结构改变，少量结晶区变成无定形区。一般来说，结晶度随黄贮时间的延长呈现先下降后升高的趋势，且随含水率的增加呈现先下降后升高的趋势，这可能有两个原因，一个是预处理能够破坏秸秆的结晶区结构，并使其结晶度下降，另一个是预处理可以破坏半纤维素、木质素和其他非晶体的结构，导致结晶度增加。在黄贮时间不长、含水率不高时，前者是主导因素，导致结晶度下降，在黄贮时间过长、含水率过高的条件下黄贮预处理不仅使得半纤维素、木质素等物质的降解，同时也可能降解了部分纤维素自身的非晶区结构，使得纤维素结晶度升高。
综上，纤维素结晶度在黄贮时间为3M即90d、含水率在65％条件下达到最低值，适合的黄贮预处理条件不仅能破坏玉米秸秆的纤维素结晶区，也增大了纤维素较易被分解的无定形区域，使得厌氧发酵纤维素部分的水解发酵更容易进行，提高产气效率。
四、不同黄贮条件对秸秆厌氧发酵产气效果的影响
1、不同黄贮条件下的秸秆日均沼气产量
图5所示为玉米秸秆经不同黄贮时间条件下各处理组厌氧发酵32d的日产气量。由图5可知，从产气高峰上看，处理组5M即黄贮时间为150d的试验组在第4d即达到900ml，其次分别为4M、3M、2M、1M，可见黄贮时间越长发酵启动有利于微生物快速利用有机物产沼气；第二个高峰出现的时间不同，但峰值高于第一个峰值，5M与4M处理组第二个产气高峰早于黄贮时间较短的其他处理组，且在达到产气高峰后呈现迅速下降的趋势，说明后续微生物可利用的有机物供应不足，这是由黄贮时间过长造成纤维素与半纤维素严重损失而引起的；未经处理的对照组第一个产气高峰出现在第9d，仅为180ml，最大产气高峰出现后也呈现迅速下降的趋势，说明未经处理的秸秆直接发酵产沼气启动慢，产气效率低。
从日均产气量来看，产气量最大的是3M即90d处理组即黄贮时间为90d试验组，为325.15ml，较对照试验组高出283.3％，其次为2M，为294.84ml，最后为4M即120d、5M即150d、1M即30d。
综上，黄贮时间过长易造成营养成分严重损失，不利于后续厌氧发酵，黄贮时间以日均产气量最大的90d为宜。
图6所示为玉米秸秆经不同黄贮含水率条件下的各处理组厌氧发酵32d的日产气量的变化。如图6中所示，经过黄贮处理后的秸秆产气量明显高于未经处理的对照组，且各个处理产气量差异显著；从产气高峰上看，与黄贮时间试验组类似，不同的黄贮条件下的秸秆均出现了两个产气高峰，这与牛粪等厌氧发酵产沼气只出现一个产气高峰不同，杨茜等人的研究也发现秸秆类原料产沼气均出现两个峰值，其中，第一个产气高峰峰值随黄贮含水率的增加而增加，75％处理组在第4d出现第一个产气高峰，日产气量达到700ml，第二个产气高峰后，日产沼气量呈现迅速下降的趋势，这与其黄贮后纤维素等物质的含量迅速下降有关；65％处理组的日产气量效果好于其他处理组，日均产气量为325.16ml，比对照组高出283.3％，其次为70％处理组，日产气量为316.09ml，可见黄贮能显著提高秸秆产气量，且产气高峰提前，启动快；含水率低于65％的处理组，产气效果相对较差，这是由于过低的含水率影响黄贮效果，进而影响产气率。
2、不同黄贮条件下的秸秆累积甲烷产量
从图7可以看出，黄贮含水率为65％的秸秆甲烷累积产气率最大，达到5843.35mL，比未经处理的对照组高出5.84倍，其次是70％处理组为5522.64mL、75％处理组为5479.10mL，由此可知，玉米秸秆的黄贮含水率过高或过低对甲烷累积产量均有一定的影响；从图8的黄贮时间曲线图中可以看出，随黄贮时间的延长，最大甲烷累积产气量呈现先增加后降低的峰型变化趋势，在黄贮时间为3个月计3M处理组的达到最大值。
五、结论
最佳沼气产量下秸秆的最佳黄贮技术参数：含水率65％、黄贮时间90d、秸秆粒径1cm左右。

Claims (4)

1.一种秸秆沼气利用黄贮预处理方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、将收割后的秸秆粉碎至1～3cm；
二、将粉碎后的秸秆逐层填装在用于秸秆黄贮的容器中，填装同时按一定比例逐层添加水份，控制含水率为55～75％，并逐层压实；
三：将装填好的容器用塑料布封盖并勒紧，使其密封不漏气，在此条件下黄贮30～150d。
2.根据权利要求1所述的秸秆沼气利用黄贮预处理方法，其特征在于所述秸秆粉碎至1cm。
3.根据权利要求1所述的秸秆沼气利用黄贮预处理方法，其特征在于所述含水率为65％。
4.根据权利要求1所述的秸秆沼气利用黄贮预处理方法，其特征在于所述黄贮时间为90d。
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