CN107012194A - 一种促进秸秆黄贮快速分解的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，属于秸秆预处理技术领域，其包括以下步骤：1）将秸秆粉碎，在粉碎的同时通过给料机将乙醇废料加入到已粉碎的秸秆中，得到混合物料，测定所述混合物料的各种微量参数；2）将所述混合物料压实，在所述压实的同时加水至所述混合物料中，使所述混合物料的含水量达到55~80%，得到贮料；3）将所述贮料装入贮壕，进行密封和覆盖。本发明通过在秸秆中添加乙醇废料作为处理剂，有效提高了秸秆的生物可利用性，用于厌氧发酵产沼气，可明显提高生物基产品产量，延长秸秆的安全储存期，提高黄贮秸秆的品质。

Description

一种促进秸秆黄贮快速分解的方法

技术领域

本发明属于秸秆预处理技术领域，具体涉及一种促进秸秆黄贮快速分解的方法。

背景技术

我国是个农业大国，每年产生农作物秸秆约7亿t，但随着广大人民群众的生活水平的提高，秸秆除少量作为饲料和直接还田外，大部分作为燃料或直接在田间地头焚烧，不仅污染了环境，而且造成了资源的巨大浪费。厌氧消化是将作物秸秆变废为宝的有效手段，在厌氧条件下，秸秆等有机废物能被厌氧微生物分解利用产生甲烷。厌氧消化操作简单，成本较低且技术相对成熟，在我国已有许多工程应用实例。政府也很重视厌氧消化沼气工程的建设，尤其是国家能源局印发的国家生物质能发展“十三五”规划，明确到2020年初步形成一定规模的绿色低碳生物天然气产业，年产量达80亿立方米，总投资1200亿，建设160个生物天然气示范县和循环农业示范县，实现年替代化石能源960万吨的目标。但是，用于厌氧消化产沼气的秸秆不仅密度小、存储困难、存储过程VS损失大等缺陷；同时秸秆因为自身不易被微生物降解而面临厌氧过程产气周期长、转化率低、产气量少、生产盈利性差等诸多问题。因此，如何对秸秆进行预处理以提高其生物可利用性已经成为国内外研究的热点课题。

植物秸秆主要组成成分是纤维素、半纤维素和木质素。纤维素被木质素和半纤维素包裹，增强了秸秆的机械强度，由于木质素的存在，直接影响纤维素和半纤维素的酵解消化。秸秆作为主要发酵原料，启动发酵时间长、利用率低、产气率低；由于秸秆密度小，又存在容易结壳和原料的进出难等问题。因此，必须对秸秆进行预处理。预处理的作用就是改变天然纤维素的结构，软化和脱除木质素或半纤维素，扩大纤维素酶的可接触面积，提高纤维素的降解效率，使木质纤维素降解成简单成分，以利于随后的厌氧消化过程。秸秆预处理基本方法可分为：物理法、化学法、生物法和联合法。各类方法的常见方法归纳、对比如下表所示。

厌氧发酵产气本身就是一个微生物反应过程。用生物法预处理玉米秸秆就是在厌氧消化体系外先与微生物进行预反应，玉米秸秆中的纤维素和木质素部分被降解,同时纤维素和木质素的复合结构被破坏，使秸秆变得易于消化，然后进入厌氧消化体系内进行厌氧发酵，从而提高产气量和产气速率。国内外有关生物法预处理的研究较多，主要有白腐真菌、复合菌剂和添加粪便堆沤等预处理方法。袁旭峰等（袁旭峰，张瑞芳，李培培，等.复合菌系MC1预处理对玉米秸秆厌氧发酵产甲烷效率的提高[J]．农业工程学报，2011，27(9):266-270）在实验室筛选出具有木质纤维素分解能力的复合微生物菌系MC1，并用来预处理玉米秸秆。经MC1预处理的玉米秸秆质量和木质纤维素含量大大降低，发酵液中挥发性产物含量提高，且对产甲烷菌活性不利的丙酸含量降低，预处理的分解过程仅需要4d就能达到相对最好效果。后续厌氧消化总产气量提高33.0%，总甲烷产量提高58.1%，VS产甲烷量达到311.1mL·g^-1。虽然复合菌剂预处理效果较好，但目前售价偏高的因素限制了它的大规模工程应用。ZHOU等（ZHOU S，ZHANG Y. Pretreatment for Biogas Production by AnaerobicFermentation of Mixed Corn Stover and Cow Dung[J]. Energy，2012，46(1): 644-648）研究显示，玉米秸秆和牛粪一起混合堆沤能够降低木质纤维素中半纤维素含量， 在20d的预处理中半纤维素含量降低16. 8%，而纤维素和木质素含量变化较小。在后续的厌氧消化中，与粪便混合发酵获得的VS产气量约为450 mL·g^-1，比玉米秸秆单独发酵增加40. 7%，且所产气体中的甲烷含量也有显著提升。秸秆和粪便混合发酵，不仅提高了最终产气量，而且不需要化学添加剂， 成本低。沼气站和饲养场之间能够互惠互利，因地制宜。虽然其成本低，处理效果较好，但是预处理周期长，且随着储存时间的延长，秸秆预处理品质下降较快。

对秸秆进行适当和有效的预处理能够对纤维素、半纤维素和木质素含量或纤维素结晶区产生一定程度的影响，从而提高秸秆原料的可生化性，有利于提高厌氧消化产气量和产气速率。此外，在找到优化的最佳预处理条件的同时，还必须充分考虑经济成本，力求找到最经济有效的预处理方式，使其更广泛地推广应用到工程实例中， 从而更高效地将废弃资源转化成沼气能源，逐步降低化石能源在能源结构中的比例，实现可持续发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，以提高秸秆的生物可利用性，延长秸秆黄贮储存期，提高秸秆黄贮品质。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，包括以下步骤：

步骤S1：将秸秆粉碎，在粉碎的同时通过给料机将乙醇废料加入到已粉碎的秸秆中，得到混合物料，测定所述混合物料的含水量；

步骤S2：将所述混合物料压实，在所述压实的同时加水至所述混合物料中，使所述混合物料的含水量达到55~80%，得到贮料；

步骤S3：将所述贮料装入贮壕，进行密封和覆盖。

优选地，所述秸秆粉碎后的长度为1.0~6.0厘米。

优选地，所述乙醇废料为乙醇发酵醪在蒸馏工序前由板框压滤机压滤所得的固态残渣。

优选地，所述乙醇废料由如下重量百分比的成分组成：水分35~45%，粗蛋白10~15%，粗纤维20~25%，粗脂肪2.5~3.0%，果胶4.5~5.0%，淀粉8.8~9.2%，还原糖6.8~7.2%，余量为不可避免的微量杂质。

优选地，每100g所述乙醇废料中含0.04~0.05g糖化酶和0.01~0.02g液化酶。

优选地，每100g所述乙醇废料中含酵母菌1.45~1.55g，乳酸菌0.09~0.12g，醋酸菌0.09~0.12g。

优选地，所述乙醇废料的添加量为1~20kg/吨秸秆。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明采用在秸秆中添加乙醇废料的方法，由于乙醇废料中含有大量的酵母菌、乳酸菌、糖化酶、液化酶以及还原糖等，黄贮过程中，乳酸菌迅速增殖，大大缩短秸秆的黄贮时间，同时也提高黄贮秸秆的品质，从而解决目前秸秆黄贮过程周期长的问题。

2、本发明中添加的乙醇废料是乙醇发酵醪在蒸馏工序前由板框压滤机压滤所得的固态残渣，这样不仅保证了乙醇废料中多种菌种的活性，而且以固体形式添加使得贮料的含水量更加易于调节。上述乙醇废料较现有黄贮采用生物制剂相比，价格低廉，无需进行专门的发酵培养，是对乙醇生产过程副产物或废弃物的二次利用，不仅降低了秸秆黄贮的成本，而且也实现了乙醇副产物或废弃物的充分利用。

3、本发明所用乙醇废料中含有大量的微生物诸如酵母菌、糖化酶、液化酶及淀粉、蛋白质等成分，这些生物活性成分不仅提高了黄贮秸秆的营养价值，而且通过外源微生物的引进，使得秸秆的可生化性快速得到提高。本发明所得黄贮秸秆不仅能够应用于厌氧沼气发酵，而且还可作为高品质饲料使用。

本发明通过在秸秆中添加乙醇废料作为处理剂，变废为宝，有效提高了秸秆的生物可利用性，用于厌氧发酵产沼气，可明显提高沼气产量及其甲烷含量，延长秸秆的安全储存期，提高黄贮秸秆的品质。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

本发明秸秆粉碎采用农用秸秆粉碎机将秸秆进行切碎，一般以1.0~6.0厘米长度为宜，切碎的目的在于：(1)使秸秆的汁液渗出，湿润原料的表面，以利于乳酸菌迅速发酵；(2)便于压实，提高贮量；(3)减少贮料间的空气，为乳酸菌繁殖创造厌氧环境；(4)当用于饲料使用时，便于取料和饲喂，提高利用率和消化率。

本发明所用乙醇废料是乙醇发酵醪在蒸馏工序前经板框过滤机过滤所得的固态残渣。该乙醇发酵醪未经蒸馏，可以保证固态残渣中菌、酶等的活性，并维持固态残渣中其他营养成分的可用含量；而且由板框过滤机过滤所得残渣含水量较低，块状易于运输。本发明乙醇废料优选木薯发酵产生的乙醇废料，实践表明：不同种类的乙醇废料在组成成分及其含量上存在差异，这些差异对于秸秆的黄贮会起到不同影响，例如：淀粉及蛋白质含量较高时，能够促进乳酸菌的生长；反之，则会限制乳酸菌的生长。上述乙醇废料中含有乳酸杆菌、乙酸杆菌和酵母菌等有益菌种，含有大量的糖化酶和液化酶，可提高黄贮秸秆的蛋白质含量，为菌群生长提供了充足的氮源，还含有还原糖，为乳酸菌和酵母发酵提供充足的糖原。

经给料机粉碎后，固态残渣成为固态颗粒，更有利于充分混入已粉碎的秸秆中，从而将乙醇废料中含有的成分与秸秆进行充分接触，使秸秆“接种”大量的有益菌种和酶类物质，加速秸秆的分解以及熟化。乙醇废料与粉碎后的秸秆掺混后，两者所处的状态是均匀混合的固态颗粒状，目的是让乙醇废料与黄贮秸秆均匀混合，菌种均匀分布在黄贮秸秆表面，不仅为黄贮秸秆厌氧发酵提供外来菌种，同时也提供菌种生长繁殖所需营养物质，促进秸秆的快速分解，乙醇废料中所含有的物质使得秸秆质地变得柔软，有芳香味，提高感官品质；它们还可以将秸秆中大量的纤维素、半纤维素及一些木质素进行降解转化为易发酵的糖类，而这些糖类经过有机酸发酵转化为乳酸和挥发性脂肪酸，使得秸秆黄贮的pH值降低，抑制丁酸菌和霉菌等一些有害菌的繁殖。经长期实践得出：乙醇废料在秸秆中的加入量为1~20kg/吨秸秆，能够有效促进乳酸菌的大量繁殖，提高黄贮秸秆的蛋白质含量，抑制贮料发霉和改善贮料风味等作用；更重要的是，乙醇废料中的成分可作用于秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素或纤维素的结晶区等不同对象，有效提高秸秆的可利用性和厌氧消化产气量。

本发明步骤S2中混合物料的压实，是采用钢轮式压路机将掺混乙醇废料的秸秆碾压产生永久变形而密实。边压实，边加水，加水量根据混合物料的实际含水量而定，以混合物料的含水量达到55%~80%为宜，优选为70%~72%。压实操作的目的在于：(1)以最大限度地排出空气，使混合物料处于缺氧状态，为厌氧菌的繁殖提供有利的环境条件；(2)把混合物料中汁液挤压出来，为厌氧菌的繁殖提供充足的养分；(3)利用有限的贮壕容积，提高贮量。

密封储存：贮壕中装满压实后的原料，必须立即进行密封和覆盖。密封和覆盖的方法是：首先在所述贮料上铺设一层青草；然后将预先围在所述贮壕四周余下的塑料薄膜覆盖在所述混合物料上；再覆盖第二层塑料薄膜；用泥土压在所述贮壕的四周，并在所述第二层塑料薄膜的上面覆盖厚度为30~50厘米的泥土，使得贮料的顶部高出所述贮壕的四周呈圆顶形，以防雨水流入壕内引起贮料腐烂。

本发明秸秆黄贮的储存时间可以达到6个月以上，最长可达12个月，储存过程中，可从感官评定和实验室评定两方面判断秸秆黄贮是否满足使用要求。感官评定结果为质地松散不粘手，色泽为亮黄色，气味为甘酸味舒适感，水分70%~73%；实验室评定结果为：pH<4.0，氨态氮：总氮/%<5，乳酸占有机酸比例/%>70，乙酸占有机酸比例/%<20，丁酸占有机酸比例/%<0.5。黄贮优质的秸杆，在厌氧发酵时更容易生物降解，其中乳酸是有利于产沼气的，丁酸不利于产沼气。

本发明所得秸秆黄贮用于秸秆厌氧发酵产沼气，每吨秸秆黄贮产沼气量平均大于440立方米，最高可以达到约460立方米，产甲烷量大于300立方米，与采用未处理秸秆厌氧发酵产沼气相比，产沼气量提高50%以上，产甲烷量提高20%。

实施例1~实施例10

一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，包括以下步骤：

步骤S1：粉碎1吨秸秆，粉碎后的玉米秆长度为m厘米；粉碎后与n kg乙醇废料混匀，混匀方法为：边粉碎秸秆，边通过给料机将n kg乙醇废料加入到粉碎的秸秆堆中，得混合物料，测定该混合物料的含水量；

步骤S2：采用钢轮式压路机碾压使上述混合物料产生永久变形而密实，边压实、边加水，加水量根据混合物料的实际含水量确定，以混合物料的含水量达到w %为宜，得到贮料；

步骤S3：将压实后的上述贮料装入贮壕，然后进行密封和覆盖。

从第7天开始采用5点取样法取样，检测贮料的气味、色泽、质地，实验室检验贮料的pH、氨态氮、总氮、乳酸、乙酸、丁酸含量，如达到上述要求即认为完成预处理，若指标达不到要求，可适当延长贮存时间。记录贮料的预处理周期为T天。

表1 实施例1-10各项参数

上述乙醇废料由如下重量百分比的成分组成：水分35~45%，粗蛋白10~15%，粗纤维20~25%，粗脂肪2.5~3.0%，果胶4.5~5.0%，淀粉8.8~9.2%，还原糖6.8~7.2%，余量为不可避免的微量杂质。实施例1~10所用乙醇废料的组成见表2-1所示：

表2-1乙醇废料组成（重量百分比/%）

经检测，上述实施例1~10中，每100g所述乙醇废料中含糖化酶、液化酶、酵母菌、乳酸菌及醋酸菌的重量如表2-2所示：

表2-2每100g所述乙醇废料中含糖化酶、液化酶、酵母菌、乳酸菌及醋酸菌的重量（g）

对比例1-对比例11

一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，包括以下步骤：

步骤S1：粉碎1吨秸秆，粉碎后的秸秆长度为m厘米；粉碎后与处理剂混匀，记处理剂的添加量为n，混匀方法为：边粉碎秸秆，边通过给料机或直接将处理剂加入到粉碎的秸秆堆中，得混合物料，测定该混合物料的含水量；

步骤S2：采用钢轮式压路机碾压使上述混合物料产生永久变形而密实，边压实、边加水，加水量根据混合物料的实际含水量确定，以混合物料的含水量达到w %为宜，得到贮料；

步骤S3：将压实后的上述贮料装入贮壕，然后进行密封和覆盖。

从第10天开始采用5点取样法取样，检测贮料的气味、色泽、质地，实验室检验贮料的pH、氨态氮、总氮、乳酸、乙酸、丁酸含量，如达到上述要求即认为完成预处理，若指标达不到要求，可适当延长贮存时间。记录贮料的预处理周期为T天。

表3对比例1-9各项参数

表4 处理剂成分及含量

本发明所用玉米秸秆为作物收获后的黄色秸秆，自然条件下风干，不做其它处理，其组成成分如表5所示。

表5 玉米秸秆的组成（%，重量百分数）

注：平均值±标准值（n≥3）。

1）将采用实施例1~4及对比例1~11方法贮存6个月后的玉米秸杆取出，观察其色泽、气味、手感等指标，评定结果见表6。

表6贮存结束后玉米秸秆的感官评定结果

由表6可以看出，采用本发明方法进行秸秆的黄贮有利于提高黄贮秸秆的感官质量，并且延长其储存期。贮存6个月后，本发明所得秸秆色泽为亮黄色，气味甘酸舒适，手感质地松散不粘手，并且无发霉现象。改变秸秆的粉碎长度对其感官质量无明显影响（对比例1）；改变乙醇废料的添加量使其气味和颜色均有较大改变（对比例2）；改变秸秆的黄贮含水量使其气味有明显的改变（对比例3）。不添加任何处理剂的对比例4~6的秸秆黄贮，经6个月的贮存后，色泽、气味、手感等均有严重地下降，且已重度发霉，不宜使用。人工添加处理剂的对比例7~11秸秆黄贮在色泽、气味、手感等方面发生了不同程度地劣化，部分还有霉变现象。

2）对实施例1~4及对比例1~11处理的玉米秸秆，在其预处理周期结束后的第一天早上八点，分别取样测定并记录玉米秸秆黄贮的pH、总氮、乳酸、乙酸、丁酸含量，结果见表7。

表7 玉米秸秆预处理后的pH、总氮、有机酸组成及含量变化

由表7可以得出，采用本发明进行秸秆黄贮，所得秸秆的pH值小于4.0；氨态氮占总氮的比例小于5%，蛋白质分解较少；对沼气产出有益的乳酸含量高于70%，而对沼气发酵不利的丁酸只有0..2%左右。以上数据充分说明，本发明所得黄贮秸秆的品质优异，对秸秆两相发酵产甲烷非常有利。同时，还可以看到，改变秸秆的粉碎长度、乙醇废料的添加量以及含水量均对黄贮后秸秆所含成分及其理化性质有显著的影响。改变处理剂的组成亦对黄贮秸秆的质量有明显的影响。影响主要表现在对产沼气有利的乳酸含量降低，乙酸及丁酸含量升高，尤其是对产沼气不利的丁酸含量增加明显，乙酸含量的适当提高有利于产气，但是过高则对沼气发酵不利。

本发明中，pH值测定方法：采用梅特勒-托利多Seven-Go pH计进行测定。具体方法：取一定质量的黄储料（100±0.01g），榨汁，用上述pH计测定其 pH。

总氮测定方法：采用KDN-04A定氮仪进行测定。具体方法：取一定质量的黄储料（100±0.01g）85度烘干，24h，用高速研磨机磨碎后，称取1g左右，消化，蒸馏，滴定，计算。

乳酸、乙酸和丁酸的测定方法：采用安捷伦高效液相色谱仪进行测定。具体方法：取一定质量的黄储料（100±0.01g），榨汁，8000r/min离心，5min取上清，进色谱柱，测定含量，计算。

3）将经过实施例1~4、对比例1~11处理结束后的秸秆投加于1L发酵装置中，常温发酵试验10d，测定沼气产量、甲烷含量和每克VS甲烷含量，数据记录在表8中。

表8沼气产量、甲烷含量和每克VS甲烷含量的结果

上表中，沼气产量采用排水法；甲烷含量测定采用 GC-9890A 气相色谱仪。

由表8可以看到，采用本发明方法所得秸秆黄贮用于发酵产沼气，沼气产量为440~457ml/g，甲烷含量达68%以上，VS甲烷含量最高为347.91ml/g。

（1）由表3可知对比例1与实施例1的区别主要在于：黄贮过程中秸秆的粉碎长度不同，对比例2与实施例2的区别在于，处理剂的添加量超出20kg/吨秸秆，对比例3与实施例3的主要区别在于，含水量较低（45%），通过上述黄贮方法所获秸秆用于沼气发酵均存在不同程度的沼气含量降低，甲烷含量占比减少等问题，由该对比数据足以看出，本申请上述参数的限定对秸秆黄贮的效果及质量有关键性的影响。

（2）对比例4~6的秸秆在黄贮过程中均未添加任何处理剂，实验结果表明不添加处理剂的秸秆自然黄贮过程显然不利于沼气发酵，所产沼气量以及甲烷含量都有显著的降低。

（3）对比例7~11为人工组合的成分和含量明确的糖化酶、液化酶、酵母菌、乳酸菌和醋酸菌中的一种以上，实验结果发现虽然较对比例4~6的自然黄贮效果来说有所改善和提高，但是较之采用本发明处理剂乙醇废料而言，沼气产量和甲烷含量差异明显。

上述实验及结果表明，本发明添加一定量的乙醇废料在秸秆中进行黄贮，黄贮秸秆用于沼气发酵具有明显的促进作用，能够明显提高单位重量秸秆的沼气产量和甲烷含量，说明乙醇废料加入秸秆黄贮能够促使秸秆的结构变得松散，更易被甲烷菌利用；同时乙醇废料中各成分相互配合，较人工配比组合的处理剂作用而言不仅成本低廉而效果突出，起到了良好的协同增效作用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要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权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：将秸秆粉碎，在粉碎的同时通过给料机将乙醇废料加入到已粉碎的秸秆中，得到混合物料，测定所述混合物料的含水量；

步骤S2：将所述混合物料压实，在所述压实的同时加水至所述混合物料中，使所述混合物料的含水量达到55~80%，得到贮料；

步骤S3：将所述贮料装入贮壕，进行密封和覆盖。

2.如权利要求1所述的一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，其特征在于：所述秸秆粉碎后的长度为1.0~6.0厘米。

3.如权利要求1所述的一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，其特征在于：所述乙醇废料为乙醇发酵醪在蒸馏工序前由板框压滤机压滤所得的固态残渣。

4.如权利要求1所述的一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，其特征在于：所述乙醇废料由如下重量百分比的成分组成：水分35~45%，粗蛋白10~15%，粗纤维20~25%，粗脂肪2.5~3.0%，果胶4.5~5.0%，淀粉8.8~9.2%，还原糖6.8~7.2%，余量为不可避免的微量杂质。

5.如权利要求4所述的一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，其特征在于：每100g所述乙醇废料中含0.04~0.05g糖化酶和0.01~0.02g液化酶。

6.如权利要求5所述的一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，其特征在于：每100g所述乙醇废料中含酵母菌1.45~1.55g，乳酸菌0.09~0.12g，醋酸菌0.09~0.12g。

7.如权利要求1~6任一项所述的一种促进秸秆黄贮快速分解的方法，其特征在于：所述乙醇废料的添加量为1~20kg/吨秸秆。