CN109486864A - 一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高纤维类有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，属于有机废弃物资源化利用领域。在纤维类有机废弃物厌氧发酵之前，通过对其进行均匀喷洒碱液，达到破坏其完整结构，提高厌氧发酵产甲烷效率的目的。本发明所提出一种提高纤维类有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法的反应条件温和；预处理结束后无需调节pH值，可直接进行厌氧发酵；该预处理可以在物料储存中进行，无需额外的预处理设备。预处理过程中所添加的钾离子，对沼渣沼液等厌氧发酵废弃物的肥料化利用具有重要意义。本发明所提出的一种提高纤维类有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，操作简便，经济节约，具有很好的工业化应用前景。

Description

一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法
技术领域
本发明涉及一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，属于有机废弃物资源化利用领域。
背景技术
木质纤维类原料价格便宜、储量丰富而且可再生，是世界上最为丰富的生物质原料。然而超过70％的纤维类有机废弃物未被合理利用，这不仅是资源的极大浪费，还会造成严重的环境污染。厌氧发酵技术是生物质废弃物实现资源化利用的有效途径之一。生物质厌氧发酵是在厌氧细菌的作用下，有效地把生物质中的有机质转化，最后生成具有经济价值的甲烷及部分二氧化碳，且沼渣可以作为动物饲料或土地肥料，沼液还可以作为农作物的营养液。
由于木质纤维类原料复杂的结构，消化存在着原料利用率低、产气率低等问题成为其资源化利用的主要瓶颈。预处理能破坏木质素和半纤维素结构屏障，改变纤维素聚合度和结晶度，增加生物质多孔性和比表面积，是实现生物质高效利用的关键。碱预处理是利用碱处理剂破坏半纤维素与其他成分之间的酯键，增加木质纤维素的多孔性，降低纤维素的聚合度和结晶度，从而提高生物质厌氧发酵产甲烷的效率。中国专利CN 105861592A提出了一种以粒度为0.5～2mm的木质纤维素类生物质为原料，采用固体碱为催化剂在水热环境下对木质纤维素类生物质进行预处理的方法。该方法打破了木质纤维素致密结构,有利于后续酶解发酵。但是复合金属氧化物这种催化剂制备过程复杂。中国专利CN 107190027A提出了一种碱磨预处理秸秆的方法，该方法可以改善秸秆的生物降解性，显著提高生物发酵产品产量的效果。但是其仍存在一定的局限性，湿态预处理会产生残余碱液，需要进行回收处理，若处理不好，会对环境造成严重的二次污染。
因此，需要寻求一种操作简单但是又不会对环境造成二次污染的碱处理的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，该方法操作简单、成本低廉，有效提高了厌氧发酵的效率。
本发明提出了一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，所述方法为：包括对纤维类有机废弃物进行预处理，所述预处理是将粉碎的纤维类有机废弃物与KOH水溶液混合后放置一段时间，无需调节pH，直接进行生物发酵。
进一步的，KOH水溶液中KOH浓度为1％～15％。
进一步的，所述粉碎的纤维类有机废弃物与KOH水溶液混合后的体系的水含量为40％～80％。
进一步的，KOH水溶液既可以KOH与水作为KOH溶液一起加入，也可以KOH固体和水分开加入。
进一步的，发酵温度为35-37℃。
进一步的，预处理时间：7-14天。
进一步的，纤维类有机废弃物的种类为可以为水稻、小麦、玉米等粮食作物秸秆，棉秆、油料作物等。
进一步的，预处理结束后无需调节pH直接进行厌氧发酵。
进一步的，发酵结束后沼渣沼液含有丰富K元素，可以作为钾肥得到二次利用。
进一步的，所述厌氧发酵的方式不限。
进一步的，所述厌氧发酵的方式优选为：预处理后的纤维类有机废弃物为发酵底物，厌氧污泥为接种物(底物与接种物干重比例为2:1)，发酵过程中总固体浓度为4％，发酵温度为37℃。
本发明具有以下优点：
(1)本发明在纤维类有机废弃物厌氧发酵之前，对废弃物进行KOH固态预处理，以打开纤维素、半纤维素和木质素之间的铰链，破坏底物完整的结构，从而便于酶水解的进行，提高消化率。
(2)预处理反应条件温和，能量消耗少，预处理结束后无需调节pH值，可直接进行厌氧发酵。该反应在物料储存过程中进行，无需预处理设备，此外，预处理过程还能加速厌氧发酵过程的水解速度，从而提高厌氧降解效率，提高底物甲烷产量。
(3)发酵结束后的沼渣沼液中可以提取钾肥，使物质得以循环利用，有效防止环境污染，减少经济投入。
(4)本发明方法操作方法简单，可以进行工程化利用。
附图说明
图1是实施例1中KOH与NaOH预处理过程中pH变化图。
图2是实施例1中KOH与NaOH发酵过程中累积产气量图。
图3是实施例1中KOH与NaOH发酵过程中累积甲烷量图。
图4是实施例2中KOH与NaOH预处理过程中pH变化图。
图5是实施例2中KOH发酵过程中累积产气量图。
图6是实施例2中KOH发酵过程中累积甲烷量图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
称取烘干粉碎后的玉米秸秆25g，氢氧化钾粉末1.0g，加水58.3g，使KOH水溶液的浓度为1.7％。从而使整个预处理体系中的含水率是70％。将KOH水溶液均匀喷洒在秸秆中，在温度是25℃的条件下预处理12天。
预处理后的玉米秸秆为发酵底物，厌氧污泥为接种物(底物与接种物干重比例为2:1)，采用中温厌氧发酵，在250mL发酵瓶中进行，工作体积为200mL。发酵过程中总固体浓度为4％，发酵温度为37℃。以未经预处理的玉米秸秆作为空白对照组，在相同的条件下进行厌氧发酵。
预处理过程中的pH变化结果如图1所示，采用KOH水溶液对玉米秸秆进行预处理，预处理12天的终pH为7.79，无需调节预处理后的玉米秸秆，即可直接进行发酵。
发酵后的结果如图2、3所示，当KOH水溶液的浓度为1.7％时，累积沼气产量为634mL/g VS，累积甲烷产量为389mL/g VS，比空白对照组分别提高了27％和28％，可见，KOH水溶液明显提高了体系的沼气及甲烷速率，并且最终的沼气及甲烷产量也明显提高。
实施例2
称取烘干粉碎后的玉米秸秆25g，氢氧化钾2.0g，加水56.8g，使KOH水溶液的浓度为3.4％。从而使整个预处理体系中的含水率是69％。将KOH水溶液均匀喷洒在秸秆中，在温度是25℃的条件下预处理2周。
使用预处理后的玉米秸秆为发酵底物，厌氧污泥为接种物(底物与接种物干重比例为2:1)，采用中温厌氧发酵，在250mL发酵瓶中进行，工作体积为200mL。设置发酵过程中总固体浓度为4％，发酵温度为37℃。以未经预处理的玉米秸秆作为空白对照组，在相同的条件下进行厌氧发酵。
预处理过程中的pH变化结果如图4所示，采用KOH水溶液对玉米秸秆进行预处理，预处理2周后的终pH为8.02，无需调节预处理后的玉米秸秆，即可直接进行发酵。
发酵后的结果如图5、6所示，当KOH水溶液的浓度为3.4％时，累积沼气产量为666mL/g VS，累积甲烷产量为390mL/g VS，比空白对照组分别提高了33％和29％，可见，KOH水溶液明显提高了体系的沼气及甲烷速率，并且最终的沼气及甲烷产量也明显提高。
实施例3
称取烘干粉碎后的玉米秸秆25g，氢氧化钾粉末1.0g，加水6.67g，使KOH水溶液的浓度为13％。从而使整个预处理体系中的含水率是40％。将KOH水溶液均匀喷洒在秸秆中，在温度是25℃的条件下预处理12天。
发酵条件同实例1。
发酵后结果表明，当KOH水溶液的浓度为13％时，累积沼气产量为600.9mL/g VS，累积甲烷产量为356.75mL/g VS，比空白对照组分别提高了20％和18％。
实施例4
称取烘干粉碎后的玉米秸秆25g，氢氧化钾粉末1.0g，加水58.3g，使KOH水溶液的浓度为1.7％。从而使整个预处理体系中的含水率是70％。将KOH水溶液均匀喷洒在秸秆中，在温度是25℃的条件下预处理7天。
发酵条件同实例1。
发酵后结果表明，当KOH水溶液的浓度为1.7％时，累积沼气产量为590.89mL/gVS，累积甲烷产量为359.67mL/g VS，比空白对照组分别提高了18％和19％。
对比例1
称取烘干粉碎后的玉米秸秆25g，氢氧化钾粉末0.29g，加水58.3g，使KOH水溶液的浓度为0.5％。其余预处理条件同实例1。
发酵条件同实例1。
发酵后结果表明，当KOH水溶液的浓度为0.5％时，累积沼气产量为545.80mL/gVS，累积甲烷产量为320.23mL/g VS，比空白对照组分别提高了9％和6.9％。
对比例2
称取烘干粉碎后的玉米秸秆25g，氢氧化钾粉末3.5g，加水19.8g，使KOH水溶液的浓度为15％。其余预处理条件同实例1。
发酵条件同实例1。
发酵后结果表明，当KOH水溶液的浓度为15％时，预处理后体系的pH为8.61，pH略高，直接进行发酵处理，累积沼气产量为490.94mL/g VS，累积甲烷产量为295.45mL/g VS，体系的最终沼气及甲烷产量都低于空白对照组。
对比例3
含水量大于80％时，即成为液态预处理，而非固态液处理，KOH的量和实施例2相同，其余的条件和步骤均与实施例2相同，此时KOH水溶液浓度为2％(也落到本发明的范围内)，预处理2周后，其终pH为9.05，无法直接用于厌氧发酵，需要调节pH才可。
对比例4
对玉米秸秆预处理5天，其余预处理和发酵条件同实例1。发酵后结果表明，累积沼气产量为510.93mL/g VS，累积甲烷产量为312.54mL/g VS，比空白对照组分别提高2％和3.4％。可见，当对玉米秸秆进行固态预处理5天，体系的最终沼气及甲烷产量提高不明显。
对比例5
对玉米秸秆预处理15天，其余预处理和发酵条件同实例1。pH在预处理14天后明显上升，最终pH为8.57，发酵后结果表明，累积沼气产量为525.79mL/g VS，累积甲烷产量为323.49mL/g VS，比空白对照组分别提高了5％和7％。可见，当对玉米秸秆进行固态预处理时间增加，体系的最终沼气及甲烷产量提高不明显。
对比例6
利用NaOH代替KOH，其余步骤和条件和实施例1相同，通过测定其预处理过程中的pH，可知与KOH作为预处理碱时，NaOH预处理之后得到的秸秆的pH为9.21，大于对应的KOH预处理的结果，无法直接进行厌氧发酵处理；在预处理后的秸秆中添加酸调节其pH为7.5，在相同的条件下进行厌氧发酵，可知其累积沼气产量为580.93mL/g VS，累积甲烷产量为348.42mL/g VS，比空白对照组分别提高了16％和15％，但是明显低于实施例中的结果。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，其特征在于，所述方法包括对纤维类有机废弃物进行预处理的步骤，所述预处理是将粉碎的纤维类有机废弃物与KOH水溶液混合后放置一段时间，无需调节pH，直接进行生物发酵。
2.根据权利要求1所述的一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，其特征在于，所述KOH水溶液的浓度为1％～15％。
3.根据权利要求1所述的一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，其特征在于，所述KOH水溶液的浓度为1％～5％。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，其特征在于，所述粉碎的纤维类有机废弃物与KOH水溶液混合后的体系的水含量为40％～80％。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，其特征在于，所述预处理体系的水含量为70％。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，其特征在于，所述预处理的时间为7-14天。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，其特征在于，纤维类有机废弃物为能源植物、林业废弃物、农业废弃物中的一种或几种。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，其特征在于，所述预处理在室温下进行。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法，其特征在于，所述厌氧发酵的方式为：预处理后的纤维类有机废弃物为发酵底物，向发酵底物中接种厌氧污泥或菌液，发酵底物与厌氧污泥(菌液)的干重比为2：1，发酵过程中总固体浓度为4％，发酵温度为35-37℃。
10.权利要求1-9任一所述的一种提高有机废弃物厌氧发酵效率的固态碱处理方法在能源或环境领域的应用。
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