CN110643638A

CN110643638A - 一种秸秆处理方法及其应用

Info

Publication number: CN110643638A
Application number: CN201910911076.2A
Authority: CN
Inventors: 郭建斌; 孙辉; 崔宪; 董仁杰
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: CN110643638B

Abstract

本发明涉及一种秸秆处理方法及其应用，包括湿贮存调控阶段，所述湿贮存调控阶段包括：调整秸秆含水率为70％～80％后于厌氧条件下发酵，在所述发酵的过程中pH值维持在5.2～6.0。本发明所提供的秸秆处理方法，通过调节含水率以及在湿贮存过程中的pH值，在厌氧发酵后挤压出液体部分可以提取各类有机酸，例如乳酸和丁酸来增加经济效益，每吨玉米秸秆可以产出53kg乳酸和45kg丁酸，同时不影响固体部分的甲烷转换效率，可大大提高工艺的经济效益，促进秸秆沼气工程产业的发展。

Description

一种秸秆处理方法及其应用

技术领域

本发明涉及资源再利用领域，尤其涉及一种秸秆处理方法及其应用。

背景技术

秸秆是一种农业废弃物，每年均会有大量农作物秸秆产生。利用厌氧发酵技术可同时实现能源的回收和营养成分的间接还田，克服直接还田弊端。且以秸秆作为生物质能源生产的原料，具有产量大、供应稳定、成本低等优点，并可有效防止农村地区胡乱堆放、露天焚烧等现象，减少温室气体排放和降低空气污染。但由于秸秆生产具有季节性的特点，使得其有效的保存成为沼气工程全年稳定运行的前提，因此贮存工艺的选择与优化是秸秆沼气工程实际面临的一个工艺问题。此外，以沼气、沼液、沼渣为主要产品的秸秆沼气工程，面临经济效益较低、建设资金回收周期长等问题，如何优化工艺过程，提高产品附加值成为秸秆沼气产业发展过程亟待解决的关键问题。

应用湿贮存技术贮存生物质原料具有物质损失低，火灾风险小等优点已被广泛研究和应用。其基本原理是在厌氧条件下，利用贮存厌氧微生物发酵原料中底物产生有机酸，降低体系pH值以抑制其他微生物活动，最终实现长期且稳定的储存。相关研究表明，通过湿贮存技术可提升原料甲烷产率约10％，一定程度提升企业效益。传统的农艺耕作方式使得秸秆收获时以干黄秸秆居多，而干黄秸秆的可溶性碳水化合物含量较低，不利于传统以乳酸发酵为主导的湿贮存生化过程建立。研究表明可通过添加外源糖类、添加乳酸菌菌剂等手段定向强化乳酸发酵，但工艺的经济性较差。

发明内容

本申请提供一种秸秆处理方法及其应用，通过调节含水率以及湿贮存过程的pH变化，解决现有技术的湿贮存过程中秸秆资源利用率低的问题。

第一方面，本发明提供一种秸秆处理方法，包括：湿贮存调控阶段，所述湿贮存调控阶段包括：

调整秸秆含水率为70％～80％后于厌氧条件下发酵，在所述发酵的过程中pH值维持在5.2～6.0。

进一步地，所述pH值维持在5.5～5.8，优选为5.7。

秸秆在湿贮存过程一般需要较低的pH值来抑制其中微生物的生长，来防止其中的碳水化合物被分解过多，而使在后续被用来生产甲烷时产率下降。在厌氧发酵结束后会产生少量有机酸和醇类物质，这类物质常常不经分离直接浸入发酵罐厌氧发酵产出沼气，经济效益较差。本发明发现在一定含水率的范围内取较大的pH值来强化湿贮存的发酵过程，在提升有机酸的产量并进行回收的同时不影响固相的甲烷产率，总体上可以提升效益。

进一步地，通过添加碱性调节剂调控所述发酵的过程中的pH值，所述碱性调节剂可以为碳酸钙、尿素和小苏打中的一种或多种，优选为碳酸钙。

碳酸钙除了可以调节厌氧发酵过程中的pH值，其因为自身难溶于水的特性，可以更好地起到缓解厌氧发酵环境pH值的作用，同样由于碳酸钙经济实惠，可以最大化经济效益，是碱性调节剂的最优选择。当选用碳酸钙时，优选使用秸秆干基重5％～10％的碳酸钙，可以使其在厌氧发酵过程中pH值维持在5.2～6.0的范围内。

进一步地，所述发酵持续60～360天。

秸秆常常需要长期稳定的贮存，在这一过程中难以避免产生有机的损失，本发明强化贮存过程中的秸秆发酵过程，将贮存过程利用起来生产有机酸提升效益，最长可达360天。当时间过长时会导致秸秆中碳水化合物等营养物质过度消耗，过度降低其甲烷产率，经济效益反而降低；当时间过短则微生物对底物的发酵不够充分，底物利用率较低，有机酸产出较少，难以回收。

进一步地，在所述湿贮存调控阶段前，粉碎所述秸秆使其粒径不长于2cm。

本发明强化发酵过程，同时对秸秆起到预先分解的效果，在秸秆粒径较小的情况下，预处理效果更好，可以在一定程度上提高其甲烷转化效率。

进一步地，在所述发酵前，将所述秸秆压实至密度不低于600kg/m³。

将秸秆压实至密度不低于600kg/m³可以有效保证其厌氧发酵环境，促进其中厌氧菌对于秸秆的分解和预处理。

进一步地，还包括原料再加工阶段，所述原料再加工阶段包括：

将发酵后的所述秸秆固液分离。

更进一步，所述固液分离具体为使用挤压装置对所述发酵后的秸秆进行挤压，挤压压力为5～20MPa，挤压时间为5～10分钟。

进一步地，在所述固液分离后，将固体部分用于甲烷生产，将液体部分进行有机酸的分离提纯。

进一步地，所述秸秆为玉米秸秆、甜高粱秸秆和小麦秸秆中的一种或多种，优选为干黄玉米秸秆。

针对不同种类的秸秆，本发明的方法可能存在分离提纯后不同种类的有机酸含量不同的情况，但均相比于现有的湿贮存方法能够在一定程度上提高效益，而对于干黄玉米秸秆，干黄玉米秸秆本身可溶性糖较低的特点是诱发湿贮存环节丁酸发酵的有利条件，丁酸是一种重要的合成香料以及精细化工产品的原料，可用于合成丁酸酯类和纤维素丁酸酯，前者在食品添加剂和医药领域有广泛的应用，后者是优良的涂料和模塑，因此而具有良好的经济价值。

本发明提供上述秸秆处理方法在秸秆资源再利用方面的应用，具体为利用秸秆同时生产甲烷和有机酸，所述有机酸优选为乳酸、乙酸和丁酸中的一种或多种。

在本发明一个优选的实施方式中，本发明提供一种秸秆处理方法，包括：

(1)湿贮存调控阶段

取玉米秸秆，粉碎使其粒径不长于2cm，调整玉米秸秆含水率为70％～80％，添加玉米秸秆5％～10％干基重的碳酸钙后混合并均匀填入青贮窖中，压实使其密度不低于600kg/m³，后用塑料膜对其进行密封同时在上方放置重物镇压保证厌氧发酵的环境发酵60～360天，在厌氧发酵过程中玉米秸秆pH值维持在5.2～6.0。

(2)原料再加工阶段

将厌氧发酵后的玉米秸秆原料取出，利用挤压装置以5～20MPa挤压压力挤压5～10分钟进行固液分离，固体部分用于甲烷生产，液体部分进行分离提纯获取其中的乳酸、乙酸和丁酸。

本发明提供一种秸秆处理方法及其应用，通过在湿贮存的厌氧发酵过程中添加碳酸钙并调节水含量来强化发酵过程，在厌氧发酵后挤压出液体部分可以提取各类有机酸，例如乳酸和丁酸来增加经济效益，每吨玉米秸秆干物质可以产出53kg乳酸和45kg丁酸，同时不影响固体部分的甲烷转换效率，提高了工艺过程产品附加值，可大大提高工艺的经济效益，促进秸秆沼气工程产业的发展。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的秸秆湿贮存方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供一种秸秆处理方法，所用干黄玉米秸秆来源于中国农业大学上庄试验站，如图1所示，发酵过程具体包括如下步骤：

1、湿贮存调控阶段

(1)将干黄玉米秸秆粉碎，使粒径不长于2cm作为原料。

(2)调节原料含水率为70％～80％，并添加干基重7.5％的碳酸钙。

(3)将原料填充至青贮窖等密闭设备中，通过车辆压实使压实密度不低于600kg/m3，压实后利用塑料薄膜密封，塑料膜外面放置重物镇压，保持密闭的厌氧环境。

2、原料再加工阶段

(1)将贮存60天后的原料从青贮窖中取出，利用挤压装置压榨原料实现液体相与固体相的分离。挤压压力20Mpa，挤压时间5分钟。

(2)分离后的液体中含有大量有机酸，通过分离提纯生产有机酸等生化产品。

(3)分离后的固体相主要成分为纤维组分，可将其进入厌氧发酵罐中生产沼气等生化产品。

实验例1

本实验例对实施例1的秸秆发酵方法的经济效益进行检测，具体如下：

本发明分别设置以下处理组：

实验组(TS)：实施例1的秸秆发酵方法；

对照组(CK)：相比于实验组不添加碳酸钙不调节水分；

水分调解组(S)：相比于实验组仅调节水分含量，不添加碳酸钙；

碳酸钙添加组(T)：相比于实验组不调节水分含量，添加等量碳酸钙；

少量碳酸钙添加组(STS)：相比较相比于实验组添加等量的水分，并添加少于实验组添加量的碳酸钙(添加量为干物质重的5％)；

过量碳酸钙添加组(GTS)：相比较相比于实验组添加等量的水分，并添加多于实验组添加量的碳酸钙(添加量为干物质重的10％)；

其中有机质测量方法，甲烷产量检测方法和有机酸分离提取和检测方法均可以通过现有常规技术实现。

每处理组均以1吨干黄玉米秸秆为原料，具体各组设置及贮存60天后的有机质损失率见表1：

表1各处理组设置及贮存有机物损失和pH变化情况

本发明对各处理组挤压后的固体部分和液体部分质量，以及最终有机酸和甲烷产量进行检测，检测结果见表2和表3

表2各处理组挤压后各组分质量及有机酸含量(基于1吨贮存后原料)

表3各处理组有机酸和甲烷产出状况(基于1吨干物质的玉米秸秆原料,已计算损失)

由表2和表3内容可知实验组(TS)添加碳酸钙并调节水分贮存玉米秸秆60天，贮存有机质损失低至10％以下，挤压汁液中乳酸和乙酸含量分别可达26.9与22.7g/kg。基于1吨干物质的玉米秸秆原料计算结果表明，与传统工艺贮存不调控不挤压生产288.4m3甲烷相比，应用此套工艺挤压分离后固渣仍可产263.9m3甲烷，同时挤压汁液中可获乳酸53.3kg、乙酸5.9kg、丁酸45.0kg。汁液中有机酸提纯后价格约为770元，在减去提纯成本后其收益仍远高于减产的24.5m3甲烷价格(约60元)，显著提升了企业效益。

碳酸钙添加组(T)其pH值与STS组相仿，但由于未调节含水量，有机质损失较大(达到11％)且有机酸产出和对照组相比无明显提升。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种秸秆处理方法，其特征在于，包括：湿贮存调控阶段，所述湿贮存调控阶段包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述pH值维持在5.5～5.8。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过添加碱性调节剂调控所述发酵的过程中的pH值，所述碱性调节剂可以为碳酸钙、尿素和小苏打中的一种或多种，优选为碳酸钙。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述发酵持续60～360天。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，在所述湿贮存调控阶段前，粉碎所述秸秆使其粒径不长于2cm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，还包括原料再加工阶段，所述原料再加工阶段包括：

将发酵后的所述秸秆固液分离。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述固液分离具体为使用挤压装置对发酵后的所述秸秆进行挤压，挤压压力为5～20MPa，挤压时间为5～10分钟。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述固液分离后，将固体部分用于甲烷生产，将液体部分进行有机酸的分离提纯。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述秸秆为玉米秸秆、甜高粱秸秆和小麦秸秆中的一种或多种，优选为干黄玉米秸秆。

10.权利要求1-9任一项所述的方法在秸秆资源再利用方面的应用，其特征在于，具体为利用秸秆同时生产甲烷和有机酸，所述有机酸优选为乳酸、乙酸和丁酸中的一种或多种。