CN111676250A - 一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法 - Google Patents
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Abstract
一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法。本发明属于环境科学与(能源)工程技术领域。本发明为解决现有预处理木质纤维素类农业废弃物的技术操作困难,成本高,厌氧发酵产率和产量低的技术问题。方法:一、配制一定浓度的氯化铁溶液,并向其加入木质纤维素,混合均匀后放入恒温摇床中进行预处理;二、将含有预处理液的水稻秸秆与厌氧污泥按比例混合后置于厌氧瓶中,将充氮气排除氧气并密封好的厌氧瓶放置恒温培养箱中进行厌氧发酵;三、对厌氧发酵过程中产生的气体进行收集测定。本发明添加的氯化铁同时提高木质纤维素的可生化降解性和活性污泥的絮凝性,对厌氧发酵产甲烷过程具有促进作用。本发明操作简单,预处理过程无二次污染。
Description
技术领域
本发明属于环境科学与(能源)工程技术领域;具体涉及一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法。
背景技术
水稻秸秆作为一种典型的木质纤维素类农业废弃物,其产量大,分布广泛,同时由于其自身的三维网状结构使其可生化性较差,这大大增加了处理处置难度。固体废弃物常规的处置方法包括堆肥,填埋,焚烧等,但常规处置过程时间较长,会产生二次污染等问题大大限制了其处置效率。因此,寻求有效的木质纤维素类农业废弃物处置方法至关重要,同时,木质纤维素作为一种可回收型生物质能源,可利用厌氧污泥进行发酵降解并同步对甲烷进行能源回收。
然而,木质纤维素主要有纤维素,半纤维素,木质素组成,由于自身的三维网状结构使得其可生化降解性较差,这大大降低了其厌氧发酵产甲烷的性能。因此,常常需要一些预处理手段来增强木质纤维素的可生化降解性,进而提高后续的厌氧发酵产甲烷能力。传统的预处理方法包括物理法,化学法,生物法等,其中化学法常以强酸,强碱结合热处理等为主,具有处理时间短,效率高等优势。但是强酸,强碱预处理存在成本高,储存困难,长期使用会对设备腐蚀等问题,因此限制了其大规模应用。
发明内容
本发明为解决现有预处理木质纤维素类农业废弃物的技术操作困难,成本高,厌氧发酵产率和产量低的技术问题,而提供了一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法。
本发明的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法按以下步骤进行:
一、将水稻秸秆烘干后粉碎;
二、向氯化铁溶液中加入步骤一粉碎后的水稻秸秆,混合均匀后,放入恒温摇床中进行预处理,得到固液混合物;
三、将步骤二得到的固液混合物与厌氧污泥混合后置于厌氧瓶中,于氮气氛围保护和恒温的条件下进行厌氧发酵;
四、对厌氧发酵过程中产生的气体进行收集,得到甲烷。
进一步限定,步骤一中所述烘干的温度为50~70℃。
进一步限定,步骤一中所述烘干的温度为60℃。
进一步限定,步骤一中烘干后粉碎至0.5cm~1cm。
进一步限定,步骤二中所述氯化铁溶液的浓度为0.25g/L~2g/L。
进一步限定,步骤二中所述氯化铁溶液的体积与步骤一粉碎后的水稻秸秆的质量的比为(90~110)mL:3g。
进一步限定,步骤二中所述氯化铁溶液的体积与步骤一粉碎后的水稻秸秆的质量的比为100mL:3g。
进一步限定,步骤二中所述恒温摇床温度设置为35℃~40℃,转速设置为100rpm~140rpm。
进一步限定,步骤二中所述恒温摇床温度设置为37℃,转速设置为120rpm。
进一步限定,步骤三中所述固液混合物中的水稻秸秆与厌氧污泥的质量比1:(1~3)。
进一步限定,步骤三中所述固液混合物中的水稻秸秆与厌氧污泥的质量比1:2。
进一步限定,步骤三中所述恒温为35℃~40℃。
进一步限定,步骤三中所述恒温为37℃。
进一步限定,步骤三中所述厌氧发酵时间为28~38天。
进一步限定,步骤三中所述厌氧污泥为成熟厌氧消化污泥,种泥为市政污水厂的二沉池污泥。
本发明与现有技术相比具有的显著效果如下:
1)本发明使用的氯化铁是一种强路易斯酸,其水溶液的酸性能够加速木质纤维素中部分碳水化合物和还原糖的析出,同时酸性环境及水解产生的羟基能够对木质纤维素的物理结构进行破坏,降低木质素的含量,提高其可生化降解性,更利于后续的厌氧发酵产甲烷过程。而现有技术中使用的固体碱、氮素、硫酸铁等在使用过程中具有如下缺点:首先,固体碱在形成过程中需要一定的热处理,其次具有强腐蚀性,大规模使用过程中不仅增加处理成本,而且长期使用会腐蚀设备。其次,利用氮素进行预处理常常需要配合低温处理,这就一定程度上增加了操作难度和大规模应用的可实施性。最后,硫酸铁本身是一种危险品,在使用过程中要求防护等级较高,其次使用成本价格上高于氯化铁,最重要的是,硫酸根对产甲烷有一定的抑制作用,因此预处理后的木质纤维素需要多次淘洗,烘干等步骤,这再增加操作难度的同时也产生了二次废水污染。
2)本申请中预处理阶段氯化铁添加浓度是为了最大限度的增强木质纤维素厌氧发酵产甲烷效能,预处理阶段氯化铁添加浓度的不同会导致木质纤维素还原糖析出的量不同,会影响木质纤维素的组分比例以及部分碳水化合物水解的差异,因此选择适宜的氯化铁浓度能够最大程度上增强木制纤维素的可生化降解性。同时,预处理中剩余的低浓度的三价铁离子有利于增强产甲烷菌的代谢活性,进而选择适宜的氯化铁浓度能够从以上两个方面共同加强木质纤维素厌氧发酵产甲烷效能。
3)由于预处理液不需要处理直接与厌氧污泥混合进行厌氧发酵过程,这大大减少了废液的处理过程,不会产生二次污染。同时,处理液中含有的三价铁作为一种关键酶刺激了微生物的代谢活性。综上,氯化铁预处理不仅能够破坏木质纤维素的物理化学结构,加快还原糖的水解,而且在发酵产甲烷阶段能够提高产甲烷菌的代谢活性,进而提高木质纤维素厌氧产甲烷的性能。两者共同作用提高了木质纤维素厌氧发酵产甲烷的产量和产率。该方法操作简单,可进行大规模应用,从而为木质纤维素厌氧产甲烷技术的优化提供了一种新思路。
4)与空白组相比,用氯化铁预处理后木质纤维素厌氧发酵产甲烷能力得到了不同程度的提高,其中当氯化铁浓度为500mg/L时,甲烷产量最大为410±3mL/g VS,其产量与空白组相比提高了近1倍。
附图说明
图1为不同浓度氯化铁预处理木质纤维素厌氧发酵甲烷日均产气量与时间变化的曲线图;
图2为图1中最大日甲烷气量柱形图;
图3为不同浓度氯化铁预处理条件下木质纤维素厌氧发酵甲烷累积产气量与时间变化的曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法按以下步骤进行:
二、将水稻秸秆于60℃下烘干后粉碎,粉碎至0.5cm~1cm;
二、向100mL浓度为0.25g/L的氯化铁溶液中加入步骤一粉碎后的3g水稻秸秆,混合均匀后,放入恒温摇床中于37℃、120rpm下预处理24h,得到固液混合物;
三、将步骤二得到的固液混合物与厌氧污泥按固液混合物中水稻秸秆与厌氧污泥的质量比为1:2混合后置于厌氧瓶中,于氮气氛围保护和恒温的条件下进行厌氧发酵34天;
四、对厌氧发酵过程中产生的气体进行收集,得到甲烷。
本实施方式中氯化铁为市售分析纯氯化铁(山东,坤宝化工)。木质纤维素(水稻秸秆)从哈尔滨附近农场获得,其主要成分为纤维素(30.0±1.5%),半纤维素(30.9±1.2%)和木质素(4.41±1.5%)。接种的厌氧污泥为培养数天的厌氧消化污泥,种泥取自哈尔滨文昌污水处理厂二沉池,污泥MLVSS为10.65±0.2g/L。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤二中氯化铁溶液的浓度为0.5g/L。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤二中氯化铁溶液的浓度为1g/L其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤二中氯化铁溶液的浓度为2g/L其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
检测:每天通过量气筒对产生的沼气进行体积测定,采用气相色谱法测定气体中甲烷的浓度,从而计算得到甲烷体积。
气相色谱选用TCD检测器,TCD检测器运行参数:进样温度为100℃,检测器温度为200℃,柱箱温度为300℃。
甲烷产气量采用带刻度100mL的注射器测定,通过测得的总产气体积和气相色谱得到的甲烷浓度,计算得到甲烷体积。
测试结果如图1、2和3所示。图1为不同浓度氯化铁预处理木质纤维素厌氧发酵甲烷日均产气量与时间变化的曲线图,图2为图1中最大日甲烷气量柱形图,图3为不同浓度氯化铁预处理条件下木质纤维素厌氧发酵甲烷累积产气量与时间变化的曲线图。
由图1、2和3结果可知,当氯化铁浓度为500mg/L时,甲烷最大日产气量在第3天达到峰值为33±1mL/g VS,此预处理浓度下甲烷累计产气量为410±3mL/g VS,其产量与空白组相比提高了近1倍,且厌氧发酵持续时间延长了10天。
综上,可见用氯化铁对木制纤维素进行预处理,不仅能够增强其可生化降解性和还原糖的析出;同时预处理液中含有的三价铁离子能够刺激微生物的生长代谢,综合上述两种作用,强化了木质纤维素厌氧发酵产甲烷的性能。
Claims (10)
1.一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,该方法按以下步骤进行:
一、将水稻秸秆烘干后粉碎;
二、向氯化铁溶液中加入步骤一粉碎后的水稻秸秆,混合均匀后,放入恒温摇床中进行预处理,得到固液混合物;
三、将步骤二得到的固液混合物与厌氧污泥混合后置于厌氧瓶中,于氮气氛围保护和恒温的条件下进行厌氧发酵;
四、对厌氧发酵过程中产生的气体进行收集,得到甲烷。
2.根据权利要求1所述的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,步骤一中所述烘干的温度为50~70℃。
3.根据权利要求1所述的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,步骤一中烘干后粉碎至0.5cm~1cm。
4.根据权利要求1所述的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,步骤二中所述氯化铁溶液的浓度为0.25g/L~2g/L。
5.根据权利要求1所述的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,步骤二中所述氯化铁溶液的体积与步骤一粉碎后的水稻秸秆的质量的比为(90~110)mL:3g。
6.根据权利要求1所述的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,步骤二中所述恒温摇床温度设置为35℃~40℃,转速设置为100rpm~140rpm。
7.根据权利要求1所述的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,步骤三中所述固液混合物中的水稻秸秆与厌氧污泥的质量比1:(1~3)。
8.根据权利要求1所述的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,步骤三中所述恒温为35℃~40℃。
9.根据权利要求1所述的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,步骤三中所述厌氧发酵时间为28~38天。
10.根据权利要求1所述的一种氯化铁预处理强化木质纤维素厌氧发酵产甲烷的方法,其特征在于,步骤三中所述厌氧污泥为成熟厌氧消化污泥。
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