CN116769568A - 一种秸秆处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及农作物秸秆处理技术领域，尤其是涉及一种秸秆处理系统及方法，包括依次首尾连接的秸秆粉碎机、蒸汽爆破机、水解机构、厌氧发酵罐和发电机构，其中，所述水解机构包括水解池和所述水解池内设置的微纳米曝气机、微生物挂膜和加热盘管；所述发电机构与蒸汽爆破机、水解池和厌氧发酵罐反向连通。经本发明处理系统处理后的秸秆，纤维素、半纤维素结构均可得到最大程度的破坏，更易降解，经此处理后的秸秆再通过厌氧微生物的作用产生沼气，产气率可达487‑523L/kgVS，降解时间可缩短至28‑31d。因此，本发明的秸秆处理系统高效、节能，不存在二次污染问题，既解决了秸秆预处理的问题，又对能量进行了回收再利用。
Description
技术领域
本发明涉及农作物秸秆处理技术领域，尤其是涉及一种秸秆处理系统及方法。
背景技术
我国无论南方的水稻秸秆、能源作物，还是北方的玉米秸秆、小麦秸秆等，都有很大产量，属于农业废弃物，已经对环境产生了很大不利影响，且资源化利用难度很大，以秸秆作为原料利用厌氧发酵技术生产沼气是发展和填补秸秆资源化利用技术空白很好的发展方向。
但是，由于在木质纤维素类生物质的生物结构中，纤维素被木质素、半纤维素交织覆盖、包络，使得木质素成为生物质中纤维素与半纤维素进行生物降解的天然屏障。因此，秸秆中的纤维素分解难度大、时间大成为制约秸秆厌氧发酵生产沼气技术发展的瓶颈。
要提高生物质秸秆中半纤维素和纤维素的转化率，就必须把木质素、半纤维素剥离开来，消除其阻碍和占用纤维素分解酶的屏障作用，以增加生物质秸秆的孔隙率和酶对纤维素的可及性。目前，解决的方法就是在秸秆厌氧发酵前对秸秆进行预处理，破坏秸秆的内部结构，提高水解速率，从而提高秸秆的厌氧消化性能。
常见的预处理方法有物理、化学以及生物等途径，其在一定程度上均能够提供秸秆厌氧消化率和产气率，但是也各存在一定的局限性。其中，物理预处理方法，成本投入高，且单一使用效果有限；化学预处理方法，简单方便，处理效果好，但对设备要求比较高，且投加化学药剂也增加了处理成本，并可能造成二次污染；生物预处理方法，反应温和，能耗低，无需复杂设备，且不会带来环境污染，但其预处理时间长，占地面积大，需要高效的生物菌剂。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种秸秆处理系统及方法，该处理系统高效、节能，不存在二次污染问题，既解决了秸秆预处理的问题，又对能量进行了回收再利用。
第一方面，本发明提供一种秸秆处理系统，包括依次首尾连接的秸秆粉碎机、蒸汽爆破机、水解机构、厌氧发酵罐和发电机构，其中，所述水解机构包括水解池和所述水解池内设置的微纳米曝气机、微生物挂膜和加热盘管；所述发电机构与蒸汽爆破机、水解池和厌氧发酵罐反向连通。
在本发明的秸秆处理系统中，首先利用秸秆粉碎机对秸秆进行粉碎，经粉碎后的秸秆进入蒸汽爆破机，在蒸汽爆破机中，按照特定的压强和时间对秸秆进行爆破处理，爆破处理后的秸秆细胞壁和木质素坚固的结晶结构被破坏，更易被沼气发酵微生物降解，爆破处理后的秸秆进一步进入水解机构，而水解机构内设置有微纳米曝气机、微生物挂膜和加热盘管，其中，微纳米曝气机增加了溶解氧在水中的停留时间，有利于提高溶解氧的浓度，从而有利于兼氧水解酶的生存，同时，曝气时，水解池内的物料也会随气泡向上浮动，从而起到搅拌的作用；微生物挂膜则为水解酶和微生物提供了载体，从而有效增加了微生物的数量和活性，当物料流经微生物挂膜表面时，物料中的有机物及溶解氧向生物膜内部扩散，膜内微生物在有氧存在的情况下对有机物进行分解代谢和机体合成代谢，同时分解的代谢产物从生物膜扩散到水相和空气中，从而使物料中的有机物得以降解；而加热盘管可利用发电机构产生的余热为水解池进行加热，以进一步提高水解效果。最后，经水解池水解后的秸秆调配好浓度输送至厌氧发酵罐中发酵产生沼气，再进入发电机构，发电机构产生的烟气可回用至蒸汽爆破机、水解池和厌氧发酵罐。
研究表明，经本发明处理系统处理后的秸秆，纤维素、半纤维素结构均可得到最大程度的破坏，更易降解，经此处理后的秸秆再通过厌氧微生物的作用产生沼气，产气率可达487-523L/kgVS，降解时间可缩短至28-31d。整套系统高效、节能，既解决了秸秆预处理的问题，又回收了能量进行再利用。
作为本技术方案优选地，所述微纳米曝气机的曝气头均匀布置在水解池的池底，且相邻曝气头之间的间距为20-40cm，并且，可将制成气泡的直径控制在5-30μm，由此产生的微纳米气泡小、密而均匀，不仅提高了溶解氧的浓度，而且水解池中的物料也可随气泡向上浮动，增加了对水解池内物料的扰动，水解池内也无需再单独设置搅拌器。
为进一步提供物料与微生物挂膜的相关作用面积，本发明所使用的微生物挂膜包括多个树枝状微生物挂膜支架，树枝状微生物挂膜支架包括主杆和多个支杆，多个支杆交错设置在主杆上，每个支杆上间隔设置有多个生物挂膜，相邻所述生物挂膜之间的间距为20-40cm，每个生物挂膜上均通过载体设置有微生物。
具体地，载体应选用表面粗糙、多孔、亲水的材质，以利于微生物的附着和固定，微生物附着在载体表面形成生物膜。当物料流经载体表面时，物料中的有机物及溶解氧向生物膜内部扩散，膜内微生物在有氧存在的情况下对有机物进行分解代谢和机体合成代谢，同时分解的代谢产物从生物膜扩散到水相和空气中，从而使物料中的有机物得以降解。
作为本技术方案优选地，所述加热盘管螺旋设置在所述水解池的内部。并且，发电机构中发电机产生的余热可回用于加热盘管，进而通过加热盘管为水解池加热，保证池内温度在38-42℃之间。
因此，本发明的水解池内动静结合，微纳米曝气机为水解池内提供氧气同时也能搅动物料，防止堆积，微生物挂膜则为微生物附着固定提供了载体，二者结合为水解微生物与秸秆接触提供了充足的时间与空间，再得益于步蒸汽爆破机，对本身结构已破坏的秸秆更容易降解，从而彻底解决了秸秆难降解、浮渣结壳等技术难题。
第二方面，本发明还提供了使用上述的秸秆处理系统处理秸秆的方法，也理应属于本发明的保护范围，具体包括以下步骤：
S1、将粉碎后的秸秆输送至蒸汽爆破机中进行爆破处理；
S2、经爆破处理后的秸秆输送至水解池中进行水解处理；
S3、经水解处理后的秸秆调配好浓度后，输送至厌氧发酵罐中进行厌氧发酵；
其中，所述水解池中，经微纳米曝气机产生的气泡直径为5-30μm。
作为本技术方案优选地，步骤S1中，所述粉碎时，选择无霉变、无腐烂、无明显杂质的秸秆粉碎至1-3cm。
作为本技术方案优选地，步骤S1中，所述爆破处理时，温度为160-200℃，蒸汽爆破机的压力1.6-1.8Mpa，持续时间为5-10min。
经粉碎后的秸秆利用皮带输送机或绞龙输送至蒸汽爆破机，蒸汽爆破机可根据秸秆处理量的大小选择型号。具体地，爆破处理时，控制处理温度为160-200℃，反应器内压力上升至1.6-1.8Mpa，持续5min-10min后，突然释放压力，由于压力的急剧下降，原料细胞内的水分蒸发，原料的体积迅速膨胀，使得细胞壁和木质素坚固的结晶结构被破坏，因而更易被沼气发酵微生物降解。
爆破后的秸秆呈分散状、色泽为黄褐色或褐色、同时伴有焦糖香味。蒸汽爆破机中所使用的蒸汽来自沼气发电机产生的烟气回收利用，既节能减排又可降低运行成本。
作为本技术方案优选地，步骤S2中，所述水解时，控制水解池内的温度为38-42℃。
作为本技术方案优选地，步骤S3中，所述厌氧发酵时，控制厌氧发酵的浓度为10-12％，温度为38-42℃。
作为本技术方案优选地，步骤S3中，所述厌氧发酵生成的沼气经沼气管道输送至发电机构，所述发电机构中内燃机产生的烟气经余热回收回用至蒸汽爆破机、水解池和厌氧发酵罐。
最后，经过水解处理后的秸秆调配好浓度(含固率TS10％-12％)，即可进料，经过厌氧发酵产生沼气，再进入发电机构。发电产生的烟气可回收再利用，而烟气可分为蒸汽型和热水型，蒸汽供蒸汽爆破机使用，热水则为水解池和厌氧发酵罐提供热量，保证其38-42℃的发酵温度。
本发明的秸秆处理系统，至少具有以下技术效果：
1、本发明的秸秆处理系统包括依次首尾连接的秸秆粉碎机、蒸汽爆破机、水解机构、厌氧发酵罐和发电机构，经粉碎后的秸秆进入蒸汽爆破机，在蒸汽爆破机中，按照特定的压强和时间对秸秆进行爆破处理，爆破处理后的秸秆细胞壁和木质素坚固的结晶结构被破坏，更易被沼气发酵微生物降解，爆破处理后的秸秆进一步进入水解机构，而水解机构内设置有微纳米曝气机、微生物挂膜和加热盘管，其中，微纳米曝气机可维持水解池内呈兼氧状态；微生物挂膜则为水解酶和微生物提供了载体，从而有效增加了微生物的数量和活性；而加热盘管可利用发电机构产生的余热为水解池进行加热，以进一步提高水解效果。因此，经本发明处理系统处理后的秸秆，纤维素、半纤维素结构均可得到最大程度的破坏，更易降解，经此处理后的秸秆再通过厌氧微生物的作用产生沼气，产气率可达487-523L/kgVS，降解时间可缩短至28-31d；
2、本发明的秸秆处理系统高效、节能，不存在二次污染问题，既解决了秸秆预处理的问题，又对能量进行了回收再利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明秸秆处理系统的示意图；
附图标记
1：秸秆粉碎机；2：蒸汽爆破机；3：水解池；4：微纳米曝气机；5：微生物挂膜；6：厌氧发酵罐；7：发电机构；8：曝气头。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将结合实施例对本发明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
如图1所示，本实施例提供了一种秸秆处理系统，包括依次首尾连接的秸秆粉碎机1、蒸汽爆破机2、水解机构、厌氧发酵罐6和发电机构7，其中，所述水解机构包括水解池3和所述水解池3内设置的微纳米曝气机4、微生物挂膜5和加热盘管。
水解池3内的物料及微生物移动并附着在微生物挂膜5载体的表面，然后附着在载体上的微生物对有机物进行降解，并发生代谢、生长、繁殖等过程，并逐渐在载体的局部区域形成薄的生物膜，这层生物膜具有生化活性，又可进一步吸附、分解物料中的有机物，直至最后形成一层将载体完全包裹的成熟的生物膜；而相邻曝气头8之间的间距为30cm，开启微纳米曝气机4，为可微生物生长提供氧气，同时也可以起到搅拌物料的作用；加热盘管螺旋设置在水解池3的内部，开启加热盘管，可使水解池3温度维持在38-42℃之间。
最后，经水解池3水解后的秸秆调配好浓度输送至厌氧发酵罐6中发酵产生沼气，再进入发电机构7，发电机构7产生的烟气可回用至蒸汽爆破机2、水解池3和厌氧发酵罐6。
本发明使用上述秸秆处理系统对秸秆处理效果进行了研究，其中，表1为相关测试结果。
实施例2
S1、将农作物秸秆粉碎至1-3cm，粉碎后的秸秆输送至蒸汽爆破机2中，控制处理温度为160℃，压力为1.6Mpa，持续5min；
S2、经爆破处理后的秸秆输送至实施例1中的水解池3中，
S3、经水解处理后的秸秆调配进料浓度为10-12％后，输送至厌氧发酵罐6，分5天注满发酵罐，开启加热系统，使发酵罐温度维持在38-42℃；
观察记录每天的产气率，直至不再产气。
该实施例经过31天的厌氧发酵，平均产气率可达487L/kgVS。
实施例3
S1、将农作物秸秆粉碎至1-3cm，粉碎后的秸秆输送至蒸汽爆破机2中，控制处理温度为200℃，压力为1.8Mpa，持续10min；
S2、经爆破处理后的秸秆输送至实施例1中的水解池3中，
S3、经水解处理后的秸秆调配进料浓度为10-12％后，输送至厌氧发酵罐6，分5天注满发酵罐，开启加热系统，使发酵罐温度维持在38-42℃；
观察记录每天的产气率，直至不再产气。
该实施例经过28天的厌氧发酵，平均产气率可达523L/kgVS。
对照例1
未使用蒸汽爆破机2进行爆破处理；
水解池3内未设置微纳米曝气机4和微生物挂膜5，仅设置有加热盘管；
其他基本与实施例2相同。
观察记录每天的产气率，直至不再产气。
该对照例经过64天的厌氧发酵，平均产气率可达210L/kgVS。
对照例2
未使用蒸汽爆破机2进行爆破处理；
其他基本与实施例2相同。
观察记录每天的产气率，直至不再产气。
该对照例经过45天的厌氧发酵，平均产气率可达410L/kgVS。
对照例3
水解池3内未设置微纳米曝气机4和微生物挂膜5，仅设置有加热盘管；
其他基本与实施例3相同。
观察记录每天的产气率，直至不再产气。
该对照例经过38天的厌氧发酵，平均产气率可达386L/kgVS。
对照例4
水解池3内未设置微纳米曝气机4和微生物挂膜5，仅设置有加热盘管；
其他基本与实施例2相同。
观察记录每天的产气率，直至不再产气。
该对照例经过42天的厌氧发酵，平均产气率可达345L/kgVS。
对照例5
使用申请号为CN202221697871.X，发明名称为一种秸秆预处理反应器的预处理反应器对秸秆进行预处理；
厌氧发酵的条件同实施例2。
观察记录每天的产气率，直至不再产气。
该对照例经过46天的厌氧发酵，平均产气率可达391L/kgVS。
对照例6
参照申请号为CN201811312353.X，发明名称为一种秸秆水解酸化工艺，在水解池3底部放置生活污水污泥，替代实施例2中的微生物挂膜5；
其他基本与实施例2相同。
观察记录每天的产气率，直至不再产气。
该对照例经过36天的厌氧发酵，平均产气率可达456L/kgVS。
表1实施例2-3及对照例1-6的测试结果
由表1可知，经本发明实施例2-3处理后，秸秆整个发酵过程产气周期为28-31d，产气率为487-523L/kgVS，相比于对照例1中秸秆自然发酵产气率增加了132-149％，降解时间缩短了52-56％；相比对照例2中秸秆粉碎和水解的处理方式，产气率增加了19-28％，降解时间缩短了31-38％；相比于对照例3-4中秸秆粉碎和蒸汽爆破的处理方式，产气率增加了41-52％，降解时间缩短了26-33％。
而对照例5的工艺技术为“秸秆粉碎+水解”，该工艺主要适用于青贮秸秆，而对于纤维素、木质素含量更高的干黄秸秆则适用效果较差，因为纤维素、木质素的分子结构更为稳定，单纯依靠微生物破坏分子结构较为困难；另外其水解装置内设置有垂直搅拌器、斜插搅拌器、曝气系统以及加热盘管，与本发明相比则多了2台搅拌设备，耗能高；再者，其曝气系统采用的是普通曝气风机，气泡大，在水中停留时间短暂，对于氧气溶于水中未能起到充足的作用。而本发明中的微纳米曝气机所制成的气泡直径在5-30μm之间，增大了气泡面积，进而增加了气泡在水中的停留时间，有益于提高溶解氧浓度，从而利于兼氧水解酶的生存。同时微纳米气泡小、密且均匀，曝气头按照间隔20-40cm均匀布置，曝气时池内物料也可随气泡向上浮动，从而起到搅拌的作用，因此水解池内无需单独设置搅拌器。
对照例6的工艺技术为“秸秆粉碎+蒸汽爆破+水解”，虽与本发明技术路线类似，适用于干黄秸秆，但其处理效果仍低于本发明，这可能是因为：1、对照例6将活性污泥置于水解池底部，依靠曝气将污泥吹散至物料的中上部，但中上部缺乏载体，含有大量微生物的污泥无法在物料的中上部停留，从而导致物料无法充分水解。其虽增加了搅拌，但也无法完全取代载体的作用，这是因为微生物与分子发生反应需要时间和空间，在某种意义上讲是需要动静结合的状态；2、对照例6的加热方式为将蒸汽与空气混合，通过曝气管向水解池内通入热气，曝气的同时又可起到增温的作用。但是，该方式在曝气时，热气与活性污泥直接接触，如果热气温度起伏较大、无法有效控制，则会影响微生物的活性。相比，本申请的加热盘管采用的是热水形式，温度波动较小，不会对微生物的活性造成影响；3、对照例6相比本发明多了搅拌轮，耗能高，并且，其曝气系统采用的是普通曝气风机，气泡大，在水中停留时间短暂，对于氧气溶于水中未能起到充足的作用，而本发明中的微纳米曝气机所制成的气泡直径在5-30μm之间，增大了气泡面积，增加了气泡在水中的停留时间，有益于提高溶解氧浓度，从而利于兼氧水解酶的生存。同时，本申请的微纳米气泡小、密且均匀，曝气头按照间隔20-40cm均匀布置，曝气时池内物料也可随气泡向上浮动，从而起到搅拌的作用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (10)
1.一种秸秆处理系统，其特征在于，包括依次首尾连接的秸秆粉碎机(1)、蒸汽爆破机(2)、水解机构、厌氧发酵罐(6)和发电机构(7)，
其中，所述水解机构包括水解池(3)和所述水解池(3)内设置的微纳米曝气机(4)、微生物挂膜(5)和加热盘管；
所述发电机构(7)与蒸汽爆破机(2)、水解池(3)和厌氧发酵罐(6)反向连通。
2.根据权利要求1所述的秸秆处理系统，其特征在于，所述微纳米曝气机(4)上相邻曝气头(8)之间的间距为20-40cm。
3.根据权利要求1所述的秸秆处理系统，其特征在于，所述微生物挂膜(5)包括多个树枝状微生物挂膜支架，所述微生物挂膜支架上间隔设置有多个生物挂膜，所述生物挂膜上设置有微生物；
相邻所述生物挂膜之间的间距为20-40cm。
4.根据权利要求1所述的秸秆处理系统，其特征在于，所述加热盘管螺旋设置在所述水解池(3)的内部。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述的秸秆处理系统处理秸秆的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将粉碎后的秸秆输送至蒸汽爆破机(2)中进行爆破处理；
S2、经爆破处理后的秸秆输送至水解池(3)中进行水解处理；
S3、经水解处理后的秸秆调配好浓度后，输送至厌氧发酵罐(6)中进行厌氧发酵；
其中，所述水解池(3)中，经微纳米曝气机(4)产生的气泡直径为5-30μm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述粉碎时，选择无霉变、无腐烂、无明显杂质的秸秆粉碎至1-3cm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述爆破处理时，温度为160-200℃，蒸汽爆破机(2)的压力1.6-1.8Mpa，持续时间为5-10min。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述水解时，控制水解池(3)内的温度为38-42℃。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述厌氧发酵时，控制厌氧发酵的浓度为10-12％，温度为38-42℃。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述厌氧发酵生成的沼气经沼气管道输送至发电机构(7)，所述发电机构(7)中内燃机产生的烟气经余热回收回用至蒸汽爆破机(2)、水解池(3)和厌氧发酵罐(6)。
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