CN111172198A - 一种木质纤维素生物质的沼液预处理及其产沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木质纤维素生物质的沼液预处理及其产沼气的方法；属于有机固体废弃物高效资源化利用领域。本发明解决了现有秸秆预处理过程中预处理成本高、可操作性较差、目前沼气工程沼液无法得到充分利用造成二次的环境污染等问题。本发明方法步骤a、将木质纤维素生物质烘干后粉碎；步骤b、厌氧发酵的出料沼液和水混匀，再加入经步骤a处理的木质纤维素生物质，室温下快速机械搅拌混合均匀，室温下静止处理24h，即完成预处理。采用本发明方法沼液预处理木质纤维素生物质(秸秆等)，提高木质纤维素生物质的可生化性，降低木质纤维素生物质木质素的含量，再利用厌氧发酵将其转化为沼气。
Description
技术领域
本发明涉及一种木质纤维素生物质的沼液预处理及其产沼气的方法，属于有机固体废弃物高效资源化利用领域。
背景技术
随着当前世界经济的发展，能源与环境问题日益突显，为了降低对化石能源的过度依赖、合理构建世界能源格局，清洁可再生能源成为世界各国的研究热点，并且被认为是未来能源经济发展的最终方向。木质纤维素是世界上最为丰富，最廉价的可再生资源，在地球上每年借光合作用形成的近2000亿吨植物生物量中占多数的是植物纤维素，其中89％尚未被人们利用。农作物秸秆作为一类重要的生物质资源，在我国的年产量居于世界之首，如此丰富的生物质资源为生物质能源的生产提供了低廉稳定的底物来源。若利用微生物技术及其他新技术将木质纤维素生产可再生燃料，不仅满足对能源的迫切需求，而且缓解了环境与气候问题，还能改善当今能源结构组成，促进社会经济的可持续发展。然而，秸秆类生物质在天然进化过程中形成了多种保护系统，演变出木质纤维素复杂的结构和化学机制，形成严密的结构屏障，以抵御微生物及周围环境对其结构的攻击破坏，因此在利用这类物质前，有效的预处理是必要的，在众多秸秆类生物质利用的工艺过程中，最大的技术障碍是预处理环节的费用过于昂贵，这严重制约着秸秆类生物质的工业化广泛应用的进程。因此，开发一种低成本、低环境影响、易于操作的预处理方法对于提高秸秆类生物质的利用至关重要。
近年来，生物预处理因其预处理条件相对温和，预处理效果好，且能耗低，无污染，成为研究热点。但菌种(白腐真菌、复合菌系)的培养复杂，预处理时间长，很难用于工程生产。近年来，随着我国大中型沼液工程的建设，每年都会产生大量的沼液，同时由于配套的利用设施不足，造成大量的沼液成为二次污染源。而沼液中含有大量的木质纤维素降解微生物菌种和氮、磷、钾及有机物等，同时含有大量的微生物，用作生物预处理菌剂，即可减少环境污染，节省预处理成本，又可提高消化系统缓冲能力，进而提高厌氧消化效率。但目前对于沼液预处理秸秆生物质的研究尚少，且大多数研究处于批式研究阶段。
发明内容
本发明目的是提供一种利用廉价可操作性及规模化应用的木质纤维素生物质的沼液预处理及其产沼气的方法；以解决现有秸秆预处理过程中预处理成本高、可操作性较差、沼液无法得到充分利用造成二次的环境污染等问题。
为解决上述技术问题，本发明中一种木质纤维素生物质的沼液预处理方法是按下述步骤进行的：
步骤a、将木质纤维素生物质烘干后粉碎；
步骤b、厌氧发酵的出料沼液和水混匀，再加入经步骤a处理的木质纤维素生物质，室温(20～30℃)下快速机械搅拌混合均匀，室温下静止处理24h，即完成预处理。
进一步地限定，步骤a所述木质纤维素生物质为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆或者草类等。
进一步地限定，步骤a中粉碎后过10～60目筛再进行步骤b。
进一步地限定，步骤b中按木质纤维素生物质的重量与沼液的体积为(5～20):100的比例加入经步骤a处理的木质纤维素生物质。
进一步地限定，步骤b中沼液与水的体积比为4：1或3：2。
进一步地限定，步骤b中的搅拌速度100r/min～500r/min。
步骤b中静止在室温下进行处理，可以密闭或敞开容器进行。
本发明中木质纤维素生物质沼液预处理后进行产沼气转化的方法是按下述步骤进行的：
以上述的预处理方法处理的木质纤维素生物质为底物，加温至厌氧发酵所需的温度条件并搅拌均匀；然后进入半连续流的厌氧发酵装置进行产沼气实验，测定产气量及气体成分组成。
本发明的有益效果：
采用本发明的方法，增加沼气产量即原料产气率。
本发明的方法简单，易操作，降低预处理的成本同时增加沼气工程的整体运行费用，另外解决秸秆综合利用难的问题。
本发明的方法尤其适合农作物及畜禽养殖集中地区对农作物秸秆进行资源化利用。
采用本发明方法沼液预处理木质纤维素生物质(秸秆等)，提高木质纤维素生物质可生化性，降低木质纤维素生物质木质素的含量，再利用厌氧发酵将其转化为沼气，为提高秸秆类生物的高效地利用和解决大中型沼气工程中沼液利用问题提供技术理论依据和新思路。
附图说明
图1是日产气量和容积产气率随时间及进料负荷的变化关系图；
图2是气体组成成份随时间变化图；
图3是原料产气率及产沼率随时间变化图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中一种木质纤维素生物质的沼液预处理方法是按下述步骤进行的：
步骤a、将玉米秸秆在60℃条件下烘干后粉碎，过40目筛；
步骤b、将厌氧发酵产生的沼液作为预处理菌剂；然后分别按固液比5:100、10:100、20:100的比例加入经步骤a处理的水稻秸秆，在室温(20～30℃)条件下以300r/min的速度进行快速搅拌处理2min，静止放置处理24h。
本实施方式中木质纤维素生物质沼气转化的方法是按下述步骤进行的：
以上述的沼液预处理方法处理的木质纤维素生物质为底物，底物量为50g/L，沼液：水＝4:1，室温下预处理24h，然后加热到38℃，搅拌均匀，进入半连续流推流式厌氧反应器进行厌氧发酵产甲烷，测气体产量及组成，反应器连续运行120d。
所述沼液为每日反应器出料，按体积比，沼液：水＝4:1；
结果
表1玉米秸秆在室温下沼液预处理24小时后的性能。
a组成为预处理前后固体组分的百分比
通过表1得出，通过对沼液和水不同的比例对玉米秸秆进行预处理的探讨得出，沼液的添加量越大预处理效果越好即木质素的去除率越好，同时底物向挥发酸的转化越好。同时随着干物质含量的增加预处理效果减弱。因此在后续的半连续流运行推流式厌氧发酵反应器时，每日的进料底物选择沼液与水为4:1的比例进行对玉米秸秆预处理。
为了验证沼液预处理的效果，预处理后的玉米秸秆作为底物进行在有效容积为36L的半连续流推流式厌氧反应器内进行产甲烷实验，实验周期为120d。通过图1，图2，图3可以得出，在反应器运行到稳定期时，日产气量稳定在40.83L/d，容积产气率为1.13Lbiogas/L reactor，甲烷含量为57.90％，原料产气率和原料产沼率分别为0.41m3/kgTS(0.36m3/kg VS)and 0.24m3/kg TS(0.21m3/kg VS)。
Claims (7)
1.一种木质纤维素生物质的沼液预处理方法，其特征在于该木质纤维素生物质的沼液预处理方法是按下述步骤进行的：
步骤a、将木质纤维素生物质烘干后粉碎；
步骤b、厌氧发酵的出料沼液和水混匀，再加入经步骤a处理的木质纤维素生物质，室温下快速机械搅拌混合均匀，室温下静止处理24h，即完成预处理。
2.根据权利要求1所述一种木质纤维素生物质的沼液预处理方法，其特征在于步骤a所述木质纤维素生物质为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆或者草类。
3.根据权利要求1所述一种木质纤维素生物质的沼液预处理方法，其特征在于步骤a中粉碎后过10目～60目筛。
4.根据权利要求1所述一种木质纤维素生物质的沼液预处理方法，其特征在于步骤b中按木质纤维素生物质的重量与沼液的体积为(5～20):100的比例加入经步骤a处理的木质纤维素生物质。
5.根据权利要求1所述一种木质纤维素生物质的沼液预处理方法，其特征在于步骤b中沼液与水的体积比为4：1或3：2。
6.根据权利要求1所述一种木质纤维素生物质的沼液预处理方法，其特征在于步骤b中的搅拌速度100r/min～500r/min。
7.根据权利要求1-6任意一项权利要求所述方法预处理后的木质纤维素生物质产沼气的方法，其特征在于产沼气的方法是按下述步骤进行的：
以预处理后的木质纤维素生物质为底物，加温至厌氧发酵所需的温度条件并搅拌均匀；然后进入半连续流的厌氧发酵装置进行产沼气。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200519 |