CN117143927A

CN117143927A - 一种农作物秸秆厌氧发酵方法

Info

Publication number: CN117143927A
Application number: CN202311388128.5A
Authority: CN
Inventors: 姚义清; 李非; 郝霄楠; 刘玉波
Original assignee: Shenzhen Research Institute Of Northwest University Of Agriculture And Forestry Science And Technology
Current assignee: Shenzhen Research Institute Of Northwest University Of Agriculture And Forestry Science And Technology
Priority date: 2023-10-25
Filing date: 2023-10-25
Publication date: 2023-12-01

Abstract

本发明属于厌氧发酵技术领域，涉及一种农作物秸秆厌氧发酵方法。本发明以农作物秸秆作为单一底物，通过高温湿法工艺，解决了农作物秸秆在厌氧发酵过程中易发生酸性产物过度积累造成的反应体系酸抑制甚至产气失败的问题，保证了厌氧发酵体系的稳定高效运行。本发明提供的高温湿法与中温湿法工艺相比，总固体降解率提高60.36%，挥发性固体降解率提高62%，收效显著。本发明为单一种类农作物秸秆在厌氧发酵过程中产生的酸抑制和产气失败的问题提供了一种切实可行的解决办法，为农作物秸秆的高值化利用提供一种可供参考的途径。

Description

一种农作物秸秆厌氧发酵方法

技术领域

本发明属于微生物发酵技术领域，涉及厌氧发酵技术领域，具体涉及一种农作物秸秆厌氧发酵方法。

背景技术

农作物秸秆作为木质纤维素类原料，富含纤维素、半纤维素和木质素等成分，含碳量高。当作物秸秆单底物进行厌氧发酵时，产气周期较长，由于底物含碳量高，易伴随产生较高浓度的挥发性脂肪酸，引起pH值的急剧下降，导致发酵系统出现酸抑制甚至产气失败的问题，最终导致厌氧发酵过程失败。为了解决此问题，通常将作物秸秆和畜禽粪便混合进行厌氧发酵，从而提高发酵系统的缓冲能力。比如专利CN105969835A公开了一种秸秆粪便联合发酵制甲烷的方法。但是由于粪便只能在畜牧场区获得，部分地区粪便原料供应不足，只能利用作物秸秆进行单底物厌氧发酵。因此，如何在以秸秆作为单底物情况下，获得一种能够维持稳定厌氧发酵的方法，在实际生产应用中具有现实必要性。

发明内容

为解决作物秸秆单底物厌氧发酵时系统出现酸抑制甚至产气失败的问题，本发明提供了一种农作物秸秆厌氧发酵方法。具体地，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种农作物秸秆厌氧发酵方法，以单一种类农作物秸秆作为厌氧发酵底物时，采用高温湿法发酵工艺维持厌氧发酵反应体系产气稳定；所述高温湿法发酵工艺的条件为：反应体系温度45℃~65℃、总固体含量3%~10%。

此外，所述厌氧发酵反应体系中还包括发酵接种物，所述发酵接种物为含厌氧微生物的沼液，所述沼液选自牛粪中温厌氧发酵后的沼液或沼气池的沼液；所述牛粪中温厌氧发酵制备沼液的方法：将鲜牛粪与水按照1:1的质量比混合，在35℃条件下恒温培养30天，即得牛粪中温厌氧发酵沼液；所述牛粪中温厌氧发酵沼液的相关指标：TS=6.61%±0.04，VS=4.75%±0.04。

进一步地，所述农作物秸秆需要在发酵前粉碎至粒径为2~3cm的颗粒。

进一步地，厌氧发酵反应体系的碳氮比为20:1~30:1。

进一步地，用于调节碳氮比的原料为：氯化铵或尿素。

另一方面，本发明还请求保护上述方法在农业废弃物无害化处理或资源化利用中的应用。

与现有技术相比，本发明“一种农作物秸秆厌氧发酵方法”具有以下有益效果：

本发明提供的方法，可以避免由农作物秸秆快速水解，酸性产物过度累积而引起的酸抑制和产气失败，能够维持厌氧发酵反应体系的稳定高效运行。

相较于中温（30~40℃）厌氧发酵，本发明微生物和相关酶的活性更高，作物秸秆的分解速度更快，从而具有更高的产气效率。

相较于总固体（TS）含量为15%~40%的半干法及干法厌氧发酵，本发明采用湿法厌氧发酵，反应体系固形物含量低，流动性较好，从而具备发酵进程启动迅速、传热均匀的优势，因此发酵过程稳定，产气效率高。

由于秸秆密度小、流动性差，若粒径过小又会使得反应器中容易出现秸秆漂浮分层现象，导致传热不均且微生物无法与原料充分接触；若粒径过大会使得厌氧微生物与底物的接触面积变小，降低厌氧发酵的反应速度。本发明经过优化，将农作物秸秆的粒径控制在2~3cm，从而能够实现底物与微生物充分接触，提升厌氧发酵效率。

农作物秸秆的含碳量较高，需要调节反应体系的碳氮比至合适的条件，本发明中将碳氮比调节至20:1~30:1，有助于提升厌氧发酵反应体系的产气量。

附图说明

图1为高温湿法组（55℃，TS=5%）在不同时间点挥发性脂肪酸含量变化图。

图2为高温干法组（55℃，TS=15%）在不同时间点挥发性脂肪酸含量变化图。

图3为中温湿法组（35℃，TS=5%）在不同时间点挥发性脂肪酸含量变化图。

图4为中温干法组（35℃，TS=15%）在不同时间点挥发性脂肪酸含量变化图。

图5为高温湿法组、高温干法组、中温湿法组、中温干法组的累计甲烷产量统计图。

图6为高温湿法组、高温干法组、中温湿法组、中温干法组的TS、挥发性固体（VS）降解率柱状图。

图7为偏高温湿法（50℃，TS=8%）和中温湿法（40℃，TS=8%）两种发酵条件下的累计甲烷产量统计图。

图8为高温湿法（60℃，TS=8%）和中温湿法（40℃，TS=8%）两种发酵条件下的累计甲烷产量统计图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

实施例中的玉米秸秆、小麦秸秆采集自陕西省杨凌区，水稻秸秆采集自江苏省连云港市，其他试验材料如无特殊说明均可通过购买得到。

实施例1

本实施例提供了高温湿法、高温干法、中温湿法、中温湿法在厌氧发酵过程中的各项指标的变化情况。

1.原料采集及处理：

采集玉米秸秆作为试验原料，自然风干至含水量约为7%，之后粉碎至粒径为2~3cm，密封保存备用。

接种物为牛粪中温厌氧发酵后的沼液。沼液制备方法：将未经晾干处理的鲜牛粪与水按照1:1的质量比混合均匀后，在35℃条件下恒温培养30天，即得到所需沼液。沼液的相关指标：TS=6.61%±0.04，挥发性固体（VS）=4.75%±0.04。

2.高温湿法厌氧发酵：

采用1L补料瓶作为厌氧发酵反应器，有效容积为600mL。试验设置湿法（TS=5%）和干法（TS=15%）两种底物浓度；设置高温（55℃）和中温（35℃）两种发酵温度，共计4个试验组，分别为：

高温湿法组（55℃，TS=5%）；高温干法组（55℃，TS=15%）；中温湿法组（35℃，TS=5%）；中温湿法组（35℃，TS=15%）。

沼液的接种量（基于VS）为30%，用NH₄Cl调节碳氮比为25:1。补水至有效体积并混合均匀，向厌氧发酵反应器通入氮气置换发酵反应器上层空间的气体，形成厌氧环境。每个试验组设置3个重复，每天将发酵反应器搅拌3次，每2天收集一次气体并测定甲烷体积，统计各组的累计甲烷产量；每2天测定一次挥发性脂肪酸含量，直至产气终止方停止该试验，另外，试验结束时测定各组发酵体系中的TS、VS含量。

试验结果：

高温湿法组（55℃，TS=5%）在不同时间点挥发性脂肪酸含量变化见图1，由图1可知，pH值随着挥发性脂肪酸含量的升高而呈下降趋势，在产酸量最高的第6天pH值降至最低，之后反应体系中产酸量下降，pH值再次上升，并在14天以及之后的时间维持在6.5~7.5之间。

高温干法组（55℃，TS=15%）在不同时间点挥发性脂肪酸含量变化见图2，由图2可知，高温干法的发酵条件使反应体系产生大量的挥发性脂肪酸，pH值随着挥发性脂肪酸含量增加而迅速下降，在发酵第4天及之后均在6.0以下，其中，在第8天pH值最低。

中温湿法组（35℃，TS=5%）在不同时间点挥发性脂肪酸含量变化见图3，对比图2、图3可知，中温干法的发酵条件使反应体系中挥发性脂肪酸的产量低于高温干法，pH值同样随着挥发性脂肪酸的积累而降低，在第2天以及之后均在6.0以下。

中温干法组（35℃，TS=15%）在不同时间点挥发性脂肪酸含量变化见图4，对比图2、图4可知，中温干法发酵条件较高温干法产生的乙酸更少，但是丙酸和丁酸的产量更高，pH值同样随着挥发性脂肪酸的积累而降低。

通常，pH值在6.5~7.5之间、总挥发性脂肪酸浓度在2000mg/L条件下，才能够维持发酵反应体系正常稳定运行。对比图1至图4可知，高温湿法组挥发性脂肪酸累积较少，pH值降低后逐步回升。其他试验组pH值急剧下降且之后一直保持在较低水平。其中，高温干法组和中温干法组挥发性脂肪酸大量累积，最高浓度达到16000mg/L左右。累积的挥发性脂肪酸中，又以乙酸和丁酸为主，故酸抑制有可能是乙酸和丁酸引起的。

各组的累计甲烷产量如图5所示。由图5可知，高温湿法组在不同时间点均能正常产生甲烷，其他试验组不产生甲烷。

各组的TS、VS的降解率如图6所示。由图6可知，各个试验组VS的降解率均高于TS，其中高温湿法组的TS、VS降解率最高。与中温湿法组相比，高温湿法组总固体降解率提高60.36%，挥发性固体降解率提高62%。

以上试验结果表明，高温湿法工艺解决了玉米秸秆单底物发酵过程中的酸抑制甚至产气失败的问题，加快了作物秸秆的降解，显著增强了厌氧发酵系统的稳定性。

实施例2

本实施例提供了偏高温湿法（50℃，TS=8%）和中温湿法（40℃，TS=8%）两种发酵条件下累计甲烷产量的变化情况。

1.原料采集及处理：

采集小麦秸秆作为试验原料，自然风干至含水量约为13%，之后粉碎至粒径为2~3cm，密封保存备用。小麦秸秆的相关指标：TS=78.31%，VS=86.87%，接种物为陕西省杨凌区农户沼气池中的沼液。

2.高温湿法厌氧发酵：

采用5L补料瓶作为厌氧发酵反应器。试验设置湿法（TS=8%）一种底物浓度。试验设置偏高温（50℃）和中温（40℃）两种发酵温度。沼液的接种量（基于VS）为20%，用尿素调节碳氮比为20:1进行厌氧发酵。向厌氧发酵反应器通入氮气置换发酵反应器上层空间的气体，形成厌氧环境。每个试验组设置3个重复，每天将发酵反应器搅拌3次；每2天收集一次气体并测定甲烷体积，统计各组的累计甲烷产量，直至产气终止方停止该试验。

试验结果：

偏高温和中温的累计甲烷产量如图7所示。由图7可知，相较于中温湿法工艺，偏高温湿法的累积甲烷产量在15天后明显更高，说明偏高温湿法发酵工艺能够保证厌氧发酵系统稳定产气。

实施例3

本实施例提供了高温湿法（60℃，TS=8%）和中温湿法（40℃，TS=8%）两种发酵条件下累计甲烷产量的变化情况。

1.原料采集及处理：

采集水稻秸秆作为试验原料，自然风干至含水量约为18%，之后粉碎至粒径为2~3cm，密封保存备用。水稻秸秆的相关指标为：TS=83.50%，VS=80.95%，接种物为陕西省杨凌区农户沼气池中的沼液。

2.偏高温湿法厌氧发酵：

采用5L补料瓶作为厌氧发酵反应器。试验设置湿法（TS=8%）一种底物浓度。试验设置高温（60℃）和中温（40℃）两种发酵温度。沼液的接种量（基于VS）为40%，用尿素调节碳氮比为30:1进行厌氧发酵。向厌氧发酵反应器通入氮气置换发酵反应器上层空间的气体，形成厌氧环境。每个试验组设置3个重复，每天将发酵反应器搅拌3次；每2天收集一次气体并测定甲烷体积，统计各组的累计甲烷产量，直至产气终止方停止该试验。

试验结果：

高温和中温的累计甲烷产量如图8所示。由图8可知，相较于中温湿法工艺，高温湿法的累积甲烷产量从始至终都更高，说明高温湿法发酵工艺能够保证厌氧发酵系统稳定产气。

以上所述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。在依据本发明构思的条件下本领域普通技术人员进行的相关推演和替换，在没有作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。

Claims

1.一种农作物秸秆厌氧发酵方法，其特征在于，以单一种类农作物秸秆作为厌氧发酵底物，采用高温湿法发酵维持厌氧发酵反应体系产气稳定；

所述高温湿法发酵的条件为：反应体系温度45℃~65℃、总固体含量3%~10%；

所述厌氧发酵反应体系中还包括发酵接种物，所述发酵接种物为含厌氧微生物的沼液，所述沼液选自牛粪中温厌氧发酵后的沼液或沼气池的沼液；

所述牛粪中温厌氧发酵制备沼液的方法：将鲜牛粪与水按照1:1的质量比混合，在35℃条件下恒温培养30天，即得牛粪中温厌氧发酵沼液；所述牛粪中温厌氧发酵沼液的相关指标：TS=6.61%±0.04，VS=4.75%±0.04。

2.根据权利要求1所述的农作物秸秆厌氧发酵方法，其特征在于，所述农作物秸秆需要在发酵前粉碎至粒径为2~3cm的颗粒。

3.根据权利要求2所述的农作物秸秆厌氧发酵方法，其特征在于，厌氧发酵反应体系的碳氮比为20:1~30:1。

4.根据权利要求3所述的农作物秸秆厌氧发酵方法，其特征在于，用于调节碳氮比的原料为：氯化铵或尿素。

5.权利要求1所述的农作物秸秆厌氧发酵方法在农业废弃物无害化处理或资源化利用中的应用。