專(zhuān)利名稱(chēng)：生物質(zhì)預(yù)處理方法及生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制沼氣的方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固體廢物處理與資源化領(lǐng)域技術(shù)。特別是生物質(zhì)預(yù)處理方法及生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制沼氣的方法與設(shè)備。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量秸稈，樹(shù)木產(chǎn)品制作過(guò)程中產(chǎn)生大量的鋸末樹(shù)皮及邊角料等生物質(zhì)廢物，尤其是農(nóng)業(yè)秸稈常被作為廢物就地焚燒污染環(huán)境。另一方面，生物質(zhì)中又含有大量的有機(jī)物，是豐富的資源，有關(guān)生物質(zhì)的資源化已有很多探索。其中，要制成純度高的產(chǎn)品則往往成本高，難于實(shí)用。而作為燃料直接燃燒，小規(guī)模則易污染，大規(guī)模則由于能量密度低，難于高效率利用。在農(nóng)村的農(nóng)戶(hù)將其直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，雖簡(jiǎn)單易行，但因速度慢且轉(zhuǎn)化率低，所以難于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；幚砗屠?。而要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化厭氧發(fā)酵制沼氣，則需解決轉(zhuǎn)化率低，速度慢和所產(chǎn)生廢液的處理問(wèn)題。要解決這些問(wèn)題就必須進(jìn)行預(yù)處理和高效發(fā)酵。傳統(tǒng)的預(yù)處理有酸解，堿解與水熱反應(yīng)等，但一般都成本較高，且所加入的化學(xué)藥劑對(duì)后續(xù)的殘?jiān)脦?lái)不良影響。由于甲烷發(fā)酵的菌體繁殖速度慢，傳統(tǒng)的秸稈發(fā)酵過(guò)程中又難于將菌體與排出物分離，從而很難使菌體在反應(yīng)器中保持高濃度，所以，致使發(fā)酵速度慢，反應(yīng)器的容積效率低。
因此，探索包括植物秸稈在內(nèi)的生物質(zhì)高效可綜合利用的厭氧發(fā)酵制沼氣的預(yù)處理方法和設(shè)備，對(duì)于開(kāi)拓生物質(zhì)的利用途徑，從工程角度實(shí)現(xiàn)其資源化具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供將木材，植物秸稈等生物質(zhì)高效厭氧發(fā)酵制取沼氣，并使其綜合利用不產(chǎn)生廢物的生物質(zhì)預(yù)處理方法及生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制沼氣的方法與設(shè)備，該發(fā)明具有高效率不產(chǎn)生廢物的特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的。一種秸稈等生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制沼氣的預(yù)處理方法，其特征是至少包括如下步驟
1) 將生物質(zhì)處理成3 40mm的短節(jié)；
2) 將短節(jié)在水溫15 8(TC中浸泡15 90分鐘；
3) 將所浸泡后的短節(jié)撕碎成碎片；
4) 將所撕碎成的碎片在加熱或加熱加壓的條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)；
5) 將水熱反應(yīng)后的秸稈進(jìn)行壓搾得到糖化液和糖化渣。
通過(guò)所述預(yù)處理得到易于發(fā)酵的糖化液和糖化秸稈渣，為后續(xù)的厭氧發(fā)酵制取沼氣的高轉(zhuǎn)化率，快速進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。秸稈的浸潤(rùn)在水溫15 8(TC條件下進(jìn)行，不僅浸潤(rùn)速度加快，也能提高浸潤(rùn)效果。
所述秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣的預(yù)處理方法中所述的步驟3)用相對(duì)線(xiàn)速度不同的兩個(gè)轉(zhuǎn)輥實(shí)現(xiàn)，所用設(shè)備至少由線(xiàn)速度不同的兩個(gè)圓輥，電動(dòng)機(jī)，機(jī)殼及物料的進(jìn)口和出口組成。通過(guò)這種相對(duì)線(xiàn)速度不同的兩個(gè)轉(zhuǎn)輥將膨潤(rùn)的秸稈用很小的動(dòng)力將其撕裂，大幅提高了比表面積，但又不被粉碎，便于后續(xù)的固液分離。而且在濕狀態(tài)下的撕碎效果要優(yōu)于干狀態(tài)。
所述秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣的預(yù)處理方法中所述的步驟4)的過(guò)程中按達(dá)到總重量(該總重量是包括生物質(zhì)、水和酸的所有物質(zhì)，本發(fā)明都簡(jiǎn)稱(chēng)為總重量)的0.05 1.0%比例加入硝酸，并在80 18(TC，反應(yīng)10 120分鐘。加入硝酸提高了水熱反應(yīng)的效果，同時(shí)也不會(huì)對(duì)后續(xù)發(fā)酵沼渣的肥料利用產(chǎn)生不利影響。
所述秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣的預(yù)處理方法中的步驟5)所用設(shè)備，其特征在于所采用的壓搾機(jī)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓輥組成，該圓輥上開(kāi)有溝槽，溝槽內(nèi)開(kāi)有貫通圓輥壁通向圓輥內(nèi)側(cè)的孔或不開(kāi)溝槽和孔，或在輥上只開(kāi)孔不開(kāi)溝槽；或該壓榨機(jī)是螺旋壓濾機(jī)；或該壓榨機(jī)是皮帶壓濾機(jī)。通過(guò)這些壓搾裝置能夠很好地將預(yù)處理后的秸稈固液分離，以便后續(xù)發(fā)酵。
所述秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣的預(yù)處理方法中的步驟3)得到的撕碎后的秸稈在超聲波裝置中按達(dá)到總重量的O. 05 1. 0%比例加入硝酸等無(wú)機(jī)酸，在超聲波密度為O. 2 3. 0W/cm2的條件下，作用時(shí)間20 300秒后再進(jìn)行步驟4)和5)的反應(yīng)。在超聲波的作用下，硝酸等無(wú)機(jī)酸能夠很快地滲透到秸稈內(nèi)部，為后續(xù)的水熱反應(yīng)奠定基礎(chǔ)。
所述秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣的預(yù)處理方法中步驟2)就按達(dá)到總重量的O. 05 1. 0%比例加入硝酸等無(wú)機(jī)酸。在加入水的同時(shí)加入硝酸，雖對(duì)裝置的防腐要求提高，增加了裝置材質(zhì)的成本，但簡(jiǎn)化了操作程序。
所述秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣的預(yù)處理方法中所述添加的酸為硝酸或鹽酸或硫酸或磷酸，或硝酸，鹽酸，硫酸或磷酸的各種混合酸。加入酸提高水解的效果，各種酸如配比適當(dāng)則可減
5輕一種離子的濃度，既能保證水解效果又能避免單種離子濃度過(guò)高。
所述預(yù)處理壓搾得到的糖化液進(jìn)行甲烷發(fā)酵，該發(fā)酵完畢后的發(fā)酵液返送到所述的預(yù)處理工程2)或4)或前述的超聲波處理工序，對(duì)其進(jìn)一步再分解。這樣使得發(fā)酵液中的難降解物被預(yù)處理過(guò)程分解變成生物易降解物質(zhì)，在后續(xù)的循環(huán)過(guò)程中被生物分解，實(shí)現(xiàn)了液體的循環(huán)而又無(wú)生物難降解物的積累。
所述預(yù)處理得到的糖化秸稈渣不經(jīng)發(fā)酵直接作肥料使用；或進(jìn)行甲烷發(fā)酵，發(fā)酵后，采用壓搾設(shè)備壓搾，壓搾之后發(fā)酵渣排出作肥料使用，同時(shí)液體返送回預(yù)處理工序2)或4)或超聲波處理工序，對(duì)其進(jìn)一步再分解；發(fā)酵后不壓搾，全部作肥料使用。
所述的預(yù)處理得到的糖化液經(jīng)甲烷發(fā)酵后，發(fā)酵液的一部分，加入到前述糖化秸稈渣甲烷發(fā)酵系統(tǒng)中。通過(guò)糖化液的發(fā)酵液加入糖化秸稈渣發(fā)酵系統(tǒng)使得渣的發(fā)酵系統(tǒng)中補(bǔ)充了厭氧菌，加快渣的發(fā)酵速度。
以上為敘述簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，主要以秸稈為代表敘述了本發(fā)明中生物質(zhì)的預(yù)處理與發(fā)酵內(nèi)容，而在本發(fā)明中，生物質(zhì)包括農(nóng)作物秸稈，樹(shù)木材料，雜木，雜草類(lèi)等植物類(lèi)的材料，所述秸稈的內(nèi)容也包括了樹(shù)木材料，雜木，雜草類(lèi)等植物類(lèi)的材料。
本發(fā)明通過(guò)秸稈的預(yù)處理提高了其生物可降解性，加快了發(fā)酵速度。通過(guò)預(yù)處理后的固體和液體的分別發(fā)酵大大提高了發(fā)酵效率，通過(guò)發(fā)酵液的再次水熱反應(yīng)循環(huán)發(fā)酵，避免了大量廢液的排放，整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)行，并大幅提高了生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例l.
如圖1所示，將生物質(zhì)l (本例中為玉米秸稈)經(jīng)破碎機(jī)(圖中未表示)破碎到20mm，送入浸潤(rùn)槽2，按秸稈重量含量25%的比例加入水3，在45'C下浸泡1小時(shí)。之后將其送入撕碎機(jī)4，在兩個(gè)線(xiàn)速度不同的圓輥的作用下，將浸潤(rùn)的秸稈撕成薄片后，送入超聲波滲透器5，并按達(dá)到總重量0.65%的比例加入硝酸(圖中6)，超聲波作用2.5分鐘。之后送入水熱反應(yīng)器7
6，138'C條件下進(jìn)行1小時(shí)的水熱反應(yīng)，將秸稈分解成生物易分解物質(zhì)。水熱反應(yīng)后的物料送入壓搾機(jī)8 ，將其分離成糖化液9和糖化秸稈渣14。糖化液9送入酸發(fā)酵罐10將生物易降解物發(fā)酵生成有機(jī)酸后送入甲烷發(fā)酵罐ll進(jìn)行甲烷發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣12送往凈化工序和用戶(hù)。發(fā)酵液根據(jù)具體情況分別作為13a返送回浸潤(rùn)槽2作浸潤(rùn)液體使用，返送到超聲波滲透槽作為稀釋液13b使用，返送到水熱反應(yīng)器作調(diào)節(jié)液13c使用，作為13d與糖化渣混合送到糖化秸稈渣厭氧發(fā)酵罐15進(jìn)行厭氧發(fā)酵。糖化秸稈渣發(fā)酵后送入壓搾機(jī)16分離出液體后，該液體分別以17a， 17b， 17c送入浸潤(rùn)槽2，超聲波滲透器5和水熱反應(yīng)罐7循環(huán)利用和分解。壓搾機(jī)16分離出液體后的發(fā)酵渣18作肥料使用。超聲波能量密度為1.0W/cm2。水熱反應(yīng)后的秸稈在壓搾前先簡(jiǎn)單濾水(圖中未表示)，再進(jìn)行壓搾，濾水得到的液體和壓搾得到的液體混合作為糖化液使用。壓搾機(jī)為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓輥組成，該圓輥上開(kāi)有溝槽，溝槽內(nèi)開(kāi)有貫通圓輥壁通向圓輥內(nèi)側(cè)的孔。玉米秸稈糖化液可在48小時(shí)以?xún)?nèi)發(fā)酵完成，反應(yīng)器內(nèi)可達(dá)到20kg-C0D/(m3 d)以上，秸稈轉(zhuǎn)化率69%。與不經(jīng)水熱反應(yīng)相比，秸稈轉(zhuǎn)化率提高30%，發(fā)酵速度提高2倍以上，液相發(fā)酵的容積負(fù)荷提高3倍以上。實(shí)施例2:
處理系統(tǒng)如圖l所示，所不同的是用小麥秸稈(切碎到40mm)與木材鋸末的混合物(按重量比，小麥秸稈:木材鋸末為2:1)將其送入浸潤(rùn)槽，并在浸潤(rùn)槽中就按達(dá)到總重量O. 2%的比例加入硝酸和按總重量比0.05%的比例加入磷酸，在8(TC，浸潤(rùn)15分鐘，再在超聲波能量密度1.0W/cm2下作用45秒鐘，然后18(TC進(jìn)行水熱反應(yīng)10分鐘。預(yù)處理物的壓榨機(jī)為皮帶壓濾機(jī)。糖化渣發(fā)酵后不經(jīng)壓搾直接作肥料使用。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率為52%。與不經(jīng)水熱反應(yīng)相比，發(fā)酵速度提高2倍以上，液相發(fā)酵的容積負(fù)荷提高2倍以上。
實(shí)施例3:
將破碎到10mm的水稻秸稈與3mm的木薯稈(按重量比，水稻秸稈木薯稈為2:1)送入如圖l所示系統(tǒng)的浸潤(rùn)槽，進(jìn)行水熱反應(yīng)和甲烷發(fā)酵。所不同的是在浸潤(rùn)槽內(nèi)按達(dá)到總重量0.2%的比例加入硝酸，0.05%的比例加入硫酸，0.01%的比例加入鹽酸，0.02%的比例加入磷酸，在6(TC下浸潤(rùn)2h，經(jīng)撕碎后，在超聲波能量密度為3W/cm2的條件下，作用20秒鐘。水熱反應(yīng)溫度為13(TC，時(shí)間2小時(shí)。壓搾用螺旋壓濾機(jī)。糖化渣不經(jīng)發(fā)酵直接作肥料使用。液相反應(yīng)器內(nèi)可達(dá)到18kg-C0D/(m3 d)以上，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率達(dá)到66%，與混合發(fā)酵相比較，液相
7發(fā)酵容積負(fù)荷提高2. 5倍以上。實(shí)施例4:
將破碎到35mm的玉米秸稈送入如圖l所示系統(tǒng)的浸潤(rùn)槽，按達(dá)到總重量O. 6%的比例加入硝酸，0. 1%的比例加入磷酸，0.05%的比例加入硫酸，0.05%的比例加入鹽酸，4(TC浸潤(rùn)1.5小時(shí)。經(jīng)撕碎后，不經(jīng)超聲波作用直接進(jìn)行水熱反應(yīng)在15(TC，時(shí)間2小時(shí)后用圓輥上開(kāi)有溝槽，溝槽內(nèi)開(kāi)有貫通圓輥壁通向圓輥內(nèi)側(cè)的孔的壓搾機(jī)壓搾出糖化液后，進(jìn)行液相酸化和甲烷發(fā)酵。糖化渣中加入糖化液的發(fā)酵液后進(jìn)行甲烷發(fā)酵，發(fā)酵渣再通過(guò)螺旋壓搾機(jī)壓搾出液體返送到浸潤(rùn)槽循環(huán)分解，發(fā)酵渣作肥料使用。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率達(dá)到68%以上。
實(shí)施例5:
將破碎到35mm的玉米秸稈送入如圖1所示系統(tǒng)的浸潤(rùn)槽，按達(dá)到總重量1. 0%的比例加入硝酸，4(TC浸潤(rùn)1.5小時(shí)，經(jīng)撕碎后，在超聲波能量密度為2.8W/cm2的條件下，作用3分鐘。之后在8(TC，水熱反應(yīng)2小時(shí)。之后用圓輥上開(kāi)有貫通圓輥壁通向圓輥內(nèi)側(cè)的孔的壓榨機(jī)壓搾出糖化液后，進(jìn)行液相酸化和液相甲烷發(fā)酵。糖化渣中加入糖化液的發(fā)酵液后進(jìn)行甲烷發(fā)酵，發(fā)酵渣再通過(guò)螺旋壓搾機(jī)壓搾出液體返送到浸潤(rùn)槽循環(huán)分解，發(fā)酵渣作肥料使用。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%。
實(shí)施例6:
將破碎到20mm的玉米秸稈和水稻秸稈，按重量比2: l送入如圖l所示系統(tǒng)的浸潤(rùn)槽，在15-18。C下浸泡1.5小時(shí)后，經(jīng)撕碎機(jī)撕碎后，按達(dá)到總重量0.05%的比例加入硝酸，經(jīng)超聲波能量密度為0.2W/cm2，作用5分鐘。之后16(TC條件下進(jìn)行45分鐘水熱反應(yīng)后用圓輥上開(kāi)有溝槽，溝槽內(nèi)開(kāi)有貫通圓輥壁通向圓輥內(nèi)側(cè)的孔的壓搾機(jī)壓搾出糖化液后，進(jìn)行液相酸化和甲烷發(fā)酵。糖化渣中加入糖化液的發(fā)酵液后進(jìn)行甲烷發(fā)酵，發(fā)酵渣再通過(guò)螺旋壓搾機(jī)壓搾出液體返送到浸潤(rùn)槽循環(huán)分解，發(fā)酵渣作肥料使用。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%以上。
以上各實(shí)施例中在初期加入的水，到發(fā)酵進(jìn)行之后可切換成返送液，所加入的水量可以根據(jù)系統(tǒng)中水的平衡而定。返送液也可根據(jù)生物質(zhì)的種類(lèi)，季節(jié)，操作條件等調(diào)節(jié)各自的量。另外，糖化渣是否發(fā)酵以及是否壓搾可根據(jù)氣候條件，當(dāng)?shù)赝临|(zhì)以及季節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。
權(quán)利要求
1.生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制沼氣的預(yù)處理方法，其特征是至少包括如下步驟1)將生物質(zhì)處理成3～40mm的短節(jié)；2)將短節(jié)在水溫15～80℃中浸泡15～90分鐘；3)將所浸泡后的短節(jié)撕碎成碎片；4)將所撕碎成的碎片在加熱或加熱加壓的條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)；5).將水熱反應(yīng)后的秸稈進(jìn)行壓榨得到糖化液和糖化渣。
2 如權(quán)利要求l所述的預(yù)處理方法，其特征是所述的步驟3)用相對(duì)線(xiàn)速度不同的兩個(gè)轉(zhuǎn)輥實(shí)現(xiàn)，所用設(shè)備至少由線(xiàn)速度不同的兩個(gè)圓輥，電動(dòng)機(jī)，機(jī)殼及物料的進(jìn)口和出口組成。
3 如權(quán)利要求l所述的預(yù)處理方法，其特征是所述的步驟4)中按達(dá)到總重量的O. 05 1.0%比例加入硝酸，并在80 18(TC，反應(yīng)10 120分鐘。
4 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的預(yù)處理方法的步驟5)所用設(shè)備，其特征在于所采用的壓搾機(jī)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓輥組成，該圓輥上開(kāi)有溝槽，溝槽內(nèi)開(kāi)有貫通圓輥壁通向圓輥內(nèi)側(cè)的孔或不開(kāi)溝槽和孔，或在輥上只開(kāi)孔不開(kāi)溝槽；或該壓榨機(jī)是螺旋壓濾機(jī)；或該壓搾機(jī)是皮帶壓濾機(jī)。
5 如權(quán)利要求l所述的預(yù)處理方法，其特征是所述步驟3)得到的撕碎后的碎片在超聲波裝置中按達(dá)到總重量的O. 05 1. 0%的比例加入無(wú)機(jī)酸，在超聲波密度為0.2 3.0W/cm2的條件下，作用時(shí)間20 300秒后再進(jìn)行步驟4)和5)的反應(yīng)。
6 如權(quán)利要求l所述的預(yù)處理方法，其特征是在步驟2)加入無(wú)機(jī)酸使其達(dá)到總重量比的O. 05 1. 0%的濃度。
7 如權(quán)利要求3、 5和6所述的預(yù)處理方法，其特征是所述的添加的酸為硝酸或鹽酸或硫酸或磷酸，或硝酸，鹽酸，硫酸或磷酸的各種混合酸。
8 一種生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制沼氣的方法，其特征是經(jīng)權(quán)利要求l所述的預(yù)處理，壓搾得到的糖化液進(jìn)行甲烷發(fā)酵，該發(fā)酵完畢后的發(fā)酵液返送到權(quán)利要求l所述的預(yù)處理工程2)或4)或權(quán)利要求6所述的超聲波處理工序，對(duì)其進(jìn)一步再分解。
9.經(jīng)權(quán)利要求l的預(yù)處理后的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制沼氣的方法，其特征是預(yù)處理得到的糖化渣不經(jīng)發(fā)酵直接作肥料使用；或進(jìn)行甲烷發(fā)酵，發(fā)酵后，采用壓搾設(shè)備壓搾，壓搾之后發(fā)酵渣排出作肥料使用，同時(shí)液體返送回預(yù)處理工序2)或4)或超聲波處理工序，對(duì)其進(jìn)一步再分解；發(fā)酵后不壓搾，全部作肥料使用。
10.經(jīng)權(quán)利要求l的預(yù)處理后的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制沼氣的方法，其特征是預(yù)處理后壓搾得到的糖化液經(jīng)甲烷發(fā)酵后，其發(fā)酵液的一部分加入到糖化渣甲烷發(fā)酵系
全文摘要
本發(fā)明涉及生物質(zhì)預(yù)處理方法及生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制沼氣的方法與設(shè)備，包括如下步驟1)將生物質(zhì)處理成3～40mm的短節(jié)；2)將短節(jié)在水溫15～80℃中浸泡15～90分鐘；3)將所浸泡后的短節(jié)撕碎成碎片；4)將所撕碎成的碎片在加熱或加熱加壓的條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)；5)將水熱反應(yīng)后的秸稈進(jìn)行壓榨得到糖化液和糖化渣。本發(fā)明通過(guò)秸稈的預(yù)處理提高了其生物可降解性，加快了發(fā)酵速度。通過(guò)預(yù)處理后的固體和液體的分別發(fā)酵大大提高了發(fā)酵效率，通過(guò)發(fā)酵液的再次水熱反應(yīng)循環(huán)發(fā)酵，避免了大量廢液的排放，整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)行，并大幅提高了生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。
文檔編號(hào)C12P5/02GK101560525SQ20091030199
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者張書(shū)廷 申請(qǐng)人:天津大學(xué)