專利名稱：常溫固態(tài)催化氨化預(yù)處理提高麥秸厭氧產(chǎn)氣量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高秸桿厭氧消化生物氣產(chǎn)量的一種預(yù)處理方法，尤其涉及一種常溫固態(tài)AQ催化氨化預(yù)處理提高麥秸厭氧消化生物氣的方法。
背景技術(shù)：
我國是世界上最大的農(nóng)業(yè)國家，每年產(chǎn)生秸桿重量達7億多噸，其中麥秸產(chǎn)生量為I. 4億噸左右，占總量的19. 7%。除了較少部分作造紙以及其他原料外，大量秸桿被露天焚燒或者用于還田，嚴重影響環(huán)境質(zhì)量以及交通運輸安全，同時也造成了資源的浪費。厭氧消化技術(shù)可以把秸桿轉(zhuǎn)化為清潔能源，是實現(xiàn)資源能源化利用的一條有效途徑。由于秸桿的木質(zhì)纖維素含量較高，厭氧微生物對其降解能力有限，導(dǎo)致常規(guī)厭氧消化過程歷時長，消化效率低，產(chǎn)氣量少，投入產(chǎn)出效益差等，從而限制了秸桿用于生物氣的大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展。通過對麥秸進行預(yù)處理，可以提高其厭氧消化性能。目前的預(yù)處理方法有物理、化學(xué)和生物法。常用的化學(xué)預(yù)處理法有酸化、堿化、氨化和氧化等。專利ZL03126286. 4公開了秸桿生化飼料的生產(chǎn)方法，在溫度50°C 260°C、 壓力為I 20個大氣壓下，利用3 5%的氨進行化學(xué)處理，然后蒸煮20 60分鐘，之后降溫，在發(fā)酵池內(nèi)20°C 30°C下發(fā)酵15 20天，檢查其飼料化的效果。預(yù)處理流程復(fù)雜， 預(yù)處理在高溫高壓下進行，操作難度大，運行成本高，不易推廣。文獻馬淑勅等.氨化預(yù)處理對稻草厭氧消化產(chǎn)氣性能影響，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2011,27(6) =294-299.中采用NH3 ·Η20為預(yù)處理藥劑，對麥秸進行中溫(30°C )氨化預(yù)處理 7天，再室溫晾氨2 3天后用于厭氧消化？天；其氨化時間和曬氨時間合計為9 10天。 該方法與未經(jīng)氨化預(yù)處理的方法相比累計產(chǎn)氣量提高了 8 38%，其不足之處是氨化預(yù)處理時間較長。為了更大限度地提高秸桿厭氧消化產(chǎn)氣量，避免額外另加N源，更好的利用預(yù)處理藥劑自身來調(diào)節(jié)厭氧消化過程中的C/N比,本發(fā)明采用常溫固態(tài)蒽醌(Anthraquinone, AQ)催化-氨化預(yù)處理方法來提高秸桿厭氧消化產(chǎn)氣量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種提高秸桿厭氧消化產(chǎn)氣量的方法。本發(fā)明的具體制備方法如下A.將含氨溶液、催化劑和水均勻混合后噴灑在切碎的秸桿上，密封，在10 28°C 下密封保存，在此期間每天測定密封袋中物料的pH，當(dāng)pH值變化趨于穩(wěn)定不再有明顯變化時視為預(yù)處理完成，本方法的預(yù)處理時間為4天；所述的秸桿為麥秸、玉米秸和稻草等農(nóng)作物秸桿；經(jīng)粉碎至≤2cm ;經(jīng)自然風(fēng)干且沒有發(fā)霉。所述含氨溶液是NH3 · H2O和NH4HCO3,其添加量以NH3和秸桿所含C/N為20 30 I ；
當(dāng)以麥秸為原料時，其中NH3 · H2O的添加量為麥秸干重的2 4%，NH4HCO3的添加量為麥稻干重的9 18% ；所述的催化劑為蒽醌(化學(xué)式=C14H8O2)，其用量為秸桿干重的O. 05 O. 1% ;所添加的水量應(yīng)使秸桿總的含水量(包括秸桿本身含水、氨水中的水和額外添加的水)占秸桿干重的2. 5 5. 5倍；較佳的是3-4倍。通常秸桿吸收其干重6倍的水時方為飽和，而本發(fā)明添加的水量沒有全部浸濕秸桿，為半干狀態(tài)，因此稱為固態(tài)催化-氨化預(yù)處理；B.將步驟A預(yù)處理后的秸桿與接種物一起加入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器中，再加入自來水至反應(yīng)器總?cè)莘e的80 90%形成厭氧反應(yīng)液，封蓋，使反應(yīng)器內(nèi)的物料保持在中30 35°C溫度下進行厭氧反應(yīng)，厭氧反應(yīng)時間根據(jù)累積產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的80-90%而確定，本方法的厭氧反應(yīng)時間為25 35天。厭氧反應(yīng)液中秸桿的質(zhì)量濃度為5 10%，接種物質(zhì)量濃度為15 30%。所述的接種物為含有甲烷菌的厭氧消化液，如沼氣池的厭氧消化液或污水處理廠的厭氧污泥等。測定預(yù)處理前后和厭氧前后進出料的總固體含量TS和總揮發(fā)性固體VS，以及pH 值等參數(shù)，用于評價蒽醌(AQ)催化-氨化預(yù)處理效果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果I)由于蒽醌(AQ)的催化劑作用，秸桿氨化預(yù)處理的時間縮短到4天，與馬淑勅等人的試驗中預(yù)處理時間為7天并曬氨2 3天相比，本發(fā)明的預(yù)處理時間縮短了 5 6天， 預(yù)處理時間縮短了 55. 5% 60%。2)在4天的預(yù)處理過程中，通過蒽醌(AQ)的催化作用和氨水氨化、堿化雙重作用， 有效地破壞了秸桿內(nèi)木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)和改變其化學(xué)成分。和未加催化劑的2%氨水氨化預(yù)處理麥秸相比，加蒽醌(AQ)催化-氨化后的麥秸單位TS (麥秸干重)產(chǎn)氣量比未加蒽醌 (AQ)催化的高17% 56. 6%，生物氣中有效成分甲烷的含量提高3 10%左右。3)經(jīng)蒽醌(AQ)催化-氨化預(yù)處理的累計產(chǎn)氣量達到總產(chǎn)氣量的80%時所用時間即T80為20. 5天，未經(jīng)蒽醌AQ催化預(yù)處理的麥秸累計產(chǎn)氣量達到T80所需時間為35天， 厭氧消化時間縮短了 41. 42%，從而可以提高厭氧消化反應(yīng)器的生產(chǎn)效率提高了近一倍，大大減少了工程投資。4)相對于液態(tài)化學(xué)預(yù)處理，蒽醌AQ催化-氨化預(yù)處理不僅免除了處理液凈化回用的能耗，而且大大簡化了處理設(shè)備，此法無需另加N源調(diào)節(jié)C/N比，大大節(jié)省了運行成本，更適于規(guī)模化生產(chǎn)。


圖I圖2圖3圖4圖5
蒽醌AQ催化-氨化預(yù)處理過程中pH值隨時間的變化圖； 實施例I中三種實驗配方與對比例的日產(chǎn)氣量圖實施例2中三種實驗配方與對比例的日產(chǎn)氣量圖實施例3中三種實驗配方與對比例的日產(chǎn)氣量圖實施例4中三種實驗配方與對比例的日產(chǎn)氣量圖。
具體實施例方式下面實驗所用的發(fā)酵原料是經(jīng)粉碎機粉碎至< 2cm麥秸，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的體積為I. 5L，麥秸添加量為有效容積的6. 5%。接種污泥的添加量MLSS (懸浮固體含量)為15g/ L0所用蒽醌的純度為98.5%。實施例I稱取3份麥秸，每份麥秸為97. 5g(以TS計)，分別將占麥秸干重的2%、3%、4% 的NH3 · H2O和O. 04875g蒽醌(占麥秸干重的O. 05% )混合，再分別加入292. 5g水(相當(dāng)于3倍于麥秸干重的水)使NH3 · H2O和蒽醌相互混合，均勻混合后分別噴灑在切碎的麥秸上，放于密封袋中，在15°C下密封保存4天。同時以2 % NH3 · H2O不加蒽醌預(yù)處理麥秸作對照。預(yù)處理后的原料與200g(以MLSS為15g/L計)接種物污泥混合加到厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中，加水定容到反應(yīng)器的有效體積I. 5L。將反應(yīng)器密封于35°C厭氧反應(yīng)55天，每天測定日產(chǎn)氣量和甲烷含量，結(jié)果見圖2。實驗結(jié)束后計算累積產(chǎn)氣量(即總產(chǎn)氣量)、單位TS 產(chǎn)氣量和VS產(chǎn)氣量，實驗結(jié)果如下表I所示表I
權(quán)利要求
1.一種常溫固態(tài)催化氨化預(yù)處理提高麥秸厭氧產(chǎn)氣量的方法，具體步驟如下A.將含氨溶液、催化劑和水均勻混合后噴灑在切碎的秸桿上，密封，在10 28°C下密封保存，在此期間每天測定物料的pH，當(dāng)pH值變化趨于穩(wěn)定不再有明顯變化時視為預(yù)處理完成;所述的秸桿為麥秸、玉米秸和稻草等農(nóng)作物秸桿；經(jīng)粉碎機粉碎至< 2cm ；所述含氨溶液是NH3 -H2O和NH4HCO3,其添加量以NH3和秸桿所含C/N為20 30 I ；所述的催化劑為蒽醌，其用量為秸桿干重的O. 05 O. I % wt ;所添加的水量應(yīng)使秸桿總的含水量占秸桿干重的2. 5 5. 5倍；通常秸桿吸收其干重6倍的水時方為飽和，而本發(fā)明添加的水量沒有全部浸濕秸桿， 為半干狀態(tài)，因此稱為固態(tài)催化-氨化預(yù)處理；B.將步驟A預(yù)處理后的秸桿與接種物一起加入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器中，再加入自來水至反應(yīng)器總?cè)莘e的80 90%形成厭氧反應(yīng)液，封蓋，使反應(yīng)器內(nèi)的物料保持在中30 35°C溫度下進行厭氧反應(yīng)25 35天；厭氧反應(yīng)液中秸桿的質(zhì)量濃度為5 10%，接種物質(zhì)量濃度為15 30%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的常溫固態(tài)催化氨化預(yù)處理提高麥秸厭氧產(chǎn)氣量的方法，其特征是步驟A的預(yù)處理時間為4天；所用的秸桿是麥秸；其中NH3 · H2O的添加量為麥秸干重的2 4%，NH4HCO3的添加量為麥秸干重的9 18%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的常溫固態(tài)催化氨化預(yù)處理提高麥秸厭氧產(chǎn)氣量的方法，其特征是步驟A所添加的水量應(yīng)使秸桿總的含水量占秸桿干重的3-4倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的常溫固態(tài)催化氨化預(yù)處理提高麥秸厭氧產(chǎn)氣量的方法，其特征是步驟B所述的接種物是沼氣池的厭氧消化液或污水處理廠的厭氧污泥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種常溫固態(tài)催化氨化預(yù)處理提高麥秸厭氧產(chǎn)氣量的方法，該方法是將含氨溶液與蒽醌混合，再加入小于秸稈干重2.5～5.5倍的水后，與粉碎的麥秸充分混合?；旌虾蟮柠溄杖詾槌睗駹罟虘B(tài)，然后于密封袋中常溫下保存4天，利用氨具有的揮發(fā)性使氨攜帶著蒽醌逐漸半附著于秸稈表面，使其發(fā)生催化-氨化反應(yīng)。將預(yù)處理后的秸稈、接種泥和適量的水加入?yún)捬跸磻?yīng)器中進行厭氧消化，整個厭氧消化過程需要25～35天。結(jié)果表明經(jīng)過本發(fā)明預(yù)處理后的麥秸產(chǎn)氣量明顯提高，和只加了2％氨水氨化預(yù)處理麥秸相比，加蒽醌催化氨化后的麥秸單位TS產(chǎn)氣量比未加蒽醌催化的高17～56.6％，厭氧消化時間縮短了41.42％，生物氣中有效成分甲烷的含量提高3～10％左右，從而提高了厭氧消化反應(yīng)器的生產(chǎn)效率。
文檔編號C12P5/02GK102604998SQ201210088370
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者劉研萍, 張亞甜, 朱保寧, 李秀金, 楊懂艷, 袁海榮, 鄒德勛, 馬淑勍 申請人:北京化工大學(xué)