堿與鹽聯(lián)合預(yù)處理提高玉米秸稈厭氧消化甲烷產(chǎn)量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢物厭氧發(fā)酵領(lǐng)域。具體涉及到一種利用堿性化合物預(yù) 處理玉米秸桿的同時(shí)添加金屬鹽類的方式提高秸桿厭氧發(fā)酵過程中甲烷產(chǎn)量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國每年的農(nóng)作物秸桿產(chǎn)量巨大，但秸桿利用率不高，大部分秸桿自然腐爛或就 地燃燒，造成了相當(dāng)數(shù)量的秸桿被遺棄和資源的極大浪費(fèi)。因此廢棄秸桿資源化利用一直 是研宄熱點(diǎn)，而其中利用厭氧消化技術(shù)將秸桿轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)熱值的沼氣具有巨大的開發(fā)潛力 和利用價(jià)值。
[0003] 利用厭氧消化技術(shù)處理玉米秸桿是一種可以將秸桿有效轉(zhuǎn)化為清潔能源以實(shí)現(xiàn) 資源能源化利用的方法。但是在實(shí)際操作過程中，由于玉米秸桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由纖維素、半纖 維素和纖維素組成，難以被厭氧微生物降解，導(dǎo)致常規(guī)厭氧發(fā)酵消化過程周期太長，產(chǎn)甲烷 量太少，投入產(chǎn)出效益差，因此秸桿的常規(guī)厭氧發(fā)酵技術(shù)并沒有得到大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展。
[0004] 研宄發(fā)現(xiàn)在厭氧發(fā)酵前對秸桿進(jìn)行預(yù)處理，可以很大程度的提高甲烷產(chǎn)量。秸桿 的預(yù)處理方法包括很多種，最常用的是化學(xué)預(yù)處理方法，其中氫氧化鈉預(yù)處理是一種應(yīng)用 最廣的化學(xué)預(yù)處理方法。文獻(xiàn)：龐云芝等.溫度和化學(xué)預(yù)處理對玉米秸桿厭氧消化產(chǎn)氣量 的影響，生物加工過程，2005, 3(1) :37-41.中使用氫氧化鈉預(yù)處理方法對玉米秸桿進(jìn)行預(yù) 處理，預(yù)處理溫度為35°C，4%氫氧化鈉預(yù)處理時(shí)間為30天。該方法當(dāng)與未經(jīng)預(yù)處理的方法 相比累計(jì)產(chǎn)氣量提高了 77%，雖然可以大幅度提高玉米秸桿厭氧消化時(shí)的產(chǎn)氣體積，卻不 能提高甲烷的含量。實(shí)際應(yīng)用中通常會投加過量的氫氧化鈉以保證達(dá)到預(yù)期處理效果，這 使得預(yù)處理后的物料中含有大量堿液，這些堿液直接排放會產(chǎn)生浪費(fèi)并造成嚴(yán)重的環(huán)境污 染。
[0005] 一些金屬鹽類是厭氧微生物新陳代謝所必需的微量營養(yǎng)元素和厭氧發(fā)酵酶系統(tǒng) 的重要組成成分，能夠促進(jìn)厭氧微生物的生長和激活酶的活性，加快甲烷的生物合成。而在 厭氧消化反應(yīng)過程中，厭氧微生物若不能攝入適量的微量營養(yǎng)元素，將會導(dǎo)致代謝活力降 低，進(jìn)而影響整個(gè)消化反應(yīng)過程的進(jìn)行。因此，在厭氧發(fā)酵開始時(shí)添加不同金屬鹽類，可以 有效的提尚厭氧微生物活性，進(jìn)而提尚甲燒含量。
[0006] 鑒于以上預(yù)處理過程存在的問題，迫切需要尋找一種新的預(yù)處理方法以獲得較高 的甲烷含量和有效降低預(yù)處理過程對環(huán)境的影響。本發(fā)明采用一定參數(shù)的氫氧化鉀及不同 金屬鹽類聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)，以提高玉米秸桿厭氧消化產(chǎn)氣量和甲烷含量，降低對環(huán)境的污 染。本發(fā)明操作條件溫和，對反應(yīng)器的抗壓和抗腐蝕性要求不高，可以改善玉米秸桿的生物 降解性，顯著提高厭氧消化沼氣產(chǎn)量的效果，同時(shí)有效降低預(yù)處理過程對環(huán)境的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于，提供一種通過改變金屬鹽類添加量提高預(yù)處理秸桿厭氧消化 過程中甲烷產(chǎn)量的方法。
[0008] 堿與鹽聯(lián)合預(yù)處理提高玉米秸桿厭氧消化甲烷產(chǎn)量的方法，其特征在于：步驟如 下：
[0009] 將玉米秸桿粉碎后利用氫氧化鉀和金屬鹽類作為預(yù)處理試劑對玉米秸桿進(jìn)行預(yù) 處理，金屬鹽包括氯化亞鐵FeCl 2 ? 4H20、氯化鈷CoCl2 ? 6H20以及氯化鎳NiCl2 ? 6H20 ;氫氧 化鉀添加量為玉米秸桿干重的2%，氯化亞鐵FeCl2 ? 4H20為玉米秸桿干重的1% -15%，氯 化鉆CoCl2 ? 6H20添加量為玉米稻桿干重的0. 05% _1 %，氣化鎮(zhèn)NiCl2 ? 6H20添加量為玉米 秸桿干重的〇. 05% -1%，最后添加水使之與玉米秸桿中所含的水的總質(zhì)量為玉米秸桿干 重的六倍，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬?，封口膜封口；室溫條件下密封保存3天后厭氧發(fā)酵；厭氧 發(fā)酵過程需要活性污泥，活性污泥添加量相對于52g TS玉米秸桿為12g TS，再加入水至反 應(yīng)裝置總體積的80%，充入氮?dú)猓缓笥孟鹉z塞密封，并將反應(yīng)器固定在搖床中，搖床溫度 恒定在35±2°C之間。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0011] 1)厭氧發(fā)酵周期明顯縮短。室溫條件下堿和鹽添加聯(lián)合預(yù)處理玉米秸桿能夠縮短 厭氧發(fā)酵周期。對于氫氧化鉀+鹽預(yù)處理組，與氫氧化鉀預(yù)處理組和未處理組相比T 9(l分別 縮短到6?9d。若將該結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際工程中可以大大降低投資成本。
[0012] 2)總產(chǎn)氣體積和總產(chǎn)甲烷體積大幅度提升。通過增加氫氧化鉀預(yù)處理過程中不 同鹽添加量，可以有效提高總產(chǎn)氣體積和總產(chǎn)甲烷體積，提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能，從而能 夠更好將玉米秸桿轉(zhuǎn)化為清潔能源。氫氧化鉀+鹽預(yù)處理組的單位TS總產(chǎn)甲烷體積相對 于氫氧化鉀預(yù)處理玉米秸桿分別提高了 24% -42% ;相對于未預(yù)處理玉米秸桿分別提高了 39% -101%。
[0013] 3)干物質(zhì)去除率顯著提高。通過增加氫氧化鉀預(yù)處理過程中不同種類鹽的添加 量，可以有效提高干物質(zhì)去除率，從而達(dá)到對玉米秸桿處理的減量化。與氫氧化鉀預(yù)處理組 相比，氫氧化鉀+鹽預(yù)處理組TS去除率提高了 5. 47%-21. 88%，木質(zhì)纖維素去除率可以提 高1.23% -13.38% ;與未處理組相比，氫氧化鉀+鹽預(yù)處理組的單位TS和VS去除率可以 提高35. 39% -56. 16% ;木質(zhì)纖維素去除率可以提高22. 60% -37. 31%。
【附圖說明】
[0014] 圖1實(shí)施例1中總產(chǎn)氣體積和總產(chǎn)甲烷體積圖；
[0015] 圖2實(shí)施例2中總產(chǎn)氣體積和總產(chǎn)甲烷體積圖；
[0016] 圖3實(shí)施例3中總產(chǎn)氣體積和總產(chǎn)甲烷體積圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0018] 1)在以下所有試驗(yàn)中，厭氧發(fā)酵反應(yīng)裝置的總體積為1L，反應(yīng)體積為0.8L，加入 粉碎至20目以下的玉米秸桿52g TS，本發(fā)明所用堿預(yù)處理試劑為氫氧化鉀，鹽預(yù)處理試劑 為氯化亞鐵、氯化鈷和氯化鎳。接種污泥的添加量為12g TS。
[0019] 2)堿與鹽添加量。氫氧化鉀添加量為玉米秸桿干重的2%，同時(shí)氯化亞鐵 (FeCl2，4H 20)添加量為玉米秸桿干重的1% -15%，氯化鈷（C〇Cl2，6H20)添加量為玉米秸 桿干重的0. 05% -1%，氯化鎳（NiCl2 ? 6H20)添加量為玉米秸桿干重的0. 05% -1%。
[0020] 3)具體方實(shí)現(xiàn)方法：本發(fā)明選用經(jīng)過自然風(fēng)干且沒有霉變的玉米秸桿，用粉碎 機(jī)粉碎至20目，用坩堝稱取一定量的玉米秸桿，置于105°C烘箱，12小時(shí)后測定玉米秸桿 TS。利用藍(lán)蓋瓶（1L)作為厭氧反應(yīng)容器，反應(yīng)體積0. 8L，按照玉米秸桿負(fù)荷65g TS/L， 首先稱取52g TS玉米秸桿，然后利用氫氧化鉀和金屬鹽類作為預(yù)處理試劑對玉米秸桿進(jìn) 行預(yù)處理，氫氧化鉀添加量為玉米秸桿干重的2%，氯化亞鐵（FeCl 2 ? 4H20)為玉米秸桿 干重的1 % _15 %，氣化鉆（CoCl2 ? 6H20)添加量為玉米稻桿干重的0. 05 % _1 %，氣化鎮(zhèn) (NiCl2 ? 6H20)添加量為玉米秸桿干重的0. 05 % -1 %，最后添加308. 68mL水使之與玉米秸 桿中所含的水（3. 32mL)的總質(zhì)量為玉米秸桿干重的六倍（312mL)，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬螅?封口膜封口。室溫條件下密封保存3天。
[0021] 4)厭氧發(fā)酵。厭氧發(fā)酵過程需要接種物（活性污泥），本發(fā)明活性污泥添加量為 12g TS(相對于52g TS玉米秸桿），活性污泥來自污水處理廠，包含有大量厭氧微生物菌 群，活性污泥需要沉降一周以上。首先向預(yù)處理后玉米秸桿中加入12g TS活性污泥，再加 入自來水至反應(yīng)裝置總體積的80%，充入氮?dú)?，然后用橡膠塞密封，并將反應(yīng)器固定在搖床 中，搖床溫度恒定在35±2°C之間，搖動測定所用玉米秸桿和厭氧接種污泥的總固體含量 TS和總揮發(fā)性固體VS，利用排水法測定每天的日產(chǎn)氣量，測定日產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算日 產(chǎn)甲烷體積。T 9(l是厭氧發(fā)酵周期長短的表征參數(shù)，一般是指達(dá)到總產(chǎn)氣量90%的時(shí)間。所 有數(shù)據(jù)用于評價(jià)氫氧化鉀預(yù)處理效果。
[0022] 實(shí)施例1
[0023] 利用藍(lán)蓋瓶（1L)作為厭氧反應(yīng)容器，反應(yīng)體積0.8L，按照玉米秸桿負(fù)荷65g TS/ L，首先稱取三份粉碎至20目以下的玉米秸桿，每份質(zhì)量為52g (以TS計(jì)），加入玉米秸桿干 重的2%氫氧化鉀，同時(shí)添加金屬鹽類鹽溶液（氯化亞鐵（FeCl2 ? 4H20)為玉米秸桿干重的 1%，氯化鈷（CoCl2 ? 6H20)添加量為玉米秸桿干重的0. 05%，氯化鎳（NiCl2 ? 6H20)添加量 為玉米稻桿干重的0. 05% )，再添加308. 68暈升水使之與玉米稻桿中的水（3. 32暈升）是 玉米秸桿干重的六倍水，均勻混合后密封于藍(lán)蓋瓶中，在室溫條件下預(yù)處理3d。向預(yù)處理后 的玉米秸桿中加入12g TS厭氧污泥，同時(shí)加自來水至反應(yīng)器體積的80%。對照組為2%氫 氧化鉀預(yù)處理的玉米秸桿和未預(yù)處理的玉米秸桿。將加完物料充氮?dú)獠⒚芊獾姆磻?yīng)器放到 35°C搖床內(nèi)，搖動。通過排水集氣法記錄厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量，同時(shí)測定甲烷的體積分 數(shù)，計(jì)算總產(chǎn)氣體積和總產(chǎn)甲烷體積，然后計(jì)算T 9(l。厭氧發(fā)酵結(jié)束時(shí)測定TS和木質(zhì)纖維素 去除率。
[0024] 總產(chǎn)氣體積和總產(chǎn)甲烷體積見圖1。
[0025] 由圖1可知，氫氧化鉀+金屬鹽預(yù)處理組的總產(chǎn)氣體積明顯高于氫氧化鉀預(yù)處理 組和未處理組，可以提高15. 85%和29. 64% ;總產(chǎn)甲烷體積明也明顯高于氫氧化鉀預(yù)處理 組和未處理組，可以提高28. 84%和47. 39%。
[0026] T9(l實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：
[0027]表 1
[0028]
【主權(quán)項(xiàng)】
1.堿與鹽聯(lián)合預(yù)處理提高玉米秸桿厭氧消化甲烷產(chǎn)量的方法，其特征在于：步驟如 下： 將玉米秸桿粉碎后利用氫氧化鉀和金屬鹽類作為預(yù)處理試劑對玉米秸桿進(jìn)行預(yù)處理， 金屬鹽包括氯化亞鐵FeCl2 ? 4H20、氯化鈷CoCl2 ? 6H20以及氯化鎳NiCl2 ? 6H20 ;氫氧化鉀 添加量為玉米秸桿干重的2%，氯化亞鐵FeCl2 ? 4H20為玉米秸桿干重的1 % -15%，氯化鈷 CoCl2 *61120添加量為玉米稻桿干重的0. 05% _1 %，氣化鎮(zhèn)NiCl2 *61120添加量為玉米稻桿干 重的0. 05% -1%，最后添加水使之與玉米秸桿中所含的水的總質(zhì)量為玉米秸桿干重的六 倍，充分?jǐn)嚢韬?，封口膜封口；室溫條件下密封保存3天后厭氧發(fā)酵；厭氧發(fā)酵過程需要活 性污泥，活性污泥添加量相對于52g TS玉米秸桿為12gTS，再加入水至反應(yīng)裝置總體積的 80%，充入氮?dú)?，然后用橡膠塞密封，并將反應(yīng)器固定在搖床中，搖床溫度恒定在35±2°C之 間。
【專利摘要】堿與鹽聯(lián)合預(yù)處理提高玉米秸稈厭氧消化甲烷產(chǎn)量的方法屬于農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢物厭氧發(fā)酵領(lǐng)域。將玉米秸稈粉碎后利用氫氧化鉀和金屬鹽類作為預(yù)處理試劑對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，金屬鹽包括氯化亞鐵、氯化鈷以及氯化鎳；添加水使之與玉米秸稈中所含的水的總質(zhì)量為玉米秸稈干重的六倍，充分?jǐn)嚢韬?，封口膜封口；室溫條件下密封保存3天后厭氧發(fā)酵；厭氧發(fā)酵過程需要活性污泥，活性污泥添加量相對于52g TS玉米秸稈為12g TS，再加入水至反應(yīng)裝置總體積的80％，充入氮?dú)猓缓笥孟鹉z塞密封，并將反應(yīng)器固定在搖床中，搖床溫度恒定在35±2℃之間。本發(fā)明能夠縮短厭氧發(fā)酵周期，總產(chǎn)氣體積和總產(chǎn)甲烷體積大幅度提升，且干物質(zhì)去除率顯著提高。
【IPC分類】C12P5-02
【公開號】CN104593432
【申請?zhí)枴緾N201510013351
【發(fā)明人】李秀金, 劉春梅, 袁海榮, 鄒德勛, 劉研萍, 朱保寧
【申請人】北京化工大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月11日