專利名稱：一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物質(zhì)能源利用領(lǐng)域的方法，尤其是涉及一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法。
背景技術(shù)：
2008年上海市郊區(qū)蘆筍年產(chǎn)量達(dá)3000噸，蘆筍廢棄秸稈產(chǎn)量1000噸。與其他蔬菜、作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物存在的環(huán)境污染問(wèn)題相似，大量蘆筍秸稈廢棄物被隨意堆放在田間道路兩旁，自然堆慪發(fā)酵，散發(fā)有味氣體，成為影響農(nóng)戶生產(chǎn)生活環(huán)境的有毒垃圾，因此，以蘆筍秸稈為代表的種植業(yè)廢棄物資源化處理問(wèn)題迫在眉睫。蘆筍生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的生物質(zhì)類廢棄物主要有地下根狀莖(營(yíng)養(yǎng)器官)和地上莖稈(光合器官)，新鮮蘆筍秸稈含水量80%以上，自然風(fēng)干后莖稈含水量10%-15%。它們的主要成分為總糖、蛋白質(zhì)、脂肪、半纖維素、纖維素、木質(zhì)素及其它礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)成分。因此從另一方面來(lái)看，這些生物質(zhì)類廢棄物具有相對(duì)較高的生物降解性，同時(shí)通常不含有其他有毒有害物質(zhì)，相對(duì)集中，不易和生活垃圾等混合，可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)收集處理。因此，對(duì)以蘆筍秸稈為代表的種植業(yè)廢棄物進(jìn)行生態(tài)能源化利用是既解決污染問(wèn)題又變廢棄物為資源的理想選擇。目前對(duì)種植類生物質(zhì)廢棄物生態(tài)能源化利用的方式主要有燃料成型、生物乙醇、生物柴油、生物質(zhì)熱裂解、生物制氫及沼氣化利用等方式。其中，沼氣是一種無(wú)污染的生物能源，沼氣燃燒后的產(chǎn)物是二氧化碳和水，不污染空氣，不危害農(nóng)作物和人體健康，可以直接炊事、照明，也可以供熱、發(fā)電、烘干、貯糧；沼氣發(fā)酵后的殘余物可以用于農(nóng)田施肥和生物農(nóng)藥，實(shí)現(xiàn)環(huán)境零排放。沼氣是成分復(fù)雜的混合氣體，主要的成分由甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)組成，其中甲烷體積占60% 70%，二氧化碳體積占30% 40%。Im3甲烷氣體完全燃燒釋放熱量9460Kcal，Im3沼氣完全燃燒可放出熱量5500 6500Kcal，相當(dāng)于0. 7Kg汽油或4. 5Kg煤炭燃燒釋放的能量。目前針對(duì)農(nóng)作物種植廢棄物、養(yǎng)殖業(yè)禽畜糞便、食品工業(yè)廢水等的厭氧發(fā)酵制沼技術(shù)已比較成熟。雖然秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物在理論上存在沼氣化利用的可能性，但是由于其特殊的組成，有機(jī)成分主要以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主，其復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)和纖維素的結(jié)晶區(qū)阻礙纖維素酶的進(jìn)入，使得好氧生物降解過(guò)程非常緩慢，更不易被厭氧菌消化，碳素難以釋放，造成厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量低、經(jīng)濟(jì)效益差，導(dǎo)致秸稈大規(guī)模沼氣生產(chǎn)存在困難。針對(duì)這一問(wèn)題，主要是通過(guò)各種預(yù)處理方法對(duì)秸稈類材料進(jìn)行前期預(yù)處理，破化木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，提高其分解效率。微生物利用纖維素之前，必須把它從木質(zhì)素和半纖維素包裹中釋放出來(lái)，解決方法就是在厭氧發(fā)酵前，對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，以提高秸稈的生物消化性能、產(chǎn)氣率和經(jīng)濟(jì)性。其中，利用化學(xué)試劑破壞細(xì)胞壁中木質(zhì)纖維素共價(jià)鍵，為后續(xù)微生物作用做準(zhǔn)備，包括酸處理、堿處理(NaOH、Κ0Η、尿素、氨水等)、氧化處理(H202、SO2、次氯酸鹽等)等。該法可使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素膨脹并破壞其結(jié)晶性，使天然纖維素溶解并降解，從而增加其可消化性。堿處理法是利用NaOH、Ca (OH)2, KOH或氨溶液等溶液浸泡或噴灑于原料表面，以打開(kāi)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵，溶解纖維素、半纖維素和一部分木質(zhì)素及硅酸鹽，使纖維素膨脹，從而便于酶水解的進(jìn)行，提高消化率。近年來(lái)人們比較重視用堿溶液處理的方法，尤其是NaOH堿處理，因?yàn)镹aOH有較強(qiáng)的脫木質(zhì)素和降低結(jié)晶度的作用。Hamilton等人發(fā)現(xiàn)用NaOH和可溶性木質(zhì)素和半纖維素釋放底物可以提高纖維素底轉(zhuǎn)化率。Nicoletta等使用1 % NaOH處理稻草秸稈24h后，半纖維素可溶性增加，原料變得更易進(jìn)行生化反應(yīng)，再使用1 % NaOH和0-3%的H2A處理24h后，木質(zhì)素可溶性增加。MahendraSingh等人研究表明用0，3. 3，6. 7，10%的NaOH (相對(duì)干物質(zhì)添加量)溶液噴灑到麥秸上，其有機(jī)物質(zhì)消化率為53%，63%，63%，62%。Lin等使用8gNa0H/100gTS原料對(duì)水果/廢紙?jiān)M(jìn)行預(yù)處理后沼氣發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理使原料空隙度和纖維長(zhǎng)度減小，沼氣發(fā)酵中甲烷產(chǎn)量是不經(jīng)預(yù)處理對(duì)照組的1. 84倍。B. G. Ololade的研究結(jié)果表明室溫條件下，玉米秸稈經(jīng)NaOH處理M小時(shí)后，有機(jī)物消化率隨NaOH添加量提高而提高，NaOH相對(duì)干物質(zhì)添加量為8%時(shí)，玉米秸稈的干物質(zhì)消化率為21. 5%。但當(dāng)NaOH添加量超過(guò)8%時(shí)，該變化趨勢(shì)不明顯；Suresh Chandra等人的研究也進(jìn)一步說(shuō)明，當(dāng)NaOH添加量超過(guò)10%時(shí)，其干物質(zhì)消化率并不成明顯上升趨勢(shì)。Andrew等人的研究結(jié)果表明當(dāng)NaOH添加量為10%時(shí)，纖維素的降解最大。D. Craig Anderson等人研究了不同的堿化處理方法，結(jié)果表明NaOH添加量越高，干物質(zhì)損失率越大，但當(dāng)NaOH添加量超過(guò)8%時(shí)，該變化趨勢(shì)不明顯。Mingxia Zheng等人在濕度88%，溫度20°C的條件下對(duì)玉米芯進(jìn)行3d的NaOH預(yù)處理，結(jié)果表明潮濕條件下NaOH預(yù)處理后沼氣發(fā)酵的總產(chǎn)氣量和甲烷含量比干燥條件下預(yù)處理的組分別高72. 9%和73.4%,消化時(shí)間縮短86%, NaOH用量減少66. 7%0經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前大多采用NaOH對(duì)糧食作物的秸稈進(jìn)行預(yù)處理后制取沼氣，而對(duì)蘆筍類蔬菜種植過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行堿性預(yù)處理并且制取沼氣的研究尚未發(fā)現(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種實(shí)現(xiàn)了循環(huán)再利用、工藝簡(jiǎn)單易行的NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，包括以下步驟(1)蘆筍秸稈采收于蘆筍種植過(guò)程中收集春季產(chǎn)生的地下根狀莖部分和秋季產(chǎn)生的地上莖桿，平攤空地之上自然風(fēng)干；(2)粉碎對(duì)自然風(fēng)干后的蘆筍秸稈進(jìn)行粉碎，粉碎后的蘆筍秸稈粉料的粒徑為0. Icm 5cm ；(3)接種污泥的準(zhǔn)備將接種污泥使用步驟(2)所得的蘆筍秸稈粉料馴化3個(gè)月；(4) NaOH預(yù)處理向蘆筍秸稈粉料添同等質(zhì)量的NaOH溶液，攪拌均勻后，于室溫下密閉處理5 25天，得到發(fā)酵原料蘆筍秸稈；(5)添加接種污泥將發(fā)酵原料蘆筍秸稈投入沼氣發(fā)酵裝置中，加入步驟C3)所得接種污泥和水并且混合均勻，得到發(fā)酵混合物；
(6) PH調(diào)節(jié)控制步驟(5)所得發(fā)酵混合物PH值為7. 0 7. 5 ；(7)沼氣發(fā)酵封閉發(fā)酵裝置，控制反應(yīng)溫度在30 45°C，實(shí)時(shí)攪拌，振蕩，進(jìn)行完全混合濕式發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)氣，經(jīng)過(guò)1 2天產(chǎn)生沼氣，即目標(biāo)產(chǎn)品，發(fā)酵20 60天，蘆筍秸稈中的可降解的有機(jī)物質(zhì)基本被微生物的作用轉(zhuǎn)化為沼氣。步驟O)中所述的蘆筍秸稈采用揉搓式飼料粉碎機(jī)或相等作用的粉碎裝置進(jìn)行粉碎。步驟(3)中所述的接種污泥取自大、中或小型沼氣工程系統(tǒng)正常發(fā)酵的發(fā)酵殘余物，或污水處理廠正常發(fā)酵得到的顆粒污泥。 步驟⑷中所述的NaOH溶液質(zhì)量濃度為2 % 6 %。步驟⑷中所述的NaOH預(yù)處理的處理溫度為M 26V。步驟(5)中所述的接種污泥和水加入量為控制接種污泥的加入量占全部反應(yīng)物料質(zhì)量的比率為20% 50%，發(fā)酵混合物的總固體含量為6% 10%。步驟(6)中所述的pH調(diào)節(jié)采用0. 2 0. 6mol/L的乙酸或鹽酸。步驟(7)中所述的反應(yīng)溫度優(yōu)選35 38°C。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明充分實(shí)現(xiàn)了蘆筍種植過(guò)程中產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化、減量化和無(wú)害化的利用，將構(gòu)成環(huán)境污染的廢棄物轉(zhuǎn)化成為沼氣資源，工藝簡(jiǎn)單易行，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)再利用過(guò)程。通過(guò)將農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理，破壞了木質(zhì)纖維素內(nèi)部組織，將纖維素從木質(zhì)素和半纖維素包裹中釋放出來(lái)，加速了纖維素的降解，提高了蘆筍秸稈的生物消化性能、產(chǎn)氣潛力、經(jīng)濟(jì)性和可行性。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，前幾步方法均相同，采用如下的步驟①蘆筍秸稈采收于蘆筍種植過(guò)程中收集春季產(chǎn)生的地下根狀莖部分和秋季產(chǎn)生的地上莖桿，平攤空地之上自然風(fēng)干，使之便于機(jī)械粉碎。②粉碎對(duì)步驟①所得蘆筍秸稈進(jìn)行粉碎，使之粒徑大約分布在0. lcm-5cm0③接種污泥的準(zhǔn)備將接種污泥使用步驟②所得的蘆筍秸稈?cǎi)Z化3個(gè)月。使用的蘆筍秸稈理化特性如表1所示，接種用的污泥理化特性如表2所示。表1蘆筍秸稈理化特性(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
權(quán)利要求
1.一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)蘆筍秸稈采收于蘆筍種植過(guò)程中收集春季產(chǎn)生的地下根狀莖部分和秋季產(chǎn)生的地上莖桿，平攤空地之上自然風(fēng)干；(2)粉碎對(duì)自然風(fēng)干后的蘆筍秸稈進(jìn)行粉碎，粉碎后的蘆筍秸稈粉料的粒徑為0. Icm 5cm ；(3)接種污泥的準(zhǔn)備將接種污泥使用步驟( 所得的蘆筍秸稈粉料馴化3個(gè)月；(4)NaOH預(yù)處理向蘆筍秸稈粉料添同等質(zhì)量的NaOH溶液，攪拌均勻后，于室溫下密閉處理5 25天，得到發(fā)酵原料蘆筍秸稈；(5)添加接種污泥將發(fā)酵原料蘆筍秸稈投入沼氣發(fā)酵裝置中，加入步驟( 所得接種污泥和水并且混合均勻，得到發(fā)酵混合物；(6)pH調(diào)節(jié)控制步驟(5)所得發(fā)酵混合物pH值為7.0 7. 5(7)沼氣發(fā)酵封閉發(fā)酵裝置，控制反應(yīng)溫度在30 45°C，實(shí)時(shí)攪拌，振蕩，進(jìn)行完全混合濕式發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)氣，經(jīng)過(guò)1 2天產(chǎn)生沼氣，即目標(biāo)產(chǎn)品，發(fā)酵20 60天，蘆筍秸稈中的可降解的有機(jī)物質(zhì)基本被微生物的作用轉(zhuǎn)化為沼氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟O)中所述的蘆筍秸稈采用揉搓式飼料粉碎機(jī)或相等作用的粉碎裝置進(jìn)行粉碎。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(3)中所述的接種污泥取自大、中或小型沼氣工程系統(tǒng)正常發(fā)酵的發(fā)酵殘余物，或污水處理廠正常發(fā)酵得到的顆粒污泥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟中所述的NaOH溶液質(zhì)量濃度為2% 6%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(4)中所述的NaOH預(yù)處理的處理溫度為M 。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(5)中所述的接種污泥和水加入量為控制接種污泥的加入量占全部反應(yīng)物料質(zhì)量的比率為20% 50%，發(fā)酵混合物的總固體含量為6% 10%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(6)中所述的pH調(diào)節(jié)采用0. 2 0. 6mol/L的乙酸或鹽酸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(7)中所述的反應(yīng)溫度優(yōu)選35 38°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種NaOH預(yù)處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，該方法包括蘆筍秸稈采收、粉碎、接種污泥的準(zhǔn)備、NaOH預(yù)處理、pH調(diào)節(jié)及沼氣發(fā)酵等七個(gè)步驟，蘆筍秸稈中的可降解的有機(jī)物質(zhì)被微生物的作用轉(zhuǎn)化為沼氣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理，破壞了木質(zhì)纖維素內(nèi)部組織，將纖維素從木質(zhì)素和半纖維素包裹中釋放出來(lái)，加速了纖維素的降解，提高了蘆筍秸稈的生物消化性能、產(chǎn)氣潛力、經(jīng)濟(jì)性和可行性。
文檔編號(hào)C12P5/02GK102367458SQ20111034269
公開(kāi)日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者劉榮厚, 吳小武, 孫辰, 尹仁湛, 曹衛(wèi)星 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)