專利名稱：一種秸稈沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可再生能源領(lǐng)域，具體涉及一種秸桿沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法。
背景技術(shù)：
中國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生約8億噸農(nóng)作物秸桿。以2005年為例，全國稻草、玉米秸、麥秸的產(chǎn)量分別為2. 11億噸、2. 02億噸和I. 07億噸，分別占全國秸桿總量的 25. 10%,24. 00%和12. 73%。當(dāng)然，本文所述的秸桿，除了農(nóng)作物秸桿(如稻草、玉米秸、麥秸等)，還包括大量草本類能源植物(如皇草、象草、柳枝稷、芒草、狼尾草)。目前，秸桿的能源化利用方式主要有焚燒、氣化、熱解、乙醇發(fā)酵和沼氣發(fā)酵。與其它轉(zhuǎn)化技術(shù)相比，利用沼氣發(fā)酵技術(shù)處理利用秸桿，不僅可以產(chǎn)生高效、清潔的高品位能源，同時產(chǎn)生的沼渣和沼液還可以直接用作有機肥料，不失為一種行之有效的出路。沼氣發(fā)酵技術(shù)本身是一種非常成熟的技術(shù)，利用該技術(shù)轉(zhuǎn)化秸桿為新型能源，可以緩解我國常規(guī)能源緊張狀況、提高農(nóng)村人民的生活質(zhì)量；另一方面，又可解決作物秸桿的出路問題，減少因其露天焚燒、亂堆亂置等帶來的對環(huán)境不利影響。實際上，我國已經(jīng)明確將秸桿沼氣作為一項主要的可再生能源進行重點支持發(fā)展。眾所周知，秸桿復(fù)雜的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)是阻礙其生物降解的重要因素，因此在進行沼氣發(fā)酵之前，通常需要對秸桿進行預(yù)處理。常用的預(yù)處理方法包括物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、生物預(yù)處理，從目前的應(yīng)用來看，主要采用物理預(yù)處理+化學(xué)預(yù)處理相結(jié)合的方法， 即切碎/粉碎+酸/堿預(yù)處理。然而，目前采用的酸堿預(yù)處理方法主要為強酸或強堿預(yù)處理，例如鹽酸、硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀，這種預(yù)處理方法普遍存在設(shè)備腐蝕問題，且需要大量的水對預(yù)處理后的原料進行清洗或需要大量的酸堿進行中和。當(dāng)用水進行清洗時，會損失溶解性有機質(zhì)，當(dāng)用酸堿中和時，又會產(chǎn)生大量的鈉離子和氯離子，不僅可能抑制厭氧發(fā)酵，還可能造成環(huán)境污染，而且會影響沼渣的后續(xù)利用。以上問題嚴重影響了酸堿預(yù)處理在規(guī)?；諚U沼氣工程上的應(yīng)用，因此，開發(fā)一種秸桿原料預(yù)處理新方法是規(guī)模化秸桿沼氣工程推廣的關(guān)鍵之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可避免設(shè)備和管道腐蝕，避免溶解性有機質(zhì)的損失，減少堿金屬離子的大量引入積累，避免厭氧發(fā)酵抑制和環(huán)境污染，有利于沼渣的后續(xù)利用，能降低單位沼氣產(chǎn)量的預(yù)處理成本的秸桿沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法。本發(fā)明的秸桿沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法，其特征在于，包括以下步驟將秸桿原料粉碎，加入到預(yù)處理反應(yīng)器中，添加揮發(fā)性脂肪酸或含揮發(fā)性脂肪酸的有機廢水，添加量按揮發(fā)性脂肪酸與秸桿干物質(zhì)質(zhì)量比為I : 4 15，再向預(yù)處理反應(yīng)器中加水調(diào)節(jié)秸桿干物質(zhì)質(zhì)量濃度為8% 15%，攪拌混合物料使其均勻，密封預(yù)處理反應(yīng)器后進行加熱浸泡預(yù)處理，控制預(yù)處理溫度為80°C 160°C，預(yù)處理時間為O. 5h 5h，得到預(yù)處理后的原料。
預(yù)處理后的原料可以進入后續(xù)的沼氣發(fā)酵過程。所述的將秸桿原料粉碎優(yōu)選是將秸桿原料粉碎至粒徑O. 5 1cm。所述秸桿包括但不局限于稻草、麥桿、玉米秸、米草、狼尾草、皇草、象草，可以是未經(jīng)預(yù)沼氣發(fā)酵過的原料，也可以是經(jīng)預(yù)沼氣發(fā)酵過的原料。所述揮發(fā)性脂肪酸包括甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸或異丁酸，優(yōu)選為乙酸。作為本發(fā)明的一種改進，可以采用含上述揮發(fā)性脂肪酸的有機廢水進行預(yù)處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(I)本發(fā)明方法采用腐蝕性較弱的揮發(fā)性脂肪酸進行預(yù)處理，避免了設(shè)備和管道的腐蝕；(2)本發(fā)明方法采用揮發(fā)性脂肪酸進行預(yù)處理，由于揮發(fā)性脂肪酸本身就是沼氣發(fā)酵的良好底物，無需對預(yù)處理后的原料進行清洗，不僅避免溶解性有機質(zhì)的損失，還可以直接利用揮發(fā)性脂肪酸進行沼氣發(fā)酵，提高沼氣產(chǎn)量，這在一定程度上可以降低單位沼氣產(chǎn)量的預(yù)處理成本；(3)本發(fā)明方法采用揮發(fā)性脂肪酸進行預(yù)處理，由于酸性較弱，只需添加少量堿或進行稀釋處理即可進行后續(xù)沼氣發(fā)酵，減少了堿金屬離子的大量引入積累，避免厭氧發(fā)酵抑制和環(huán)境污染，有利于沼渣的后續(xù)利用。


圖I是本發(fā)明實施例I 3和對照例I 3的沼氣發(fā)酵結(jié)果對照。
具體實施例方式以下實施例是對本發(fā)明的進一步說明，而不是對本發(fā)明的限制。實施例I :以稻草為原料，乙酸為預(yù)處理劑。將干稻草粉碎至粒徑O. 5 Icm左右，取40g加入到預(yù)處理反應(yīng)器中，添加2. 7g乙酸，加457g水調(diào)節(jié)稻草干物質(zhì)質(zhì)量濃度為8 %，將混合物料攪拌均勻，密封預(yù)處理反應(yīng)器進行加熱浸泡預(yù)處理，控制預(yù)處理溫度為80°C，預(yù)處理時間為 O. 5h。將完成預(yù)處理的稻草、乙酸、水混合物取出冷卻后放入沼氣發(fā)酵反應(yīng)器接種進行中溫(37°C )厭氧發(fā)酵，為了調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的碳氮比，采用富含氮的廚余垃圾沼氣發(fā)酵剩余物作為接種物，同時添加少量碳酸氫銨，發(fā)酵時間為25天，累積產(chǎn)甲烷量為6570mL ;為扣除乙酸的相應(yīng)產(chǎn)甲烷量，設(shè)置了 2. 7g乙酸的沼氣發(fā)酵，待其產(chǎn)氣結(jié)束后測得累積產(chǎn)甲烷量為564mL ;扣除乙酸本身的產(chǎn)甲烷量，經(jīng)預(yù)處理后稻草的單位質(zhì)量原料產(chǎn)甲烷量為150mL/g TS。實施例2以稻草為原料，乙酸為預(yù)處理劑。將干稻草粉碎至粒徑O. 5 Icm左右，取40g加入到預(yù)處理反應(yīng)器中，添加6g乙酸，加287g水調(diào)節(jié)稻草干物質(zhì)質(zhì)量濃度為12%，將混合物料攪拌均勻，密封預(yù)處理反應(yīng)器進行加熱浸泡預(yù)處理，控制預(yù)處理溫度為120°C，預(yù)處理時間為3h。將完成預(yù)處理的稻草、乙酸、水混合物取出冷卻后放入沼氣發(fā)酵反應(yīng)器接種進行中溫(37°C )厭氧發(fā)酵，為了調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的碳氮比，采用富含氮的廚余垃圾沼氣發(fā)酵剩余物作為接種物，同時添加少量碳酸氫銨，發(fā)酵時間為25天，累積產(chǎn)甲烷量為8250mL ;為扣除乙酸的相應(yīng)產(chǎn)甲烷量，設(shè)置了 6g乙酸的沼氣發(fā)酵，待其產(chǎn)氣結(jié)束后測得累積產(chǎn)甲烷量為 1090mL;扣除乙酸本身的產(chǎn)甲烷量，經(jīng)預(yù)處理后稻草的單位質(zhì)量原料產(chǎn)甲烷量為179mL/g TS。實施例3以稻草為原料，乙酸為預(yù)處理劑。將干稻草粉碎至粒徑O. 5 Icm左右，取40g加入到預(yù)處理反應(yīng)器中，添加IOg乙酸，加216g水調(diào)節(jié)稻草干物質(zhì)質(zhì)量濃度為15 %，將混合物料攪拌均勻，密封預(yù)處理反應(yīng)器進行加熱浸泡預(yù)處理，控制預(yù)處理溫度為160°C，預(yù)處理時間為5h。將完成預(yù)處理的稻草、乙酸、水混合物取出冷卻后放入沼氣發(fā)酵反應(yīng)器接種進行中溫(37°C )厭氧發(fā)酵，為了調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的碳氮比，采用富含氮的廚余垃圾沼氣發(fā)酵剩余物作為接種物，同時添加少量碳酸氫銨，發(fā)酵時間為25天，累積產(chǎn)甲烷量為9916mL ;為扣除乙酸的相應(yīng)產(chǎn)甲烷量，設(shè)置了 IOg乙酸的沼氣發(fā)酵，待其產(chǎn)氣結(jié)束后測得累積產(chǎn)甲烷量為 1716mL ;扣除乙酸本身的產(chǎn)甲烷量，經(jīng)預(yù)處理后稻草的單位質(zhì)量產(chǎn)甲烷量為205mL/g TS。對照例I以稻草為原料，不添加乙酸、不進行加熱處理。將干稻草粉碎至粒徑O. 5 Icm左右，取40g加入到預(yù)處理反應(yīng)器中，加460g水調(diào)節(jié)稻草干物質(zhì)質(zhì)量濃度為8%，將混合物料攪拌均勻，密封預(yù)處理反應(yīng)器進行預(yù)處理，在常溫(約25°C )條件下浸泡5h。將完成浸泡的稻草、水混合物取出后放入沼氣發(fā)酵反應(yīng)器接種進行中溫(37°C ) 厭氧發(fā)酵，為了調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的碳氮比，采用富含氮的廚余垃圾沼氣發(fā)酵剩余物作為接種物，同時添加少量碳酸氫銨，發(fā)酵時間為25天，累積產(chǎn)甲烷量為4400mL，經(jīng)預(yù)處理后稻草的單位質(zhì)量產(chǎn)甲烷量為110mL/g TS。對照例2以稻草為原料，不添加乙酸、但進行加熱處理。將干稻草粉碎至粒徑O. 5 Icm 左右，取40g加入到預(yù)處理反應(yīng)器中，加460g水調(diào)節(jié)稻草干物質(zhì)質(zhì)量濃度為8 %，將混合物料攪拌均勻，密封預(yù)處理反應(yīng)器進行加熱預(yù)處理，控制預(yù)處理溫度為80°C，預(yù)處理時間為
O.5h0將完成預(yù)處理的稻草、水混合物取出后放入沼氣發(fā)酵反應(yīng)器接種進行中溫 (370C )厭氧發(fā)酵，為了調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的碳氮比，采用富含氮的廚余垃圾沼氣發(fā)酵剩余物作為接種物，同時添加少量碳酸氫銨，發(fā)酵時間為25天，累積產(chǎn)甲烷量為4840mL，經(jīng)預(yù)處理后稻草的單位質(zhì)量產(chǎn)甲烷量為121mL/g TS。對照例3以稻草為原料，不添加乙酸、但進行加熱處理。將干稻草粉碎至粒徑O. 5 Icm左右，取40g加入到預(yù)處理反應(yīng)器中，加226g水調(diào)節(jié)稻草干物質(zhì)質(zhì)量濃度為15%，將混合物料攪拌均勻，密封預(yù)處理反應(yīng)器進行加熱預(yù)處理，控制預(yù)處理溫度為160°C，預(yù)處理時間為 5h。將完成預(yù)處理的稻草、水混合物取出后放入沼氣發(fā)酵反應(yīng)器接種進行中溫 (370C )厭氧發(fā)酵，為了調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的碳氮比，采用富含氮的廚余垃圾沼氣發(fā)酵剩余物作為接種物，同時添加少量碳酸氫銨，發(fā)酵時間為25天，累積產(chǎn)甲烷量為6200mL，經(jīng)預(yù)處理后稻草的單位質(zhì)量產(chǎn)甲烷量為155mL/g TS。為便于直觀比較，將實施例I 3和對照例I 3的預(yù)處理條件和沼氣發(fā)酵結(jié)果作表I和圖I。以對照例I作為比較基準(zhǔn)，雖然采用較低溫度和較短時間的對照例2預(yù)處理可以提高原料產(chǎn)甲烷量10%，但是采用與對照例2相同的預(yù)處理溫度和時間、添加3g乙酸進行的實施例I預(yù)處理，可以提高原料產(chǎn)甲烷量的36% ;同樣以對照例I作為比較基準(zhǔn)，雖然采用較高溫度和較長時間的對照例3預(yù)處理，能夠顯著提高原料產(chǎn)甲烷量41% ;但是采用與對照例3相同的預(yù)處理溫度和時間、添加IOg乙酸進行的實施例3預(yù)處理，能夠大幅提高原料產(chǎn)甲烷量86%。值得一提的是，實施例中添加的乙酸，最后也轉(zhuǎn)化為沼氣，提高了沼氣產(chǎn)量，這在一定程度上降低了單位沼氣產(chǎn)量的預(yù)處理成本。表I :實施例I 3和對照例I 3的預(yù)處理條件和沼氣發(fā)酵結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種秸桿沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法，其特征在于，包括以下步驟將秸桿原料粉碎，加入到預(yù)處理反應(yīng)器中，添加揮發(fā)性脂肪酸或含揮發(fā)性脂肪酸的有機廢水，添加量按揮發(fā)性脂肪酸與秸桿干物質(zhì)質(zhì)量比為I : 4 15，再向預(yù)處理反應(yīng)器中加水調(diào)節(jié)秸桿干物質(zhì)質(zhì)量濃度為8% 15%，攪拌混合物料使其均勻，密封預(yù)處理反應(yīng)器后進行加熱浸泡預(yù)處理，控制預(yù)處理溫度為80°C 160°C，預(yù)處理時間為O. 5h 5h，得到預(yù)處理后的原料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的秸桿沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法，其特征在于，所述的將稻桿原料粉碎是將稻桿原料粉碎至粒徑O. 5 1cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的秸桿沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法，其特征在于，所述秸桿為稻草、麥桿、玉米秸、米草、狼尾草、皇草或象草。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的秸桿沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法，其特征在于，所述揮發(fā)性脂肪酸為甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸或異丁酸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的秸桿沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法，其特征在于，所述揮發(fā)性脂肪酸為乙酸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種秸稈沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理新方法。它是將秸稈原料粉碎，加入到預(yù)處理反應(yīng)器中，添加揮發(fā)性脂肪酸或含揮發(fā)性脂肪酸的有機廢水，添加量按揮發(fā)性脂肪酸與秸稈干物質(zhì)質(zhì)量比為1∶4～15，再向預(yù)處理反應(yīng)器中加水調(diào)節(jié)秸稈干物質(zhì)質(zhì)量濃度為8％～15％，攪拌混合物料使其均勻，密封預(yù)處理反應(yīng)器后進行加熱浸泡預(yù)處理，控制預(yù)處理溫度為80℃～160℃，預(yù)處理時間為0.5h～5h，得到預(yù)處理后的原料。本發(fā)明能夠避免設(shè)備和管道腐蝕，避免溶解性有機質(zhì)的損失，減少堿金屬離子的大量引入積累，避免厭氧發(fā)酵抑制和環(huán)境污染，有利于沼渣的后續(xù)利用，能降低單位沼氣產(chǎn)量的預(yù)處理成本。
文檔編號C12P5/02GK102604999SQ20121008917
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者孔曉英, 孫永明, 李 東, 李志兵, 李連華, 王瑤, 甄峰, 袁振宏 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所