專利名稱：一種濕式常溫處理提高楊樹廢料沼氣產(chǎn)量的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源領域，具體涉及一種利用楊樹廢料進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的方法，尤其涉及一種濕式常溫處理楊樹廢料，提高楊樹廢料沼氣產(chǎn)量的方法。
背景技術：
楊樹是楊柳科kSeiIiceiceeie)楊屬ipopulus、植物的統(tǒng)稱[1]。因其生長快、適應性強、繁殖容易、木材用途廣、易于更新等成為人工林中的一種優(yōu)良速生樹種[2]，是我國重要的速生豐產(chǎn)林和短周期工業(yè)用材林首選樹種，也是世界人工林三大速生樹種之一。我國處于楊樹中心分布區(qū)域，世界楊樹天然種類100余種，我國就有53種&4]。據(jù)估計，我國楊樹人工林面積已經(jīng)達到800萬hm2[5’6]。無論是楊樹種植面積還是蓄積量均居世界首位[1]。目前，發(fā)展楊樹主要是為了滿足我國日益短缺的木材需求，培育方向為用材林和紙漿林，相關研究主要集中在這兩方面[1，8]。楊樹主要被利用的部分是樹干，但是楊樹周身都是寶，過去人們對其缺乏研究，特別是楊樹的葉、皮、枝均被拋棄或作燃料。隨著生物醫(yī)藥、畜牧科技與木材加工技術的蓬勃發(fā)展，人們對楊樹全樹的開發(fā)利用進行了全方位研究，取得了卓有成效的進展[9]。在楊樹木材加工過程中產(chǎn)生大量的樹皮，可以達到木材材積的1(Γ15%，其利用途徑有生產(chǎn)樹皮人造板、建筑材料和作為燃料[9]。在能源日益緊張的現(xiàn)在，將楊樹皮作為生物質(zhì)能源加以利用是處理和利用楊樹皮的有效途徑，也已經(jīng)越來越受到人們的重視。樹皮燃燒可以產(chǎn)生蒸汽，用來發(fā)電，就其熱效而言，大約5. 5 kg濕樹皮相當于I kg柴油[1°]。目前，直接燃燒仍是生物質(zhì)能利用的主要方式之一，是最簡單的熱化學轉化工藝[11]，但這種方式熱轉換效率低下,嚴重浪費了生物質(zhì)資源,也污染了環(huán)境,本發(fā)明將通過楊樹皮、楊樹邊材等楊樹廢料作為沼氣發(fā)酵的原料，生產(chǎn)沼氣，既提高生物質(zhì)資源利用率，也減少污染，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟?？偫w維素(纖維素和半纖維素)作為沼氣發(fā)酵的主要成分，其含量越高，越有利于沼氣發(fā)酵，是評價一種材料是否適合于沼氣發(fā)酵的一個非常重要的指標。同農(nóng)作物小麥玉米秸桿相比，楊樹木材中的木質(zhì)纖維素含量較高，其中，纖維素占楊樹木材全量的4(Γ50% 以上,總纖維素占楊樹木材全量約80%。并且，大多數(shù)闊葉材偏酸性,而楊樹木材以偏堿性或者中性為主[12]。這可以一定程度上防止厭氧發(fā)酵過程中因酸化而導致產(chǎn)氣量降低甚至終止的現(xiàn)象。而且楊樹木材的多孔性[12]，會增大發(fā)酵菌與底物的接觸面積，從而加速其降解， 利于沼氣的產(chǎn)生。根據(jù)上述特點，楊樹廢料可以作為一種理想的沼氣發(fā)酵底物加以利用，可一定程度滿足農(nóng)村能源不足的現(xiàn)狀，其發(fā)酵之后的沼渣可用作有機肥使用。但是，楊樹木材中含有較農(nóng)作物秸桿更高的木質(zhì)素，發(fā)酵菌對木質(zhì)素的降解能力又較弱，從而導致了厭氧發(fā)酵過程放緩、產(chǎn)氣量減少和效益不高。很大程度上限制了楊樹廢料的生物質(zhì)能的轉化和利用。目前對于木質(zhì)纖維素材料的處理方法有物理、生物和化學方法，其目的是希望通過預處理改變木質(zhì)纖維素材料的物理結構或者把它降解成簡單的成分，以利于隨后厭氧菌的消化利用，從而提高沼氣產(chǎn)量。物理方法相對簡單，但只是改變了原材料的尺寸，并沒有使其結構得以改變，因此處理效果有限；生物方法效果較為明顯，但處理時間長，在實際應用中較少使用?；瘜W處理方法以其處理效果好，時間短等優(yōu)點得到廣泛的應用?；瘜W處理方法中，又以NaOH的處理效果最好。傳統(tǒng)的NaOH液態(tài)化學處理雖然產(chǎn)氣效果較好,但由于其堿含量高，對反應器的設計要求也較高；而且為了避免環(huán)境污染，反應液還必須進行回收處理，從而導致整個工藝成本較高。為了解決NaOH液態(tài)化學處理法存在的問題，本發(fā)明提供了兩種堿性物質(zhì)(氫氧化鈉和氨水)的組合，對楊樹廢料進行常溫預處理，通過改變其物理結構，將它降解為成分簡單，便于厭氧菌群消化利用的發(fā)酵底物，不但降低了對設備的要求，而且也減少了對環(huán)境的污染。傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝中需要在厭氧發(fā)酵過程中實時添加氮源滿足微生物生長，從而提高生物氣的產(chǎn)量，但在應用過程中會帶來諸多不方便，增加了勞動成本和勞動作業(yè)量。本發(fā)明中氨水的添加一方面提高了化學處理的效果，另一方面在厭氧發(fā)酵過程中為厭氧微生物補充適量的氮源，不但降低了成本，而且縮短了化學處理時間，提高了沼氣產(chǎn)量。[I]徐維英.楊樹[M].哈爾濱黑龍江人民出版社，1988.方升佐，王明庥，黃敏仁，等.江蘇楊樹資源培育與產(chǎn)業(yè)化[J].林業(yè)科技開發(fā)， 2004，18 (I) 3—5.彭鎮(zhèn)華.長江中下游濰地楊樹栽培與利用[M].北京中國林業(yè)出版社，2001.Donald、Dickmann. Poplar culture in North America[M]. Ottawa :NRC Research Press，National Research Council of Canada,2001.鄭世愷，高瑞桐.楊樹集約栽培和病蟲害防治[M].北京金盾出版社.1996.張綺紋，李金花.楊樹工業(yè)用材林新品種[Μ].北京中國林業(yè)出版社，2003.張久榮，吳玉章.人工林楊水利用現(xiàn)狀及前景[J].中國林業(yè)產(chǎn)業(yè)，2006 (11) 24-2 6.梁軍，方升佐，徐錫增.楊工業(yè)用材林直徑分布及產(chǎn)量模型系統(tǒng)的研究[J].南京林業(yè)大學學報.1996，20 (2) :65-69.菅根柱.楊樹綜合開發(fā)利用前景[J]林業(yè)科技開發(fā).2006,20(3)1-4.劉賢淼，張雙保，陳勇平木材工業(yè)固體廢棄物污染及其控制方法[J].國際木業(yè)， 2004(5) 23-25米鐵，唐汝江，陳漢平.生物質(zhì)能利用技術及研究進展[J].煤氣與熱力，2004， 24(12) :701-705.楊樹產(chǎn)業(yè)綜述，中國楊樹產(chǎn)業(yè)網(wǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了在濕式條件下，利用氫氧化鈉和氨水對楊樹廢料進行常溫預處理的方法。該方法可以顯著提高楊樹廢料厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量，同時能夠降低堿用量、縮短預處理時間，其步驟主要包括
①化學預處理將一定量的氫氧化鈉和氨水與經(jīng)過粉碎的楊樹廢料充分混合均勻，調(diào)節(jié)楊樹廢料的濕度約為8(T90% (w/w)，然后于容器中密封并常溫放置，4天后出料；
②厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣向厭氧發(fā)酵裝置中投加經(jīng)預處理的楊樹廢料和接種物，并加水至TS負荷為3. 5^5% (w/ν,ν-發(fā)酵液的體積，w-底物重量)，調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵溫度為35 38°C， 并調(diào)節(jié)整個發(fā)酵系統(tǒng)的碳氮比為2(T30:1 (w/w)，密封厭氧發(fā)酵裝置，Γ3天后開始產(chǎn)生沼氣，發(fā)酵周期為65 70天，最后卸出沼渣。在步驟①化學預處理中，氫氧化鈉和氨水(NH3含量25%_28%)的添加量分別為楊樹廢料的干重的1% (w/w)和4 7% (w/w) ο在密封容器中放置4天。通過對步驟①中氫氧化鈉和氨水的控制，能有效的避免反應液的酸化現(xiàn)象，更易于達到穩(wěn)定的產(chǎn)氣效果。在此過程中，通過強堿的作用，既可以破壞楊樹廢料內(nèi)木質(zhì)纖維素結構，使得更多的纖維素和半纖維素得以釋放，又避免了因較高的堿濃度所導致的干物質(zhì)損失較大、成本高、反應系統(tǒng)呈現(xiàn)堿性而需要在厭氧發(fā)酵過程之前進行PH調(diào)節(jié)等問題。本發(fā)明中，氨水的使用既能一定程度上加強預處理的效果又減少了 NaOH的用量， 也可以補充一定量的氮源，使之達到合適的碳氮比范圍2(T30:1 (w/w)，從而省略了厭氧發(fā)酵之前補充氮源的環(huán)節(jié)。本發(fā)明中，確保步驟①中楊樹廢料的濕度約為8(T90%(w/w)(沒有多余液體流出)。本發(fā)明中，步驟②的厭氧發(fā)酵的最佳溫度為37°C。本發(fā)明中，楊樹廢料包括楊樹木材加工過程中產(chǎn)生的木屑、邊材和樹皮，所述的粉碎是指將楊樹廢料通過粉碎機加工為40目大小的尺寸。本發(fā)明中，所述的厭氧發(fā)酵裝置為單相或固液兩相的反應器。本發(fā)明中，所述的厭氧發(fā)酵環(huán)境的pH值為6. 8 7. 5。本發(fā)明中，所述的接種物是以甲烷八疊球菌和甲烷桿菌為主的沼泥或堆慪后的糞便，且接種物的添加量為物料干重的l(T30%(w/w)，具體添加量根據(jù)沼泥等接種物中的主要發(fā)酵菌群的含量而確定的。本發(fā)明中，調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵裝置中的TS負荷在3. 5 5% (w/v)之間。本發(fā)明中，整個厭氧發(fā)酵過程需要65 70天。本發(fā)明中，經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的沼渣中含有氮、磷、鉀等多種元素和各類氨基酸、維生素、蛋白質(zhì)、赤霉素、生長素、糖類、核酸以及抗生素等。既夠能起到改良土壤的作用，也能滿足作物生長的需要。本發(fā)明的有益效果
1、以楊樹廢料為原料發(fā)酵制取沼氣可以有效解決當前農(nóng)村普遍存在的沼用原料不足的問題，增加農(nóng)村沼氣能源，也可以將發(fā)酵剩余物作為優(yōu)質(zhì)的有機肥應用于農(nóng)業(yè)等領域。使楊樹全材得以充分高效的利用；
2、同傳統(tǒng)液態(tài)化學預處理相比，該濕式化學預處理既避免了預處理結束所帶來的對處理裝置的要求，也減少了回收的麻煩，節(jié)省了成本；
3、本發(fā)明不需要額外補充氮源，工藝過程操作簡便，管理亦方便，適于規(guī)模化應用；
4、由于處理前期加入的少量強堿NaOH和適量氨水等堿性物質(zhì)使得發(fā)酵過程不需要進行PH的調(diào)節(jié)就能保證發(fā)酵環(huán)境的pH值保持在6. 8^7. 5 ；
5、同未經(jīng)預處理的楊樹廢料相比，整個厭氧發(fā)酵周期的日均沼氣產(chǎn)量提高了 101 244%，沼氣中的有效成分甲烷氣體日均含量提高了 93 284%。
具體實施例方式實施例I :根據(jù)以下具體步驟制取沼氣
①將楊樹廢料粉碎加工為40目大小的尺寸；
②同時將楊樹廢料干重l%(w/w)的氫氧化鈉和楊樹廢料干重7%的(w/w)氨水加入到 7. 2倍于楊樹廢料干重的水中充分溶解之后，同步驟①中所得楊樹廢料混合均勻，此時發(fā)酵系統(tǒng)的碳氮比為20:1 (w/w)，使楊樹廢料的濕度約為8(T90%(W/W)(沒有多余液體流出)， 在常溫下密封放置4天；
③將預處理后的楊樹廢料和接種物投加到厭氧發(fā)酵裝置中，接種物的加入量約為發(fā)酵底物干重的30%(w/w)；
④向步驟③中的發(fā)酵料中加水至厭氧發(fā)酵裝置的TS負荷約為3.5%(w/v)(工作體積為 I. 5L)；
⑤密封厭氧發(fā)酵裝置，連接儲氣裝置后進行厭氧發(fā)酵，厭氧發(fā)酵溫度設置為37°C，發(fā)酵過程中不對發(fā)酵料液進行攪拌，厭氧發(fā)酵開始后的f 3天即產(chǎn)生沼氣，當反應進行至第70 天時，產(chǎn)氣量已明顯下降，此時即可結束該批次反應，排出沼渣，進行下一批次的厭氧發(fā)酵。整個反應周期沼氣產(chǎn)生總量比未經(jīng)本發(fā)明處理的楊樹廢料提高了 114%(工作體積為I. 5L)，沼氣中甲烷的含量提高了 101. 2%。實施例2 :根據(jù)以下具體步驟制取沼氣
①將楊樹廢料粉碎加工為40目大小的尺寸；
②同時將楊樹廢料干重l%(w/w)的氫氧化鈉和楊樹廢料干重4%的(w/w)氨水加入到
7.2倍于楊樹廢料干重的水中充分溶解之后，同步驟①中所得楊樹廢料混合均勻，此時發(fā)酵系統(tǒng)的碳氮比為30:1 (w/w)，使楊樹廢料的濕度約為8(T90%(W/W)(沒有多余液體流出)， 在常溫下密封放置4天；
③將預處理后的楊樹廢料和接種物投加到厭氧發(fā)酵裝置中，接種物的加入量約為發(fā)酵底物干重的20%(w/w)；
④向步驟③中的發(fā)酵料中加水至厭氧發(fā)酵裝置的TS負荷約為5.0%(w/v)(工作體積為
I.5L)；
⑤密封厭氧發(fā)酵裝置，連接儲氣裝置后進行厭氧發(fā)酵，厭氧發(fā)酵溫度設置為37°C，發(fā)酵過程中不對發(fā)酵料液進行攪拌，厭氧發(fā)酵開始后的f 3天即產(chǎn)生沼氣，當反應進行至第70 天時，產(chǎn)氣量已明顯下降，此時即可結束該批次反應，排出沼渣，進行下一批次的厭氧發(fā)酵。整個反應周期沼氣產(chǎn)生總量比未經(jīng)本發(fā)明處理的楊樹廢料提高了 244%(工作體積為I. 5L)，沼氣中甲烷的含量提高了 284%。
權利要求
1.一種濕式常溫處理提高楊樹廢料沼氣產(chǎn)量的方法，其步驟主要包括①化學預處理將堿液與經(jīng)過粉碎的楊樹廢料充分混合均勻，調(diào)節(jié)楊樹廢料的濕度為 8(T90% (w/w)，然后于容器中密封并常溫放置，4天后出料；②厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣向厭氧發(fā)酵裝置中投加經(jīng)預處理的楊樹廢料和接種物，并加水至TS負荷為3. 5 5%(w/v)，調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵溫度35 38 V，厭氧發(fā)酵環(huán)境的pH值為6. 8^7. 5， 發(fā)酵系統(tǒng)的碳氮比2(T30: l(w/w)，密封裝置，Γ3天后開始產(chǎn)生沼氣，發(fā)酵周期為65 70天， 最后卸出沼洛；其特征在于所述堿液為氫氧化鈉和氨水的混合液。
2.如權利要求I所述的一種濕式常溫處理提高楊樹廢料沼氣產(chǎn)量的方法，其特征在于堿液中所述氫氧化鈉添加量為楊樹廢料干重的1% (w/w)，氨水的添加量為楊樹廢料干重的4 7% (w/w)。
3.如權利要求I所述的一種濕式常溫處理提高楊樹廢料沼氣產(chǎn)量的方法，其特征在于步驟②的厭氧發(fā)酵的最佳溫度為37 °C。
4.如權利要求I所述的一種濕式常溫處理提高楊樹廢料沼氣產(chǎn)量的方法，其特征在于所述的厭氧發(fā)酵裝置為單相或固液兩相的反應器。
5.如權利要求I所述的一種濕式常溫處理提高楊樹廢料沼氣產(chǎn)量的方法，其特征在于所述的最適碳氮比為25 : I (w/w)。
全文摘要
氫氧化鈉濕式常溫處理提高楊樹廢料沼氣產(chǎn)量的方法屬于生物質(zhì)能源領域。本發(fā)明提供了兩種堿性物質(zhì)(氫氧化鈉和氨水)的組合，對楊樹廢料進行常溫預處理，通過改變其物理結構，將它降解為成分簡單、便于厭氧菌群消化利用的發(fā)酵底物，以達到進一步降低預處理時的堿用量來降低成本，減少環(huán)境的污染的效果。該方法具有工藝過程操作簡便，環(huán)境友好，管理方便，可大幅度提高產(chǎn)氣量等優(yōu)點，使楊樹全才得以充分利用。
文檔編號C12P5/02GK102605000SQ20121009665
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權日2012年4月5日
發(fā)明者何文亮, 何木蘭, 向云, 姚義清, 安黎哲, 張華 , 盛紅梅, 馬麗英 申請人:蘭州大學