專利名稱：純氨濕式浸泡常溫預(yù)處理提高稻草甲烷產(chǎn)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)固體廢物厭氧發(fā)酵領(lǐng)域。具體涉及到一種通過(guò)秸桿預(yù)處理提高秸桿厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷含量的方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)一直以來(lái)都是秸桿生產(chǎn)大國(guó)，十幾年以前秸桿曾經(jīng)是廣大農(nóng)村必不可少的生產(chǎn)和生活物質(zhì)，幾乎所有的秸桿都會(huì)被充分利用。但目前隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的改變，大量的秸桿被積累不能得到充分利用，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。在我國(guó)稻草產(chǎn)生量最高，因此如何將多余稻草秸桿充分利用一直是研究熱點(diǎn)。目前厭氧消化技術(shù)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(guò)程中，由于秸桿木質(zhì)素含量較高，而厭氧微生物很難消化木質(zhì)素，導(dǎo)致常規(guī)厭氧發(fā)酵消化過(guò)程周期太長(zhǎng)，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(méi)有得到大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展。通過(guò)大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)秸桿進(jìn)行一定條件下的預(yù)處理，可以有效的縮短消化周期，并且能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，其中堿化預(yù)處理更是一種應(yīng)用最廣的化學(xué)預(yù)處理方法。堿化預(yù)處理主要有氫氧化鈉預(yù)處理和氨化預(yù)處理，但是氨化預(yù)處理主要用于秸桿生化飼料的生產(chǎn)，對(duì)于厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的應(yīng)用很少，如專利CN200510009887. I公開了秸桿生化飼料的生產(chǎn)方法，該方法是將粉碎的秸桿浸泡液氨中，在高壓作用下短時(shí)間內(nèi)(I小時(shí)之內(nèi))使秸桿中的粗纖維發(fā)生轉(zhuǎn)化，并結(jié)合非蛋白氮制成氨化飼料。該預(yù)處理操作難度大，運(yùn)行成本高，不易推廣。文獻(xiàn)馬淑勅等.氨化預(yù)處理對(duì)稻草厭氧消化產(chǎn)氣性能影響，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(6) :294-299.中使用氨化(NH3 · H2O)預(yù)處理方法對(duì)麥秸進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理溫度為30°C，預(yù)處理時(shí)間為7天，晾曬2天，預(yù)處理時(shí)間共計(jì)9天。消化周期為70天，該方法當(dāng)與未經(jīng)氨化預(yù)處理的方法相比累計(jì)產(chǎn)氣量提高了 8 38%，該方法相對(duì)于氫氧化鈉預(yù)處理方法相比，不會(huì)造成二次污染，同時(shí)不需要調(diào)節(jié)碳氮比，但是其不足之處是氨化預(yù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，并沒(méi)有對(duì)甲烷總產(chǎn)量做出具體研究。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在低成本，低污染條件下產(chǎn)生高質(zhì)量的沼氣是重點(diǎn)。為了提高甲烷產(chǎn)量，降低厭氧發(fā)酵過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的污染，本發(fā)明采用一定參數(shù)下的氨化預(yù)處理方法來(lái)提高稻草厭氧消化產(chǎn)氣質(zhì)量，即提高甲烷產(chǎn)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種通過(guò)改變預(yù)處理參數(shù)提高秸桿厭氧消化過(guò)程中甲烷產(chǎn)量的預(yù)處理方法。本發(fā)明的具體步驟如下I)原料準(zhǔn)備。本發(fā)明所用秸桿為經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干且沒(méi)有發(fā)霉的稻草，并且粉碎至2cm以下。另外需要含氨試劑作為預(yù)處理試劑，可以為氨水、固態(tài)碳酸銨和尿素，本發(fā)明所用的試劑為一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水。厭氧發(fā)酵過(guò)程需要接種物，接種物厭氧污泥來(lái)自污水處理廠的活性污泥，包含有大量厭氧菌群，活性污泥需要沉降一周以上。2)原料預(yù)處理。先將切碎稻草放置密封袋中，并將袋中空氣排空，然后將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水和一定量水均勻混合迅速倒入密封袋里，氨水的添加量為純氨是稻草干重的2°/Γ6%，一定量的水加上氨水中的水和稻草中所含的水的總質(zhì)量為稻草干重的30°/Γ90%。其中當(dāng)總水量為60°/Γ90%時(shí)，稻草全部浸泡在含氨溶液中，并且剛好有少量多余流動(dòng)水存在，該狀態(tài)稱為濕式浸泡狀態(tài)。密封袋迅速封口，然后揉搓密封袋中的稻草使倒入的溶液均勻混合在稻草中。最后在25°C 35°C環(huán)境中保存，預(yù)處理時(shí)間為90tTll0h。(預(yù)處理時(shí)間的確定通過(guò)預(yù)先實(shí)驗(yàn)得到，在保存期間每天測(cè)定密封袋中預(yù)處理后稻草的PH，當(dāng)pH值變化趨于穩(wěn)定時(shí)視為預(yù)處理完成。經(jīng)過(guò)測(cè)定確定預(yù)處理時(shí)間為90tTll0h天。)3)厭氧發(fā)酵。將預(yù)處理后的稻草與厭氧污泥一起加入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器中，其中稻草的加入量為5(Tl00gTS/L (干重)，而厭氧污泥的加入量為15gMLSS/L。再加入自來(lái)水至 反應(yīng)器的總體積的80°/Γ90%，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32°C 37°C之間，搖動(dòng)。厭氧發(fā)酵反應(yīng)T8(l。在實(shí)際生產(chǎn)中反應(yīng)時(shí)間一般根據(jù)達(dá)到總產(chǎn)氣量80%的時(shí)間T8tl確定，T8tl是厭氧發(fā)酵周期長(zhǎng)短的表征參數(shù)。測(cè)定所用稻草和接種物的總固體含量TS和總揮發(fā)性固體VS，利用排水法測(cè)定每天的產(chǎn)氣量，測(cè)定甲烷百分含量，計(jì)算日產(chǎn)甲烷含量。所有數(shù)據(jù)用于評(píng)價(jià)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)預(yù)處理時(shí)間縮短。本發(fā)明的預(yù)處理時(shí)間縮短為90tTll0h，而馬淑勅等人的試驗(yàn)中預(yù)處理時(shí)間為9天(包括晾曬2天)，縮短了 49. 079Γ56. 5%。另外相對(duì)于其他堿預(yù)處理方法，本發(fā)明不需要調(diào)節(jié)額外N源，使生產(chǎn)簡(jiǎn)便化，并且厭氧發(fā)酵后的廢液不含有金屬物質(zhì)，不會(huì)造成二次污染，出料N源較豐富，可以有效進(jìn)行二次利用。2)厭氧發(fā)酵周期明顯縮短。25°C 35°C條件下高含水率預(yù)處理稻草能夠迅速進(jìn)入產(chǎn)甲烷高峰期，并且有效縮短厭氧發(fā)酵周期。對(duì)于純氨濃度為2%飛％，當(dāng)含水率在60% 90%之間時(shí)，T80分別縮短到21 33天、21 39天和32 39天，與含水率為30%預(yù)處理稻草相比縮短了 13. 15% 44. 70%、2. 5% 22. 5%和2. 5% 20% ;與未預(yù)處理的43天相比提前了23. 239Γ50. 1%、9. 30% 50. 1%和9. 30% 25. 5%。若將該結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際工程中可以使工程規(guī)模減少一倍，大大降低了投資成本。3)甲烷產(chǎn)量明顯提高。通過(guò)增加氨化預(yù)處理過(guò)程中含水率，可以有效提高甲烷總產(chǎn)量，提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能，從而能夠更好將稻草轉(zhuǎn)化為清潔能源。根據(jù)最短T8tl選擇不同預(yù)處理?xiàng)l件下的積累甲烷產(chǎn)量。當(dāng)預(yù)處理過(guò)程中純氨濃度為2%飛％時(shí)，含水率從60%增加到90%時(shí)，單位VS甲烷產(chǎn)量相對(duì)于30%含水率預(yù)處理稻草分別提高了 3. 23^8. 58倍、O. 13 9. 11倍、O. 62 5. 87倍；相對(duì)于未預(yù)處理稻草分別提高了 5. 90倍 14. 63倍、I倍 16. I倍、I. 6倍 10. 15倍。


圖I氨化預(yù)處理過(guò)程中pH值隨時(shí)間的變化圖；圖2實(shí)施例I中日產(chǎn)甲烷量圖；圖3實(shí)施例2中日產(chǎn)甲烷量圖4實(shí)施例3中日產(chǎn)甲烷量圖。
具體實(shí)施例方式在以下所有試驗(yàn)中，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的總體積為1L，經(jīng)過(guò)粉碎在2cm左右的稻草添加量為65gTS/L，所用的預(yù)處理試劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的氨水。接種污泥的添加量為15gMLSS/L。實(shí)施例I稱取三份稻草，每份稻草量為52g (以TS計(jì))，將是稻草干重的2%的純氨與一定量水均勻混合后噴灑到粉碎后的稻草上，一定量水加上稻草中的水和25%ΝΗ3 ·Η20中的水是稻草干重30%、60%、75%和90%，2%的純氨換算為25% NH3 · H2O量為4. 16mL,額外加的水量分別為17mL、74mL、206. 40mL和472mL。將預(yù)處理后的稻草密封與自封袋中，在30°C條件下預(yù)處理96h。對(duì)照組為30%含水率預(yù)處理的稻草和未預(yù)處理的稻草。
經(jīng)過(guò)預(yù)處理的稻草與12g厭氧污泥混合，加到厭氧消化反應(yīng)器中，加自來(lái)水至反應(yīng)器體積的80%。將加完物料充氮?dú)獠⒚芊獾姆磻?yīng)器放到32°C搖床內(nèi)，搖動(dòng)。通過(guò)排水集氣法記錄每天的產(chǎn)氣量，并測(cè)定每天的甲烷百分含量，計(jì)算甲烷總產(chǎn)量，然后計(jì)算T8(l。甲烷日產(chǎn)量變化見圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表I所示表I
權(quán)利要求
1.純氨濕式浸泡常溫預(yù)處理提高稻草甲烷產(chǎn)量的方法，其特征在于步驟如下 1)原料準(zhǔn)備采用秸桿為經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干且沒(méi)有發(fā)霉的稻草，并且粉碎至2cm以下；接種物為厭氧污泥，厭氧污泥為污水處理廠的活性污泥沉降一周以上； 2)原料預(yù)處理先將切碎稻草放置密封袋中，并將袋中空氣排空，然后 將氨水和水均勻混合倒入密封袋里，氨水的添加量以純氨計(jì)量是稻草干重的2%飛％，水加上氨水中的水和稻草中所含的水的總質(zhì)量為稻草干重的30°/Γ90% ;其中當(dāng)總水量為60°/Γ90%時(shí)，稻草全部浸泡在含氨溶液中，并且剛好有少量多余流動(dòng)水存在，該狀態(tài)稱為濕式浸泡狀態(tài)；密封袋封口，然后揉搓密封袋中的稻草使倒入的溶液均勻混合在稻草中；最后在25°C 35°C環(huán)境中保存，預(yù)處理時(shí)間為90tTll0h ； 3)厭氧發(fā)酵將預(yù)處理后的稻草與上述厭氧污泥一起加入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器中， 其中稻草的加入量以干重計(jì)量為5(Tl00gTS/L，而厭氧污泥的加入量為15gMLSS/L ;再加入自來(lái)水至反應(yīng)器的總體積的809Γ90%，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32°C 37°C之間，搖動(dòng)；厭氧發(fā)酵反應(yīng)T8(l，T8tl為根據(jù)達(dá)到總產(chǎn)氣量80%的時(shí)間；測(cè)定所用稻草和接種物的總固體含量TS和總揮發(fā)性固體VS，利用排水法測(cè)定每天的產(chǎn)氣量，測(cè)定甲烷百分含量，計(jì)算日產(chǎn)甲烷含量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過(guò)秸稈預(yù)處理提高秸稈甲烷產(chǎn)量的方法。該方法是將氨水與水混合后均勻噴灑到放置在密封袋中稻草上，使稻草處于濕式浸泡狀態(tài)，在常溫條件下預(yù)處理90h~110h。通過(guò)調(diào)節(jié)濕式浸泡狀態(tài)下的不同含水量來(lái)提高預(yù)處理效果，并使厭氧發(fā)酵過(guò)程中沼氣的甲烷含量明顯提高。結(jié)果表明常溫60%~90%含水條件下預(yù)處理稻草能夠迅速進(jìn)入產(chǎn)甲烷高峰期，并且有效縮短厭氧發(fā)酵周期。對(duì)于純氨濃度為2%~6%，當(dāng)含水率在60%~90%之間時(shí)，與未預(yù)處理的43天相比T80縮短了23.23%~50.1%、9.30%~50.1%和9.30%~25.5%。若將該結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際工程中可以使工程規(guī)模減少一倍，大大降低了投資成本。同時(shí)相對(duì)于未預(yù)處理稻草單位VS甲烷產(chǎn)量分別提高了5.90倍～14.63倍、1倍~16.1倍、1.6倍~10.15倍。
文檔編號(hào)C12P5/02GK102827879SQ20121034749
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者李秀金, 張亞甜, 袁海榮, 鄒德勛, 朱保寧 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)