專利名稱:一種氨-生物聯(lián)合處理小麥秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域：
的方法，具體是一種氨-生物聯(lián)合處理小麥稻桿制取沼氣的方法。
背景技術(shù)：
小麥作為我國北方主要的農(nóng)作物之一，小麥秸桿資源量占秸桿總資源量的 18.31%。我國秸桿利用率只占發(fā)達國家利用率的35%左右。由于沒有得到很好的利用，近年來各地大面積焚燒秸桿的現(xiàn)象時常發(fā)生，秸桿燃燒熱值低，不僅造成資源浪費，而且污染環(huán)境，毀壞樹木和耕地。因此，尋求一種可利用秸桿進行循環(huán)利用的方式已經(jīng)成為我國迫切需要解決的問題。
對秸桿進行預處理，打破秸桿中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素形成的晶體結(jié)構(gòu)，使微生物能有效的、快速的運用底物進行發(fā)酵代謝是秸桿厭氧發(fā)酵一項關(guān)鍵的技術(shù)。通常來講， 秸桿預處理的方法有三種物理法，生物法和化學法。小麥秸桿是一個木質(zhì)纖維素的復合結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測定，秸桿中通常含有33%的纖維素，35%的半纖維素，18 %的木質(zhì)素以及14%的灰分。小麥秸桿中含有O. 4%的N元素。秸桿中的C N約為75 I。木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)， 比如說秸桿，是很難進行生物降解的。對秸桿進行預處理，比如說機械處理，熱處理，化學強酸強堿處理以增強秸桿的降解能力是很有必要的。對秸桿預處理是提高秸桿利用率和產(chǎn)氣率的一種有效手段，成為目前秸桿沼氣利用研究的重要內(nèi)容。秸桿預處理研究體現(xiàn)在營養(yǎng)調(diào)節(jié)和質(zhì)地改善兩個方面。營養(yǎng)調(diào)節(jié)通常是調(diào)整碳氮比，主要的方法是將碳氮含量不同的發(fā)酵原料混和發(fā)酵，例如畜禽糞便；或添加一些化學試劑，如尿素或碳酸氫銨，從而調(diào)節(jié)營養(yǎng)比例以適合產(chǎn)甲烷微生物的生長。質(zhì)地的改善主要有物理、化學和生物方法,這些方法都是通過改變或改善秸桿的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地來提高秸桿原料的利用率。
專利公開號為102154374A的中國發(fā)明專利，名稱為酸預處理水稻秸桿制取沼氣的方法(申請?zhí)?01010618326.2申請日2010-12-30)，該專利提供了一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域：
的酸預處理水稻秸桿制取沼氣的方法，通過將水稻秸桿經(jīng)酸預處理后進行完全混合式厭氧發(fā)酵以制取沼氣。但是，經(jīng)過酸化后的秸桿應用到厭氧發(fā)酵的過程中，容易產(chǎn)生糠醛等抑制物，抑制厭氧發(fā)酵的進行。此外，酸預處理的成本過高，厭氧發(fā)酵周期過長，不適合實際工程的利用。
中國專利申請?zhí)枮?01110344086. 6,該專利公開了一種利用氨預處理小麥稻桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，提高了效率，本發(fā)明在該專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合生物預處理進一步提高發(fā)酵效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，解決了小麥秸桿發(fā)酵中效率低的問題，縮短了發(fā)酵周期。
本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明通過將小麥秸桿依次進行氨預處理、生物預處理后進行完全混合式厭氧發(fā)酵來產(chǎn)沼氣。
所述的小麥秸桿是指經(jīng)洗凈并在自然晾干后切成2 3cm長的小段的小麥秸桿。
所述的氨預處理是指采用濃度為35 50g/L的尿素溶液，按照小麥秸桿的質(zhì)量與尿素溶液的體積比例為50g 200ml混合，并密封置于30°C的溫度下處理。
所述的生物預處理是指采用黃孢原毛平革菌和里氏木霉，按照兩種菌的孢子數(shù)為IX IO6個I X IO6個 I X IO9個I X IO9個，預處理的pH值為4 5，并密封置于27°C 的溫度下處理。
所述氨預處理密封置于30°C的溫度下處理時間為25天。
所述生物預處理密封置于27°C的溫度下處理時間為6天。
所述的完全混合式厭氧發(fā)酵是指將氨處理過后的小麥秸桿置于發(fā)酵罐中，然后調(diào)節(jié)碳氮比為20 I 30 1，發(fā)酵罐中加入質(zhì)量為總發(fā)酵液質(zhì)量30%的接種物，調(diào)節(jié)初始PH值至6. 8 7. 4，最后置于恒溫水浴中厭氧發(fā)酵。
所述的調(diào)節(jié)碳氮比是指采用碳酸氫銨進行調(diào)節(jié)。
所述調(diào)節(jié)初始pH值至6. 8 7. 4是指用5mol/L的HCL調(diào)節(jié)初始pH值至6. 8 7. 4。
所述的恒溫水浴是指在38°C環(huán)境下恒溫攪拌，攪拌速度為100轉(zhuǎn)/分鐘。
所述厭氧發(fā)酵時間為22天。
所述接種物為活性污泥，取自正常發(fā)酵的沼氣系統(tǒng)的發(fā)酵殘余物。
本發(fā)明提高了小麥秸桿資源化、能源化和無害化的效率，將構(gòu)成環(huán)境污染的小麥秸桿轉(zhuǎn)化成一種優(yōu)質(zhì)可觀的清潔能源，處理小麥秸桿操作簡單，并且費用低廉，需要的條件溫和，與直接利用小麥秸桿進行沼氣發(fā)酵相比，提高了總產(chǎn)氣量、甲烷含量和縮短了發(fā)酵周期，產(chǎn)氣更加穩(wěn)定，解決了小麥秸桿發(fā)酵效率低的問題。通過試驗驗證得出采用氨-生物聯(lián)合處理的小麥秸桿在進行厭氧發(fā)酵過程中，pH始終維持在7 8之間，對發(fā)酵液的酸化有很好的調(diào)節(jié)作用。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
本實施例中所采用的發(fā)酵裝置由發(fā)酵瓶、集氣瓶、收集瓶、恒溫水浴振蕩器等部分組成，其發(fā)酵瓶為1000mL的三角瓶，瓶上用大小合適的硅膠塞塞上密封，在硅膠塞上鉆兩個空，一個分別接上兩根大小合適的玻璃管，一根與集氣瓶的導管連接，另一根作為取樣管。集氣瓶為1000mL的三角瓶，瓶中裝滿飽和食鹽水，瓶上用大小合適的硅膠塞塞上密封， 在娃膠塞上鉆兩個空，一個分別接上兩根大小合適的玻璃管，一長一短，長的伸入液面以下與后面的收集瓶相連，短管與前面的發(fā)酵瓶相連，收集瓶為1000mL普通玻璃瓶，連接管均用Φ8_的硅膠管，并用凡士林密封。當發(fā)酵瓶中產(chǎn)生沼氣后，氣體通過導管進入集氣瓶中，由于氣壓比集氣瓶大，故將液體壓出進入收集瓶，通過測量收集瓶中液體的體積，就得到產(chǎn)氣的體積。
本實施例具體實施步驟如下
(1)將原料小麥秸桿洗凈，并在自然條件下晾干，將其切成2 3cm的小段；[0024](2)取步驟(I)所得的原料50g加入到塑料桶中，加入濃度為35g/L的尿素溶液， 其中小麥秸桿的質(zhì)量與尿素溶液的體積比例為50g 200mL。同時設(shè)置對照組(加入200mL 蒸餾水不加尿素溶液)，然后在塑料桶上鋪上保鮮膜，蓋上蓋子，放置于30°C的溫度下處理 25天;
(3)取步驟⑵所得的小麥秸桿，用5mol/L的HCL溶液調(diào)節(jié)pH值分別至3，4，5， 6，7。通過之前預試驗可知，黃孢原毛平革菌和里氏木霉在培養(yǎng)6天后可達到試驗需求，按照兩種菌的孢子數(shù)為I X IO6個I X IO6個 I X IO9個I X IO9個，經(jīng)過菌種計數(shù)后，確定黃孢原毛平革菌和氏木霉的添加量，調(diào)配好后放置在塑料桶內(nèi)，再添加5g葡萄糖，方便微生物的啟動，用塑料薄膜密封后放入27°C的恒溫箱內(nèi)，放置6天，6天后將樣品組放入高溫滅菌鍋內(nèi)，在121°C，20min的條件下進行滅菌。試驗重復2次。
(4)測得步驟(3)所得原料的TS，設(shè)置加入秸桿的質(zhì)量使秸桿的TS為48g，投入到發(fā)酵裝置中，加入接種物240g和相應質(zhì)量的蒸餾水，其中接種物的量占總發(fā)酵液質(zhì)量的 30%，發(fā)酵料液總固體含量質(zhì)量分數(shù)為6%，其中總發(fā)酵液的質(zhì)量為800g ;本實施例中接種物為活性污泥，取自上海市崇明島前衛(wèi)村以豬糞為發(fā)酵原料正常發(fā)酵的沼氣系統(tǒng)的發(fā)酵殘余物，其總固體含量質(zhì)量分數(shù)為10. 47%，含水率質(zhì)量分數(shù)為89. 53%。
(5)調(diào)節(jié)步驟⑷中原料的碳氮比分別為25 : I ;
(6)對步驟(5)的原料用5mol/L的HCL調(diào)節(jié)初始pH值至7. O ；
(7)密封發(fā)酵裝置，并將其置于恒溫水浴中厭氧發(fā)酵22天，溫度控制在38°C，并將發(fā)酵裝置與排水裝置連接，并進行連續(xù)攪拌，攪拌速度為100轉(zhuǎn)/分鐘；
(8)采用排水法測沼氣的體積，并每天用量筒測量氣體體積，每5天取一次氣樣檢測其甲烷的含量。
上述實施例效果為在總產(chǎn)氣時間為22天中，生物處理pH值為3，4，5，6四組發(fā)酵產(chǎn)氣總體積分別為6975mL、9448mL、9349mL、7634mL，對照組氣體總體積為6972mL，最高產(chǎn)氣量的試驗組較對照組提高了 35. 51%。甲烷含量也得到了大幅度提升，其中pH = 4的處理組為最高，最高甲烷含量為54. 64%，較對照組提高了 3. 62%。
應當指出的是，以上是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明還有其他的實現(xiàn)方式，比如在本發(fā)明所述范圍內(nèi)變化其中的工藝參數(shù)、物料的比例關(guān)系等，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是很容易實現(xiàn)的。
盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權(quán)利要求
來限定。
權(quán)利要求
1.一種氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于，通過將小麥秸桿依次進行氨預處理、生物預處理后進行完全混合式厭氧發(fā)酵來產(chǎn)沼氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，所述的小麥秸桿是指經(jīng)洗凈并在自然晾干后切成2 3cm長的小段的小麥秸桿。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，所述的氨預處理是指采用濃度為35 50g/L的尿素溶液，按照小麥秸桿的質(zhì)量與尿素溶液的體積比例為50g 200mL混合，并密封置于30°C的溫度下處理；所述的生物預處理是指 采用黃孢原毛平革菌和里氏木霉，按照兩種菌的孢子數(shù)為I X IO6個I X IO6個 IXlO9 個I X IO9個，預處理的pH值為4 5，并密封置于27°C的溫度下處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，氨預處理中所述密封置于30°C的溫度下處理時間為25天；生物預處理中所述密封置于27°C 的溫度下處理時間為6天。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1-4任一項所述的氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，所述的完全混合式厭氧發(fā)酵是指將氨-生物聯(lián)合處理過后的小麥秸桿置于發(fā)酵罐中，然后調(diào)節(jié)碳氮比為20 I 30 I，發(fā)酵罐中加入質(zhì)量為總發(fā)酵液質(zhì)量30%的接種物，調(diào)節(jié)初始PH值至6. 8 7. 4，最后置于恒溫水浴中厭氧發(fā)酵。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的氨預處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，所述的調(diào)節(jié)碳氮比是指采用碳酸氫銨進行調(diào)節(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，所述調(diào)節(jié)初始PH值至6. 8 7. 4是指用5mol/L的HCL調(diào)節(jié)初始pH值至6. 8 7. 4。
8.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，所述的恒溫水浴是指在38°C環(huán)境下恒溫攪拌，攪拌速度為100轉(zhuǎn)/分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，所述厭氧發(fā)酵時間為22天。
10.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的氨-生物聯(lián)合處理小麥秸桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，其特征是， 所述接種物為活性污泥，取自正常發(fā)酵的沼氣系統(tǒng)的發(fā)酵殘余物。
專利摘要
本發(fā)明公開一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域：
的氨-生物聯(lián)合處理小麥秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法，通過將小麥秸稈依次進行氨預處理、生物預處理后進行完全混合式厭氧發(fā)酵來產(chǎn)沼氣。本發(fā)明實現(xiàn)利用小麥秸稈高效穩(wěn)定的制取沼氣。它的特點是發(fā)酵周期短，產(chǎn)氣穩(wěn)定，產(chǎn)氣量大，產(chǎn)氣中甲烷含量高，解決了小麥秸稈廢棄物厭氧消化產(chǎn)氣困難的問題，為小麥秸稈資源化、能源化利用提供了切實可行的參考。
文檔編號C12P5/02GKCN102586335SQ201210054373
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月2日
發(fā)明者劉榮厚, 吳晉鍇 申請人:上海交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan