專利名稱：純氨濕式浸泡常溫預處理提高稻草甲烷產量的方法
技術領域：
本發明屬于有機固體廢物厭氧發酵領域。具體涉及到一種通過秸桿預處理提高秸桿厭氧發酵產甲烷含量的方法。
背景技術：
我國一直以來都是秸桿生產大國，十幾年以前秸桿曾經是廣大農村必不可少的生產和生活物質，幾乎所有的秸桿都會被充分利用。但目前隨著農業的快速發展以及農村能源結構的改變，大量的秸桿被積累不能得到充分利用，造成嚴重浪費。在我國稻草產生量最高，因此如何將多余稻草秸桿充分利用一直是研究熱點。目前厭氧消化技術是一種可以將秸桿有效轉化為清潔能源以實現資源能源化利 用的方法。但是在實際操作過程中，由于秸桿木質素含量較高，而厭氧微生物很難消化木質素，導致常規厭氧發酵消化過程周期太長，產甲烷量太少，投入產出效益差，因此秸桿的常規厭氧發酵技術并沒有得到大規模應用與發展。通過大量的試驗研究發現通過對秸桿進行一定條件下的預處理，可以有效的縮短消化周期，并且能很大程度的提高甲烷產量。秸桿的預處理方法包括很多種，最常用的是化學預處理方法，其中堿化預處理更是一種應用最廣的化學預處理方法。堿化預處理主要有氫氧化鈉預處理和氨化預處理，但是氨化預處理主要用于秸桿生化飼料的生產，對于厭氧發酵產氣的應用很少，如專利CN200510009887. I公開了秸桿生化飼料的生產方法，該方法是將粉碎的秸桿浸泡液氨中，在高壓作用下短時間內(I小時之內)使秸桿中的粗纖維發生轉化，并結合非蛋白氮制成氨化飼料。該預處理操作難度大，運行成本高，不易推廣。文獻馬淑勅等.氨化預處理對稻草厭氧消化產氣性能影響，農業工程學報，2011，27(6) :294-299.中使用氨化(NH3 · H2O)預處理方法對麥秸進行預處理，預處理溫度為30°C，預處理時間為7天，晾曬2天，預處理時間共計9天。消化周期為70天，該方法當與未經氨化預處理的方法相比累計產氣量提高了 8 38%，該方法相對于氫氧化鈉預處理方法相比，不會造成二次污染，同時不需要調節碳氮比，但是其不足之處是氨化預處理時間較長，并沒有對甲烷總產量做出具體研究。在實際生產過程中，在低成本，低污染條件下產生高質量的沼氣是重點。為了提高甲烷產量，降低厭氧發酵過程對環境造成的污染，本發明采用一定參數下的氨化預處理方法來提高稻草厭氧消化產氣質量，即提高甲烷產量。

發明內容
本發明的目的在于，提供一種通過改變預處理參數提高秸桿厭氧消化過程中甲烷產量的預處理方法。本發明的具體步驟如下I)原料準備。本發明所用秸桿為經過自然風干且沒有發霉的稻草，并且粉碎至2cm以下。另外需要含氨試劑作為預處理試劑，可以為氨水、固態碳酸銨和尿素，本發明所用的試劑為一定質量分數的氨水。厭氧發酵過程需要接種物，接種物厭氧污泥來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，然后將一定質量分數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量為稻草干重的30°/Γ90%。其中當總水量為60°/Γ90%時，稻草全部浸泡在含氨溶液中，并且剛好有少量多余流動水存在，該狀態稱為濕式浸泡狀態。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環境中保存，預處理時間為90tTll0h。(預處理時間的確定通過預先實驗得到，在保存期間每天測定密封袋中預處理后稻草的PH，當pH值變化趨于穩定時視為預處理完成。經過測定確定預處理時間為90tTll0h天。)3)厭氧發酵。將預處理后的稻草與厭氧污泥一起加入厭氧發酵反應器中，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。再加入自來水至 反應器的總體積的80°/Γ90%，充入氮氣，然后用橡膠塞密封，并將反應器固定在搖床中，搖床溫度恒定在32°C 37°C之間，搖動。厭氧發酵反應T8(l。在實際生產中反應時間一般根據達到總產氣量80%的時間T8tl確定，T8tl是厭氧發酵周期長短的表征參數。測定所用稻草和接種物的總固體含量TS和總揮發性固體VS，利用排水法測定每天的產氣量，測定甲烷百分含量，計算日產甲烷含量。所有數據用于評價氨化預處理效果。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果I)預處理時間縮短。本發明的預處理時間縮短為90tTll0h，而馬淑勅等人的試驗中預處理時間為9天(包括晾曬2天)，縮短了 49. 079Γ56. 5%。另外相對于其他堿預處理方法，本發明不需要調節額外N源，使生產簡便化，并且厭氧發酵后的廢液不含有金屬物質，不會造成二次污染，出料N源較豐富，可以有效進行二次利用。2)厭氧發酵周期明顯縮短。25°C 35°C條件下高含水率預處理稻草能夠迅速進入產甲烷高峰期，并且有效縮短厭氧發酵周期。對于純氨濃度為2%飛％，當含水率在60% 90%之間時，T80分別縮短到21 33天、21 39天和32 39天，與含水率為30%預處理稻草相比縮短了 13. 15% 44. 70%、2. 5% 22. 5%和2. 5% 20% ;與未預處理的43天相比提前了23. 239Γ50. 1%、9. 30% 50. 1%和9. 30% 25. 5%。若將該結果應用到實際工程中可以使工程規模減少一倍，大大降低了投資成本。3)甲烷產量明顯提高。通過增加氨化預處理過程中含水率，可以有效提高甲烷總產量，提高厭氧發酵的產氣性能，從而能夠更好將稻草轉化為清潔能源。根據最短T8tl選擇不同預處理條件下的積累甲烷產量。當預處理過程中純氨濃度為2%飛％時，含水率從60%增加到90%時，單位VS甲烷產量相對于30%含水率預處理稻草分別提高了 3. 23^8. 58倍、O. 13 9. 11倍、O. 62 5. 87倍；相對于未預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氨化預處理過程中pH值隨時間的變化圖；圖2實施例I中日產甲烷量圖；圖3實施例2中日產甲烷量圖4實施例3中日產甲烷量圖。
具體實施例方式在以下所有試驗中，厭氧發酵反應器的總體積為1L，經過粉碎在2cm左右的稻草添加量為65gTS/L，所用的預處理試劑為質量分數為25%的氨水。接種污泥的添加量為15gMLSS/L。實施例I稱取三份稻草，每份稻草量為52g (以TS計)，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。將預處理后的稻草密封與自封袋中，在30°C條件下預處理96h。對照組為30%含水率預處理的稻草和未預處理的稻草。
經過預處理的稻草與12g厭氧污泥混合，加到厭氧消化反應器中，加自來水至反應器體積的80%。將加完物料充氮氣并密封的反應器放到32°C搖床內，搖動。通過排水集氣法記錄每天的產氣量，并測定每天的甲烷百分含量，計算甲烷總產量，然后計算T8(l。甲烷日產量變化見圖2。實驗結果如下表I所示表I
權利要求
1.純氨濕式浸泡常溫預處理提高稻草甲烷產量的方法，其特征在于步驟如下 1)原料準備采用秸桿為經過自然風干且沒有發霉的稻草，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量為稻草干重的30°/Γ90% ;其中當總水量為60°/Γ90%時，稻草全部浸泡在含氨溶液中，并且剛好有少量多余流動水存在，該狀態稱為濕式浸泡狀態；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環境中保存，預處理時間為90tTll0h ； 3)厭氧發酵將預處理后的稻草與上述厭氧污泥一起加入厭氧發酵反應器中， 其中稻草的加入量以干重計量為5(Tl00gTS/L，而厭氧污泥的加入量為15gMLSS/L ;再加入自來水至反應器的總體積的809Γ90%，充入氮氣，然后用橡膠塞密封，并將反應器固定在搖床中，搖床溫度恒定在32°C 37°C之間，搖動；厭氧發酵反應T8(l，T8tl為根據達到總產氣量80%的時間；測定所用稻草和接種物的總固體含量TS和總揮發性固體VS，利用排水法測定每天的產氣量，測定甲烷百分含量，計算日產甲烷含量。
全文摘要
本發明公開了一種通過秸稈預處理提高秸稈甲烷產量的方法。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，在常溫條件下預處理90h~110h。通過調節濕式浸泡狀態下的不同含水量來提高預處理效果，并使厭氧發酵過程中沼氣的甲烷含量明顯提高。結果表明常溫60%~90%含水條件下預處理稻草能夠迅速進入產甲烷高峰期，并且有效縮短厭氧發酵周期。對于純氨濃度為2%~6%，當含水率在60%~90%之間時，與未預處理的43天相比T80縮短了23.23%~50.1%、9.30%~50.1%和9.30%~25.5%。若將該結果應用到實際工程中可以使工程規模減少一倍，大大降低了投資成本。同時相對于未預處理稻草單位VS甲烷產量分別提高了5.90倍～14.63倍、1倍~16.1倍、1.6倍~10.15倍。
文檔編號C12P5/02GK102827879SQ20121034749
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者李秀金, 張亞甜, 袁海榮, 鄒德勛, 朱保寧 申請人:北京化工大學