专利名称：一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法
技术领域：
本发明涉及一种生物质能源利用领域的方法，尤其是涉及一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法。
背景技术：
2008年上海市郊区芦笋年产量达3000吨，芦笋废弃秸秆产量1000吨。与其他蔬菜、作物秸秆等农业废弃物存在的环境污染问题相似，大量芦笋秸秆废弃物被随意堆放在田间道路两旁，自然堆怄发酵，散发有味气体，成为影响农户生产生活环境的有毒垃圾，因此，以芦笋秸秆为代表的种植业废弃物资源化处理问题迫在眉睫。芦笋生产过程中产生的生物质类废弃物主要有地下根状茎(营养器官)和地上茎秆(光合器官)，新鲜芦笋秸秆含水量80%以上，自然风干后茎秆含水量10%-15%。它们的主要成分为总糖、蛋白质、脂肪、半纤维素、纤维素、木质素及其它矿物质营养成分。因此从另一方面来看，这些生物质类废弃物具有相对较高的生物降解性，同时通常不含有其他有毒有害物质，相对集中，不易和生活垃圾等混合，可以实现单独收集处理。因此，对以芦笋秸秆为代表的种植业废弃物进行生态能源化利用是既解决污染问题又变废弃物为资源的理想选择。目前对种植类生物质废弃物生态能源化利用的方式主要有燃料成型、生物乙醇、生物柴油、生物质热裂解、生物制氢及沼气化利用等方式。其中，沼气是一种无污染的生物能源，沼气燃烧后的产物是二氧化碳和水，不污染空气，不危害农作物和人体健康，可以直接炊事、照明，也可以供热、发电、烘干、贮粮；沼气发酵后的残余物可以用于农田施肥和生物农药，实现环境零排放。沼气是成分复杂的混合气体，主要的成分由甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)组成，其中甲烷体积占60% 70%，二氧化碳体积占30% 40%。Im3甲烷气体完全燃烧释放热量9460Kcal，Im3沼气完全燃烧可放出热量5500 6500Kcal，相当于0. 7Kg汽油或4. 5Kg煤炭燃烧释放的能量。目前针对农作物种植废弃物、养殖业禽畜粪便、食品工业废水等的厌氧发酵制沼技术已比较成熟。虽然秸秆类农业废弃物在理论上存在沼气化利用的可能性，但是由于其特殊的组成，有机成分主要以纤维素、半纤维素和木质素为主，其复杂的分子结构和纤维素的结晶区阻碍纤维素酶的进入，使得好氧生物降解过程非常缓慢，更不易被厌氧菌消化，碳素难以释放，造成厌氧发酵产气量低、经济效益差，导致秸秆大规模沼气生产存在困难。针对这一问题，主要是通过各种预处理方法对秸秆类材料进行前期预处理，破化木质纤维素的结构，提高其分解效率。微生物利用纤维素之前，必须把它从木质素和半纤维素包裹中释放出来，解决方法就是在厌氧发酵前，对秸秆进行预处理，以提高秸秆的生物消化性能、产气率和经济性。其中，利用化学试剂破坏细胞壁中木质纤维素共价键，为后续微生物作用做准备，包括酸处理、碱处理(NaOH、Κ0Η、尿素、氨水等)、氧化处理(H202、SO2、次氯酸盐等)等。该法可使纤维素、半纤维素和木质素膨胀并破坏其结晶性，使天然纤维素溶解并降解，从而增加其可消化性。碱处理法是利用NaOH、Ca (OH)2, KOH或氨溶液等溶液浸泡或喷洒于原料表面，以打开纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键，溶解纤维素、半纤维素和一部分木质素及硅酸盐，使纤维素膨胀，从而便于酶水解的进行，提高消化率。近年来人们比较重视用碱溶液处理的方法，尤其是NaOH碱处理，因为NaOH有较强的脱木质素和降低结晶度的作用。Hamilton等人发现用NaOH和可溶性木质素和半纤维素释放底物可以提高纤维素底转化率。Nicoletta等使用1 % NaOH处理稻草秸秆24h后，半纤维素可溶性增加，原料变得更易进行生化反应，再使用1 % NaOH和0-3%的H2A处理24h后，木质素可溶性增加。MahendraSingh等人研究表明用0，3. 3，6. 7，10%的NaOH (相对干物质添加量)溶液喷洒到麦秸上，其有机物质消化率为53%，63%，63%，62%。Lin等使用8gNa0H/100gTS原料对水果/废纸渣进行预处理后沼气发酵，发现预处理使原料空隙度和纤维长度减小，沼气发酵中甲烷产量是不经预处理对照组的1. 84倍。B. G. Ololade的研究结果表明室温条件下，玉米秸秆经NaOH处理M小时后，有机物消化率随NaOH添加量提高而提高，NaOH相对干物质添加量为8%时，玉米秸秆的干物质消化率为21. 5%。但当NaOH添加量超过8%时，该变化趋势不明显；Suresh Chandra等人的研究也进一步说明，当NaOH添加量超过10%时，其干物质消化率并不成明显上升趋势。Andrew等人的研究结果表明当NaOH添加量为10%时，纤维素的降解最大。D. Craig Anderson等人研究了不同的碱化处理方法，结果表明NaOH添加量越高，干物质损失率越大，但当NaOH添加量超过8%时，该变化趋势不明显。Mingxia Zheng等人在湿度88%，温度20°C的条件下对玉米芯进行3d的NaOH预处理，结果表明潮湿条件下NaOH预处理后沼气发酵的总产气量和甲烷含量比干燥条件下预处理的组分别高72. 9%和73.4%,消化时间缩短86%, NaOH用量减少66. 7%0经过对现有技术的文献检索发现，目前大多采用NaOH对粮食作物的秸秆进行预处理后制取沼气，而对芦笋类蔬菜种植过程中产生的废弃物进行碱性预处理并且制取沼气的研究尚未发现报导。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现了循环再利用、工艺简单易行的NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，包括以下步骤(1)芦笋秸秆采收于芦笋种植过程中收集春季产生的地下根状茎部分和秋季产生的地上茎杆，平摊空地之上自然风干；(2)粉碎对自然风干后的芦笋秸秆进行粉碎，粉碎后的芦笋秸秆粉料的粒径为0. Icm 5cm ；(3)接种污泥的准备将接种污泥使用步骤(2)所得的芦笋秸秆粉料驯化3个月；(4) NaOH预处理向芦笋秸秆粉料添同等质量的NaOH溶液，搅拌均勻后，于室温下密闭处理5 25天，得到发酵原料芦笋秸秆；(5)添加接种污泥将发酵原料芦笋秸秆投入沼气发酵装置中，加入步骤C3)所得接种污泥和水并且混合均勻，得到发酵混合物；
(6) PH调节控制步骤(5)所得发酵混合物PH值为7. 0 7. 5 ；(7)沼气发酵封闭发酵装置，控制反应温度在30 45°C，实时搅拌，振荡，进行完全混合湿式发酵反应产气，经过1 2天产生沼气，即目标产品，发酵20 60天，芦笋秸秆中的可降解的有机物质基本被微生物的作用转化为沼气。步骤O)中所述的芦笋秸秆采用揉搓式饲料粉碎机或相等作用的粉碎装置进行粉碎。步骤(3)中所述的接种污泥取自大、中或小型沼气工程系统正常发酵的发酵残余物，或污水处理厂正常发酵得到的颗粒污泥。 步骤⑷中所述的NaOH溶液质量浓度为2 % 6 %。步骤⑷中所述的NaOH预处理的处理温度为M 26V。步骤(5)中所述的接种污泥和水加入量为控制接种污泥的加入量占全部反应物料质量的比率为20% 50%，发酵混合物的总固体含量为6% 10%。步骤(6)中所述的pH调节采用0. 2 0. 6mol/L的乙酸或盐酸。步骤(7)中所述的反应温度优选35 38°C。与现有技术相比，本发明充分实现了芦笋种植过程中产生的农业废弃物的资源化、减量化和无害化的利用，将构成环境污染的废弃物转化成为沼气资源，工艺简单易行，实现了循环再利用过程。通过将农业废弃物经过NaOH预处理，破坏了木质纤维素内部组织，将纤维素从木质素和半纤维素包裹中释放出来，加速了纤维素的降解，提高了芦笋秸秆的生物消化性能、产气潜力、经济性和可行性。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，前几步方法均相同，采用如下的步骤①芦笋秸秆采收于芦笋种植过程中收集春季产生的地下根状茎部分和秋季产生的地上茎杆，平摊空地之上自然风干，使之便于机械粉碎。②粉碎对步骤①所得芦笋秸秆进行粉碎，使之粒径大约分布在0. lcm-5cm0③接种污泥的准备将接种污泥使用步骤②所得的芦笋秸秆驯化3个月。使用的芦笋秸秆理化特性如表1所示，接种用的污泥理化特性如表2所示。表1芦笋秸秆理化特性(质量分数)
权利要求
1.一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)芦笋秸秆采收于芦笋种植过程中收集春季产生的地下根状茎部分和秋季产生的地上茎杆，平摊空地之上自然风干；(2)粉碎对自然风干后的芦笋秸秆进行粉碎，粉碎后的芦笋秸秆粉料的粒径为0. Icm 5cm ；(3)接种污泥的准备将接种污泥使用步骤( 所得的芦笋秸秆粉料驯化3个月；(4)NaOH预处理向芦笋秸秆粉料添同等质量的NaOH溶液，搅拌均勻后，于室温下密闭处理5 25天，得到发酵原料芦笋秸秆；(5)添加接种污泥将发酵原料芦笋秸秆投入沼气发酵装置中，加入步骤( 所得接种污泥和水并且混合均勻，得到发酵混合物；(6)pH调节控制步骤(5)所得发酵混合物pH值为7.0 7. 5(7)沼气发酵封闭发酵装置，控制反应温度在30 45°C，实时搅拌，振荡，进行完全混合湿式发酵反应产气，经过1 2天产生沼气，即目标产品，发酵20 60天，芦笋秸秆中的可降解的有机物质基本被微生物的作用转化为沼气。
2.根据权利要求1所述的一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，其特征在于，步骤O)中所述的芦笋秸秆采用揉搓式饲料粉碎机或相等作用的粉碎装置进行粉碎。
3.根据权利要求1所述的一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的接种污泥取自大、中或小型沼气工程系统正常发酵的发酵残余物，或污水处理厂正常发酵得到的颗粒污泥。
4.根据权利要求1所述的一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，其特征在于，步骤中所述的NaOH溶液质量浓度为2% 6%。
5.根据权利要求1所述的一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的NaOH预处理的处理温度为M 。
6.根据权利要求1所述的一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，其特征在于，步骤(5)中所述的接种污泥和水加入量为控制接种污泥的加入量占全部反应物料质量的比率为20% 50%，发酵混合物的总固体含量为6% 10%。
7.根据权利要求1所述的一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，其特征在于，步骤(6)中所述的pH调节采用0. 2 0. 6mol/L的乙酸或盐酸。
8.根据权利要求1所述的一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，其特征在于，步骤(7)中所述的反应温度优选35 38°C。
全文摘要
本发明涉及一种NaOH预处理芦笋秸秆制取沼气的方法，该方法包括芦笋秸秆采收、粉碎、接种污泥的准备、NaOH预处理、pH调节及沼气发酵等七个步骤，芦笋秸秆中的可降解的有机物质被微生物的作用转化为沼气。与现有技术相比，本发明将农业废弃物经过NaOH预处理，破坏了木质纤维素内部组织，将纤维素从木质素和半纤维素包裹中释放出来，加速了纤维素的降解，提高了芦笋秸秆的生物消化性能、产气潜力、经济性和可行性。
文档编号C12P5/02GK102367458SQ20111034269
公开日2012年3月7日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者刘荣厚, 吴小武, 孙辰, 尹仁湛, 曹卫星 申请人:上海交通大学