专利名称：一种湿式常温处理提高杨树废料沼气产量的方法
技术领域：
本发明属于生物质能源领域，具体涉及一种利用杨树废料进行厌氧发酵产生沼气的方法，尤其涉及一种湿式常温处理杨树废料，提高杨树废料沼气产量的方法。
背景技术：
杨树是杨柳科kSeiIiceiceeie)杨属ipopulus、植物的统称[1]。因其生长快、适应性强、繁殖容易、木材用途广、易于更新等成为人工林中的一种优良速生树种[2]，是我国重要的速生丰产林和短周期工业用材林首选树种，也是世界人工林三大速生树种之一。我国处于杨树中心分布区域，世界杨树天然种类100余种，我国就有53种&4]。据估计，我国杨树人工林面积已经达到800万hm2[5’6]。无论是杨树种植面积还是蓄积量均居世界首位[1]。目前，发展杨树主要是为了满足我国日益短缺的木材需求，培育方向为用材林和纸浆林，相关研究主要集中在这两方面[1，8]。杨树主要被利用的部分是树干，但是杨树周身都是宝，过去人们对其缺乏研究，特别是杨树的叶、皮、枝均被抛弃或作燃料。随着生物医药、畜牧科技与木材加工技术的蓬勃发展，人们对杨树全树的开发利用进行了全方位研究，取得了卓有成效的进展[9]。在杨树木材加工过程中产生大量的树皮，可以达到木材材积的1(Γ15%，其利用途径有生产树皮人造板、建筑材料和作为燃料[9]。在能源日益紧张的现在，将杨树皮作为生物质能源加以利用是处理和利用杨树皮的有效途径，也已经越来越受到人们的重视。树皮燃烧可以产生蒸汽，用来发电，就其热效而言，大约5. 5 kg湿树皮相当于I kg柴油[1°]。目前，直接燃烧仍是生物质能利用的主要方式之一，是最简单的热化学转化工艺[11]，但这种方式热转换效率低下,严重浪费了生物质资源,也污染了环境,本发明将通过杨树皮、杨树边材等杨树废料作为沼气发酵的原料，生产沼气，既提高生物质资源利用率，也减少污染，实现循环经济。总纤维素(纤维素和半纤维素)作为沼气发酵的主要成分，其含量越高，越有利于沼气发酵，是评价一种材料是否适合于沼气发酵的一个非常重要的指标。同农作物小麦玉米秸杆相比，杨树木材中的木质纤维素含量较高，其中，纤维素占杨树木材全量的4(Γ50% 以上,总纤维素占杨树木材全量约80%。并且，大多数阔叶材偏酸性,而杨树木材以偏碱性或者中性为主[12]。这可以一定程度上防止厌氧发酵过程中因酸化而导致产气量降低甚至终止的现象。而且杨树木材的多孔性[12]，会增大发酵菌与底物的接触面积，从而加速其降解， 利于沼气的产生。根据上述特点，杨树废料可以作为一种理想的沼气发酵底物加以利用，可一定程度满足农村能源不足的现状，其发酵之后的沼渣可用作有机肥使用。但是，杨树木材中含有较农作物秸杆更高的木质素，发酵菌对木质素的降解能力又较弱，从而导致了厌氧发酵过程放缓、产气量减少和效益不高。很大程度上限制了杨树废料的生物质能的转化和利用。目前对于木质纤维素材料的处理方法有物理、生物和化学方法，其目的是希望通过预处理改变木质纤维素材料的物理结构或者把它降解成简单的成分，以利于随后厌氧菌的消化利用，从而提高沼气产量。物理方法相对简单，但只是改变了原材料的尺寸，并没有使其结构得以改变，因此处理效果有限；生物方法效果较为明显，但处理时间长，在实际应用中较少使用。化学处理方法以其处理效果好，时间短等优点得到广泛的应用。化学处理方法中，又以NaOH的处理效果最好。传统的NaOH液态化学处理虽然产气效果较好,但由于其碱含量高，对反应器的设计要求也较高；而且为了避免环境污染，反应液还必须进行回收处理，从而导致整个工艺成本较高。为了解决NaOH液态化学处理法存在的问题，本发明提供了两种碱性物质(氢氧化钠和氨水)的组合，对杨树废料进行常温预处理，通过改变其物理结构，将它降解为成分简单，便于厌氧菌群消化利用的发酵底物，不但降低了对设备的要求，而且也减少了对环境的污染。传统的发酵工艺中需要在厌氧发酵过程中实时添加氮源满足微生物生长，从而提高生物气的产量，但在应用过程中会带来诸多不方便，增加了劳动成本和劳动作业量。本发明中氨水的添加一方面提高了化学处理的效果，另一方面在厌氧发酵过程中为厌氧微生物补充适量的氮源，不但降低了成本，而且缩短了化学处理时间，提高了沼气产量。[I]徐维英.杨树[M].哈尔滨黑龙江人民出版社，1988.方升佐，王明庥，黄敏仁，等.江苏杨树资源培育与产业化[J].林业科技开发， 2004，18 (I) 3—5.彭镇华.长江中下游潍地杨树栽培与利用[M].北京中国林业出版社，2001.Donald、Dickmann. Poplar culture in North America[M]. Ottawa :NRC Research Press，National Research Council of Canada,2001.郑世恺，高瑞桐.杨树集约栽培和病虫害防治[M].北京金盾出版社.1996.张绮纹，李金花.杨树工业用材林新品种[Μ].北京中国林业出版社，2003.张久荣，吴玉章.人工林杨水利用现状及前景[J].中国林业产业，2006 (11) 24-2 6.梁军，方升佐，徐锡增.杨工业用材林直径分布及产量模型系统的研究[J].南京林业大学学报.1996，20 (2) :65-69.菅根柱.杨树综合开发利用前景[J]林业科技开发.2006,20(3)1-4.刘贤淼，张双保，陈勇平木材工业固体废弃物污染及其控制方法[J].国际木业， 2004(5) 23-25米铁，唐汝江，陈汉平.生物质能利用技术及研究进展[J].煤气与热力，2004， 24(12) :701-705.杨树产业综述，中国杨树产业网。
发明内容
本发明提供了在湿式条件下，利用氢氧化钠和氨水对杨树废料进行常温预处理的方法。该方法可以显著提高杨树废料厌氧发酵的沼气产量，同时能够降低碱用量、缩短预处理时间，其步骤主要包括
①化学预处理将一定量的氢氧化钠和氨水与经过粉碎的杨树废料充分混合均匀，调节杨树废料的湿度约为8(T90% (w/w)，然后于容器中密封并常温放置，4天后出料；
②厌氧发酵产生沼气向厌氧发酵装置中投加经预处理的杨树废料和接种物，并加水至TS负荷为3. 5^5% (w/ν,ν-发酵液的体积，w-底物重量)，调节厌氧发酵温度为35 38°C， 并调节整个发酵系统的碳氮比为2(T30:1 (w/w)，密封厌氧发酵装置，Γ3天后开始产生沼气，发酵周期为65 70天，最后卸出沼渣。在步骤①化学预处理中，氢氧化钠和氨水(NH3含量25%_28%)的添加量分别为杨树废料的干重的1% (w/w)和4 7% (w/w) ο在密封容器中放置4天。通过对步骤①中氢氧化钠和氨水的控制，能有效的避免反应液的酸化现象，更易于达到稳定的产气效果。在此过程中，通过强碱的作用，既可以破坏杨树废料内木质纤维素结构，使得更多的纤维素和半纤维素得以释放，又避免了因较高的碱浓度所导致的干物质损失较大、成本高、反应系统呈现碱性而需要在厌氧发酵过程之前进行PH调节等问题。本发明中，氨水的使用既能一定程度上加强预处理的效果又减少了 NaOH的用量， 也可以补充一定量的氮源，使之达到合适的碳氮比范围2(T30:1 (w/w)，从而省略了厌氧发酵之前补充氮源的环节。本发明中，确保步骤①中杨树废料的湿度约为8(T90%(w/w)(没有多余液体流出)。本发明中，步骤②的厌氧发酵的最佳温度为37°C。本发明中，杨树废料包括杨树木材加工过程中产生的木屑、边材和树皮，所述的粉碎是指将杨树废料通过粉碎机加工为40目大小的尺寸。本发明中，所述的厌氧发酵装置为单相或固液两相的反应器。本发明中，所述的厌氧发酵环境的pH值为6. 8 7. 5。本发明中，所述的接种物是以甲烷八叠球菌和甲烷杆菌为主的沼泥或堆怄后的粪便，且接种物的添加量为物料干重的l(T30%(w/w)，具体添加量根据沼泥等接种物中的主要发酵菌群的含量而确定的。本发明中，调节厌氧发酵装置中的TS负荷在3. 5 5% (w/v)之间。本发明中，整个厌氧发酵过程需要65 70天。本发明中，经过厌氧发酵后的沼渣中含有氮、磷、钾等多种元素和各类氨基酸、维生素、蛋白质、赤霉素、生长素、糖类、核酸以及抗生素等。既够能起到改良土壤的作用，也能满足作物生长的需要。本发明的有益效果
1、以杨树废料为原料发酵制取沼气可以有效解决当前农村普遍存在的沼用原料不足的问题，增加农村沼气能源，也可以将发酵剩余物作为优质的有机肥应用于农业等领域。使杨树全材得以充分高效的利用；
2、同传统液态化学预处理相比，该湿式化学预处理既避免了预处理结束所带来的对处理装置的要求，也减少了回收的麻烦，节省了成本；
3、本发明不需要额外补充氮源，工艺过程操作简便，管理亦方便，适于规模化应用；
4、由于处理前期加入的少量强碱NaOH和适量氨水等碱性物质使得发酵过程不需要进行PH的调节就能保证发酵环境的pH值保持在6. 8^7. 5 ；
5、同未经预处理的杨树废料相比，整个厌氧发酵周期的日均沼气产量提高了 101 244%，沼气中的有效成分甲烷气体日均含量提高了 93 284%。
具体实施例方式实施例I :根据以下具体步骤制取沼气
①将杨树废料粉碎加工为40目大小的尺寸；
②同时将杨树废料干重l%(w/w)的氢氧化钠和杨树废料干重7%的(w/w)氨水加入到 7. 2倍于杨树废料干重的水中充分溶解之后，同步骤①中所得杨树废料混合均匀，此时发酵系统的碳氮比为20:1 (w/w)，使杨树废料的湿度约为8(T90%(W/W)(没有多余液体流出)， 在常温下密封放置4天；
③将预处理后的杨树废料和接种物投加到厌氧发酵装置中，接种物的加入量约为发酵底物干重的30%(w/w)；
④向步骤③中的发酵料中加水至厌氧发酵装置的TS负荷约为3.5%(w/v)(工作体积为 I. 5L)；
⑤密封厌氧发酵装置，连接储气装置后进行厌氧发酵，厌氧发酵温度设置为37°C，发酵过程中不对发酵料液进行搅拌，厌氧发酵开始后的f 3天即产生沼气，当反应进行至第70 天时，产气量已明显下降，此时即可结束该批次反应，排出沼渣，进行下一批次的厌氧发酵。整个反应周期沼气产生总量比未经本发明处理的杨树废料提高了 114%(工作体积为I. 5L)，沼气中甲烷的含量提高了 101. 2%。实施例2 :根据以下具体步骤制取沼气
①将杨树废料粉碎加工为40目大小的尺寸；
②同时将杨树废料干重l%(w/w)的氢氧化钠和杨树废料干重4%的(w/w)氨水加入到
7.2倍于杨树废料干重的水中充分溶解之后，同步骤①中所得杨树废料混合均匀，此时发酵系统的碳氮比为30:1 (w/w)，使杨树废料的湿度约为8(T90%(W/W)(没有多余液体流出)， 在常温下密封放置4天；
③将预处理后的杨树废料和接种物投加到厌氧发酵装置中，接种物的加入量约为发酵底物干重的20%(w/w)；
④向步骤③中的发酵料中加水至厌氧发酵装置的TS负荷约为5.0%(w/v)(工作体积为
I.5L)；
⑤密封厌氧发酵装置，连接储气装置后进行厌氧发酵，厌氧发酵温度设置为37°C，发酵过程中不对发酵料液进行搅拌，厌氧发酵开始后的f 3天即产生沼气，当反应进行至第70 天时，产气量已明显下降，此时即可结束该批次反应，排出沼渣，进行下一批次的厌氧发酵。整个反应周期沼气产生总量比未经本发明处理的杨树废料提高了 244%(工作体积为I. 5L)，沼气中甲烷的含量提高了 284%。
权利要求
1.一种湿式常温处理提高杨树废料沼气产量的方法，其步骤主要包括①化学预处理将碱液与经过粉碎的杨树废料充分混合均匀，调节杨树废料的湿度为 8(T90% (w/w)，然后于容器中密封并常温放置，4天后出料；②厌氧发酵产生沼气向厌氧发酵装置中投加经预处理的杨树废料和接种物，并加水至TS负荷为3. 5 5%(w/v)，调节厌氧发酵温度35 38 V，厌氧发酵环境的pH值为6. 8^7. 5， 发酵系统的碳氮比2(T30: l(w/w)，密封装置，Γ3天后开始产生沼气，发酵周期为65 70天， 最后卸出沼洛；其特征在于所述碱液为氢氧化钠和氨水的混合液。
2.如权利要求I所述的一种湿式常温处理提高杨树废料沼气产量的方法，其特征在于碱液中所述氢氧化钠添加量为杨树废料干重的1% (w/w)，氨水的添加量为杨树废料干重的4 7% (w/w)。
3.如权利要求I所述的一种湿式常温处理提高杨树废料沼气产量的方法，其特征在于步骤②的厌氧发酵的最佳温度为37 °C。
4.如权利要求I所述的一种湿式常温处理提高杨树废料沼气产量的方法，其特征在于所述的厌氧发酵装置为单相或固液两相的反应器。
5.如权利要求I所述的一种湿式常温处理提高杨树废料沼气产量的方法，其特征在于所述的最适碳氮比为25 : I (w/w)。
全文摘要
氢氧化钠湿式常温处理提高杨树废料沼气产量的方法属于生物质能源领域。本发明提供了两种碱性物质(氢氧化钠和氨水)的组合，对杨树废料进行常温预处理，通过改变其物理结构，将它降解为成分简单、便于厌氧菌群消化利用的发酵底物，以达到进一步降低预处理时的碱用量来降低成本，减少环境的污染的效果。该方法具有工艺过程操作简便，环境友好，管理方便，可大幅度提高产气量等优点，使杨树全才得以充分利用。
文档编号C12P5/02GK102605000SQ20121009665
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者何文亮, 何木兰, 向云, 姚义清, 安黎哲, 张华 , 盛红梅, 马丽英 申请人:兰州大学