专利名称：纯氨湿式浸泡常温预处理提高稻草甲烷产量的方法
技术领域：
本发明属于有机固体废物厌氧发酵领域。具体涉及到一种通过秸杆预处理提高秸杆厌氧发酵产甲烷含量的方法。
背景技术：
我国一直以来都是秸杆生产大国，十几年以前秸杆曾经是广大农村必不可少的生产和生活物质，几乎所有的秸杆都会被充分利用。但目前随着农业的快速发展以及农村能源结构的改变，大量的秸杆被积累不能得到充分利用，造成严重浪费。在我国稻草产生量最高，因此如何将多余稻草秸杆充分利用一直是研究热点。目前厌氧消化技术是一种可以将秸杆有效转化为清洁能源以实现资源能源化利 用的方法。但是在实际操作过程中，由于秸杆木质素含量较高，而厌氧微生物很难消化木质素，导致常规厌氧发酵消化过程周期太长，产甲烷量太少，投入产出效益差，因此秸杆的常规厌氧发酵技术并没有得到大规模应用与发展。通过大量的试验研究发现通过对秸杆进行一定条件下的预处理，可以有效的缩短消化周期，并且能很大程度的提高甲烷产量。秸杆的预处理方法包括很多种，最常用的是化学预处理方法，其中碱化预处理更是一种应用最广的化学预处理方法。碱化预处理主要有氢氧化钠预处理和氨化预处理，但是氨化预处理主要用于秸杆生化饲料的生产，对于厌氧发酵产气的应用很少，如专利CN200510009887. I公开了秸杆生化饲料的生产方法，该方法是将粉碎的秸杆浸泡液氨中，在高压作用下短时间内(I小时之内)使秸杆中的粗纤维发生转化，并结合非蛋白氮制成氨化饲料。该预处理操作难度大，运行成本高，不易推广。文献马淑勅等.氨化预处理对稻草厌氧消化产气性能影响，农业工程学报，2011，27(6) :294-299.中使用氨化(NH3 · H2O)预处理方法对麦秸进行预处理，预处理温度为30°C，预处理时间为7天，晾晒2天，预处理时间共计9天。消化周期为70天，该方法当与未经氨化预处理的方法相比累计产气量提高了 8 38%，该方法相对于氢氧化钠预处理方法相比，不会造成二次污染，同时不需要调节碳氮比，但是其不足之处是氨化预处理时间较长，并没有对甲烷总产量做出具体研究。在实际生产过程中，在低成本，低污染条件下产生高质量的沼气是重点。为了提高甲烷产量，降低厌氧发酵过程对环境造成的污染，本发明采用一定参数下的氨化预处理方法来提高稻草厌氧消化产气质量，即提高甲烷产量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种通过改变预处理参数提高秸杆厌氧消化过程中甲烷产量的预处理方法。本发明的具体步骤如下I)原料准备。本发明所用秸杆为经过自然风干且没有发霉的稻草，并且粉碎至2cm以下。另外需要含氨试剂作为预处理试剂，可以为氨水、固态碳酸铵和尿素，本发明所用的试剂为一定质量分数的氨水。厌氧发酵过程需要接种物，接种物厌氧污泥来自污水处理厂的活性污泥，包含有大量厌氧菌群，活性污泥需要沉降一周以上。2)原料预处理。先将切碎稻草放置密封袋中，并将袋中空气排空，然后将一定质量分数的氨水和一定量水均匀混合迅速倒入密封袋里，氨水的添加量为纯氨是稻草干重的2°/Γ6%，一定量的水加上氨水中的水和稻草中所含的水的总质量为稻草干重的30°/Γ90%。其中当总水量为60°/Γ90%时，稻草全部浸泡在含氨溶液中，并且刚好有少量多余流动水存在，该状态称为湿式浸泡状态。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匀混合在稻草中。最后在25°C 35°C环境中保存，预处理时间为90tTll0h。(预处理时间的确定通过预先实验得到，在保存期间每天测定密封袋中预处理后稻草的PH，当pH值变化趋于稳定时视为预处理完成。经过测定确定预处理时间为90tTll0h天。)3)厌氧发酵。将预处理后的稻草与厌氧污泥一起加入厌氧发酵反应器中，其中稻草的加入量为5(Tl00gTS/L (干重)，而厌氧污泥的加入量为15gMLSS/L。再加入自来水至 反应器的总体积的80°/Γ90%，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将反应器固定在摇床中，摇床温度恒定在32°C 37°C之间，摇动。厌氧发酵反应T8(l。在实际生产中反应时间一般根据达到总产气量80%的时间T8tl确定，T8tl是厌氧发酵周期长短的表征参数。测定所用稻草和接种物的总固体含量TS和总挥发性固体VS，利用排水法测定每天的产气量，测定甲烷百分含量，计算日产甲烷含量。所有数据用于评价氨化预处理效果。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果I)预处理时间缩短。本发明的预处理时间缩短为90tTll0h，而马淑勅等人的试验中预处理时间为9天(包括晾晒2天)，缩短了 49. 079Γ56. 5%。另外相对于其他碱预处理方法，本发明不需要调节额外N源，使生产简便化，并且厌氧发酵后的废液不含有金属物质，不会造成二次污染，出料N源较丰富，可以有效进行二次利用。2)厌氧发酵周期明显缩短。25°C 35°C条件下高含水率预处理稻草能够迅速进入产甲烷高峰期，并且有效缩短厌氧发酵周期。对于纯氨浓度为2%飞％，当含水率在60% 90%之间时，T80分别缩短到21 33天、21 39天和32 39天，与含水率为30%预处理稻草相比缩短了 13. 15% 44. 70%、2. 5% 22. 5%和2. 5% 20% ;与未预处理的43天相比提前了23. 239Γ50. 1%、9. 30% 50. 1%和9. 30% 25. 5%。若将该结果应用到实际工程中可以使工程规模减少一倍，大大降低了投资成本。3)甲烷产量明显提高。通过增加氨化预处理过程中含水率，可以有效提高甲烷总产量，提高厌氧发酵的产气性能，从而能够更好将稻草转化为清洁能源。根据最短T8tl选择不同预处理条件下的积累甲烷产量。当预处理过程中纯氨浓度为2%飞％时，含水率从60%增加到90%时，单位VS甲烷产量相对于30%含水率预处理稻草分别提高了 3. 23^8. 58倍、O. 13 9. 11倍、O. 62 5. 87倍；相对于未预处理稻草分别提高了 5. 90倍 14. 63倍、I倍 16. I倍、I. 6倍 10. 15倍。
图I氨化预处理过程中pH值随时间的变化图；图2实施例I中日产甲烷量图；图3实施例2中日产甲烷量图4实施例3中日产甲烷量图。
具体实施例方式在以下所有试验中，厌氧发酵反应器的总体积为1L，经过粉碎在2cm左右的稻草添加量为65gTS/L，所用的预处理试剂为质量分数为25%的氨水。接种污泥的添加量为15gMLSS/L。实施例I称取三份稻草，每份稻草量为52g (以TS计)，将是稻草干重的2%的纯氨与一定量水均匀混合后喷洒到粉碎后的稻草上，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%的纯氨换算为25% NH3 · H2O量为4. 16mL,额外加的水量分别为17mL、74mL、206. 40mL和472mL。将预处理后的稻草密封与自封袋中，在30°C条件下预处理96h。对照组为30%含水率预处理的稻草和未预处理的稻草。
经过预处理的稻草与12g厌氧污泥混合，加到厌氧消化反应器中，加自来水至反应器体积的80%。将加完物料充氮气并密封的反应器放到32°C摇床内，摇动。通过排水集气法记录每天的产气量，并测定每天的甲烷百分含量，计算甲烷总产量，然后计算T8(l。甲烷日产量变化见图2。实验结果如下表I所示表I
权利要求
1.纯氨湿式浸泡常温预处理提高稻草甲烷产量的方法，其特征在于步骤如下 1)原料准备采用秸杆为经过自然风干且没有发霉的稻草，并且粉碎至2cm以下；接种物为厌氧污泥，厌氧污泥为污水处理厂的活性污泥沉降一周以上； 2)原料预处理先将切碎稻草放置密封袋中，并将袋中空气排空，然后 将氨水和水均匀混合倒入密封袋里，氨水的添加量以纯氨计量是稻草干重的2%飞％，水加上氨水中的水和稻草中所含的水的总质量为稻草干重的30°/Γ90% ;其中当总水量为60°/Γ90%时，稻草全部浸泡在含氨溶液中，并且刚好有少量多余流动水存在，该状态称为湿式浸泡状态；密封袋封口，然后揉搓密封袋中的稻草使倒入的溶液均匀混合在稻草中；最后在25°C 35°C环境中保存，预处理时间为90tTll0h ； 3)厌氧发酵将预处理后的稻草与上述厌氧污泥一起加入厌氧发酵反应器中， 其中稻草的加入量以干重计量为5(Tl00gTS/L，而厌氧污泥的加入量为15gMLSS/L ;再加入自来水至反应器的总体积的809Γ90%，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将反应器固定在摇床中，摇床温度恒定在32°C 37°C之间，摇动；厌氧发酵反应T8(l，T8tl为根据达到总产气量80%的时间；测定所用稻草和接种物的总固体含量TS和总挥发性固体VS，利用排水法测定每天的产气量，测定甲烷百分含量，计算日产甲烷含量。
全文摘要
本发明公开了一种通过秸秆预处理提高秸秆甲烷产量的方法。该方法是将氨水与水混合后均匀喷洒到放置在密封袋中稻草上，使稻草处于湿式浸泡状态，在常温条件下预处理90h~110h。通过调节湿式浸泡状态下的不同含水量来提高预处理效果，并使厌氧发酵过程中沼气的甲烷含量明显提高。结果表明常温60%~90%含水条件下预处理稻草能够迅速进入产甲烷高峰期，并且有效缩短厌氧发酵周期。对于纯氨浓度为2%~6%，当含水率在60%~90%之间时，与未预处理的43天相比T80缩短了23.23%~50.1%、9.30%~50.1%和9.30%~25.5%。若将该结果应用到实际工程中可以使工程规模减少一倍，大大降低了投资成本。同时相对于未预处理稻草单位VS甲烷产量分别提高了5.90倍～14.63倍、1倍~16.1倍、1.6倍~10.15倍。
文档编号C12P5/02GK102827879SQ20121034749
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者李秀金, 张亚甜, 袁海荣, 邹德勋, 朱保宁 申请人:北京化工大学