一种提高秸秆类生物质厌氧消化效率的预处理方法
【专利摘要】本发明属于废弃生物质资源化利用领域。本发明公开一种提高作物秸秆厌氧消化速率的预处理方法，主要解决了目前作物秸秆厌氧消化周期比较长、消化效率低等问题，直接将秸秆在田间处理后打捆存放，从而减少沼气工程占地面积、减少投资等，同时可以增加产气量，经济效益良好。该预处理方法具体步骤是：秸秆整秆收获后，在田间自然风干，使含水率达到35％～40％；用发酵抑制剂进行化学处理，发酵剂使用量为300～400mL/100kg原料，降低pH值；酸化处理后用机械压实打捆，秸秆捆密度约为130～140kg/m3；再用薄膜将秸秆捆包裹密封，储存时间为20～30天；取微贮秸秆与接种污泥，按照比例1∶10接种后进行厌氧消化反应，反应温度为38～40℃，反应时间为15～20天。该技术在秸秆沼气工程上应用前景广阔。
【专利说明】一种提高秸秆类生物质厌氧消化效率的预处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高秸杆类生物质厌氧消化效率的技术，该技术可广泛应用于秸杆沼气工程系统。
【背景技术】
[0002]农作物秸杆资源是地球上最丰富的可再生资源，寻求其高效利用，一直为众多学者所关注。据不完全估计，全世界每年可产生近20亿吨秸杆，而我国农作物秸杆年产量约为6~7亿吨左右，居世界之首，并以玉米、小麦和稻谷秸杆为主，占总秸杆产量的80%。除去用于造纸、饲料或饲料原料以及造肥还田外，还有约3.7亿吨秸杆可作为能源物质加以利用。
[0003]农作物秸杆是一种重要的富含有机质(80%~90% )的生物质能源，木质纤维素含量相对较高，而厌氧微生物对木质纤维素的降解消化能力相对较弱，因而导致秸杆水解缓慢，水解程度低，进而影响后续的酸化和气化过程，最终表现为厌氧消化时间长、消化率低、产气量少、投入产出效益差等制约性问题。
[0004]另外，发酵后的沼渣里含有很高含量的木质素，未能得到合理利用，造成资源浪费。因此，对秸杆进行合理预处理显得尤为重要。秸杆预处理技术指通过一定的技术方法使秸杆变柔软、疏松，内部结构发生变化，以利于厌氧微生物分解利用。
[0005]相关资料表 明，秸杆的预处理技术包括物理方法、化学方法、生物方法、物化方法。目前研究人员在单一技术预处理农作物秸杆方面已取得了一定的进展，联合技术的研究刚刚起步。其中，物化方法是有效的一种联合技术，把物理和化学方法结合，共同对农作物秸杆进行预处理的方法。目前，物化方法是是近年来新型发展起来的一种秸杆预处理方法，研究不多。
[0006]在化石燃料日益枯竭、能源资源危机日趋加重的今天，新型生物质能源的开发利用成为研究的热点和重点。如何突破关键技术，利用生物质制备沼气是一个很好的发展方向。秸杆沼气工程由于可实现农业废弃物资源循环利用、改善农村环境和温室气体减排，解决畜禽粪便沼气工程受地域与原料限制等问题，受到国家广泛重视，近年来在全国各地迅速推广。
[0007]针对秸杆沼气发酵过程中发酵效率低等问题，农业部规划设计研究院自主研发了秸杆一体化两相厌氧消化工艺技术，并将青贮饲料制作工艺改进为适于秸杆厌氧消化的预处理技术，自2009年至今该工艺已在天津、山东、陕西、山西、浙江、湖北等地推广应用近30余座，运行效果良好。
[0008]但是从该工艺的应用情况看，秸杆沼气工程的发酵罐规模都不大，容积多在500~1500m3之间，原因在于需要配置青贮池，为保证原料的稳定性，青贮池容积要求能容纳一个收获季中秸杆用量，占地面积大。以发酵罐规模为1000m3的沼气工程为例，每天约可消纳青贮秸杆IOt (约15m3)，按运行一年计算，配套青贮池容积需要5400m3，占地约1500m2。因此，传统的场内青贮方式严重制约了该类沼气工程的规模化发展。[0009]与此同时，农业部I号文件(2013年)将建立秸杆田间收集体系列入政府重要工作，在此背景下，开发适于秸杆厌氧消化的可在田间分散贮存的打捆青贮预处理技术，满足秸杆田间处理和贮存，对于推动秸杆召集工程的规模化持续发展意义重大。
【发明内容】
[0010]本发明针对现有秸杆沼气工程中秸杆厌氧消化周期比较长之不足，提供一种加速秸杆厌氧消化速率的方法，该方法反应周期短，成本低，同时可以增加产气量，具有良好的经济效益。
本发明的目的是通过以下措施来实现的: 一种提高秸杆厌氧消化效率的技术的方法，其具体步骤是:
步骤1:秸杆整杆收获后，在田问自然风干，使含水率达到35%~40% ;
步骤2:用发酵抑制剂进行酸化处理，使用量为300~400mL/100kg原料；
步骤3:化学处理后用机械打捆，每只秸杆捆密度约为130~140kg/m3 ；
步骤4:再用塑料农膜将秸杆捆包裹密封，微贮时间为20~30天；
步骤5:取秸杆与接种污泥，按照1: 10比例接种后进行厌氧消化反应，反应温度为38~40°C，时间为15~20天。
本发明的目的还可以通过以下措施来实现:
步骤I中秸杆整杆收获后，平铺在田间，厚度不超过30cm，最好通过田间自然风干方式降低含水率。
步骤2中发酵抑制剂包括硫酸、盐酸、甲酸、乙酸、丙酸、甲醛等。
步骤3中使用专用秸杆打捆机打捆，秸杆捆密度在130~140kg/m3之间。
步骤4中秸杆捆需要用农膜密封后微贮，时间为20~30天。
步骤5中微贮后的秸杆与接种污泥按1: 10的比例进行接种，反应温度为38~40°C，反应时间为15~20天。
步骤5中接种后的秸杆进入厌氧消化反应器进行厌氧消化反应。
本发明相比现有技术具有的有益效果:
本发明提供一种全新的提高作物秸杆厌氧消化效率的预处理方法，具体的说，就是利用发酵抑制剂和秸杆打捆方法将作物秸杆在田间进行微贮，提高作物秸杆的可生化性，减少秸杆中有机质的损耗，并利于后续水解和厌氧消化，从而提高秸杆的厌氧消化速率。发酵抑制剂(包括硫酸、盐酸、甲酸、乙酸、丙酸、甲醛等)处理秸杆后密闭封存，能够在短期内生成适宜乳酸菌增殖的酸性环境，使秸杆的PH值从7.34下降到6.54，遏制不利于微贮的细菌的生理活动，微贮时间为20天左右，比常规微贮时间减少了 5天左右。与对照相比，物料TS从65%提高到69% (微贮时间20天)、74% (微贮时间30天)，在减少微贮时间的同时，最大限度的保存物料营养物质。
作物秸杆微贮时含水率控制在35%~45%之间，该含水率有利于减少营养物质随水渗出，不会稀释原料的酸度，也有利于排出物料中的空气，便于压实打捆，容易尽快形成酸性环境和厌氧环境，从而抑制有害微生物的生长，增强乳酸菌活动，增加乳酸含量，避免秸杆发霉发臭，保证微贮物料良好的品质。
该预处理方法改变了秸杆沼气工程传统微贮方式中先切碎再微贮的预处理方法，即秸杆化学处理后，整杆在田间机械打捆，密封后露天存放在田间地头，可实现沼气工程秸杆原料在田间的规模化收集和预处理，从而减少沼气工程青贮池占地面积，减少了沼气工程建设投资。另外，秸杆微贮过程需要厌氧环境，研究表明，打捆密度对原料的PH值、乳酸、乙酸、丙酸以及丁酸含量都有影响，从而影响原料的品质，因此，本方法对秸杆打捆后的密实度进行了优化，适宜值范围为130~140kg/m3，优化后的密实度更利于微贮阶段物料厌氧环境的形成，减少物料养分流失。在含水率为35%，密实度为130kg/m3，添加甲酸条件下，秸杆微贮20天即可完成微贮，累计沼气产量从36.3mL/g提高到302mL/g，增加了八倍多，沼气产气速率从3.0mL/g.d提高到23.2mL/g/d，增加了 7.7倍。可见，采用该方法对秸杆在田间进行微贮预处理，可以提高秸杆产气效果和厌氧消化效率，免去青贮池，节省沼气工程固定投资，而且还可以获得更多的能源气体，具有良好的经济效益。另外，与其他方法相比，本发明秸杆在田间自然风干后打捆微贮，具有节省能源、减少沼气工程占地面积等优点，故具有积极的环境效益。
因此，将本发明用于秸杆沼气工程处理工艺，尤其是作为秸杆一体化两相厌氧消化工艺技术的配套预处理方法，具有良好的经济效益和环境效益，应用前景十分广阔。
【具体实施方式】
[0011]为了更好理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作详细说明，未详加说明的按本领域现有技术。本发明要求保护的范围不单限于实施例表示的范围:
[0012]实施例1:
[0013]试验秸杆为收割后玉米秸杆，含水率70%左右，pH值为7.34。玉米秸杆收获后，在田间铺开，厚度约为 30cm，经过20天左右的自然风吹日晒，玉米秸杆含水率大约达到35%~40%，无需调节干湿度；用喷雾器向秸杆上甲酸溶液(30% )，均匀喷洒两遍，秸杆PH值从7.34降到6.54。通过专用玉米秸杆打捆机压紧打捆，秸杆捆的规格为56cmX41cmX33cm(长X宽X高)，重12kg。打捆之后,采用聚乙烯拉伸保鲜膜对稻杆捆缠绕四层拉伸膜，进行密封，然后堆垛保存。微贮20天后，秸杆与接种污泥按照1: 10比例进入厌氧消化反应器，38°C条件下发酵，反应器容积为2000mL，厌氧反应的温度采用恒温水浴锅控制。厌氧反应周期为13天，每天测量产气量。反应结束后，与对照实验相比，微贮20天的秸杆物料累计产气量增加了 7倍，每天单位重量秸杆产气量增加了 7倍。
[0014]实施例2:
[0015]将实施例1中的秸杆微贮时间改为30天，厌氧反应周期13天，其它操作条件不变。每天测量产气量，反应结束后，与对照实验相比，微贮30天的秸杆物料累计产气量增加了 8.3倍，每天单位重量秸杆产气量增加了 7.7倍。
【权利要求】
1.一种提高秸杆类生物质厌氧消化效率的预处理方法，其特征包括以下步骤。 步骤1:秸杆整杆收获后，在田间自然风干，使含水率达到35%~40% ； 步骤2:用发酵抑制剂进行酸化处理，使用量为300~400mL/100kg原料； 步骤3:化学处理后用机械打捆，密度约为130~140kg/m3 ； 步骤4:再用塑料薄膜将秸杆捆包裹密封，微贮时间为20~30天； 步骤5:取秸杆与接种污泥，按照比例1: 10接种后进行中温厌氧消化，反应15~20天。
2.根据权利要求1所述的提高秸杆厌氧消化速率的方法，其特征是步骤I中秸杆在整杆收获后，通过田问自然风干方式降低含水率。
3.根据权利要求1所述的提高秸杆厌氧消化速率的方法，其特征是步骤I中秸杆含水率控制在35%~40%。
4.根据权利要求1所述的提高秸杆厌氧消化速率的方法，其特征是步骤2中所述发酵抑制剂包括硫酸、盐酸、甲酸、乙酸、丙酸、甲醛，酸使用量控制在130~140kg/m3。
5.根据权利要求1所述的提高秸杆厌氧消化速率的方法，其特征是步骤3中秸杆通过机械作用打捆，且秸杆捆密度在130~140kg/m3之间。
6.根据权利要求1所述的提高秸杆厌氧消化速率的方法，其特征是步骤4中秸杆捆需要密封后微贮，时间为20~40天。
7.根据权利要求1所述的提高秸杆厌氧消化速率的方法，其特征是步骤4中秸杆与接种污泥按1: 10比例接种，反应温度和时间分别为38~40°C和15~20天。
8.根据权利要求1所述的提高秸杆厌氧消化速率的方法，其特征是步骤5中接种后的秸杆进入厌氧消化反应器进行厌氧消化。
【文档编号】C12P5/02GK103740767SQ201410048960
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年2月11日 优先权日:2014年2月11日
【发明者】赵立欣, 宋成军, 罗娟, 陈羚, 田宜水, 齐岳, 王骥 申请人:农业部规划设计研究院