一种提高禾本科植物秸秆厌氧消化产气效率的预处理方法与流程

本发明属于生物质固体废弃物高效资源化利用技术领域，具体涉及一种提高禾本科植物秸秆厌氧消化产气效率的方法。

背景技术：

我国作为农业大国，年产各类作物秸秆超过6亿吨，秸秆资源丰富。但秸秆的综合利用率较低，大部分还田或焚烧，这不仅浪费资源，还会带来诸多社会危害。玉米秸秆作为一种主要的农作物秸秆，在我国北方地区十分丰富，是一种很好的可再生生物质资源。利用厌氧消化技术将玉米秸秆转化为高产热值的沼气具有巨大的开发潜力和利用价值，可以在一定程度上替代化石能源，因此农业废弃秸秆的资源化利用一直是研究热点。

玉米秸秆中含有可降解生物质，但作为厌氧消化的原料却存在着发酵启动时间长、厌氧消化周期长、原料利用率低等问题。这主要是由于玉米秸秆中的纤维素成分具有很高的聚合度和结晶性能，并且被木质素和半纤维素包裹着，这都影响厌氧消化微生物分泌的纤维素酶将其降解。所以，预处理技术在提高纤维素类原料厌氧消化产气中起着重要作用。

目前，国内外对秸秆厌氧消化前的预处理方法主要有物理法(蒸汽爆破、切割、研磨等)、化学法(酸法、碱法、热处理、臭氧处理等)和生物法(白腐真菌接种、发酵菌液浸泡、纤维素酶等)及不同预处理方法的组合使用。物理预处理通过减小物料粒径、改变物料晶体结构、使微生物酶与底物有效接触而促进消化进程。化学预处理可以促进复杂有机物质降解转变为易于生物降解的小分子物质，从而提高产气效率。生物预处理是利用微生物对秸秆先进行固态发酵，以缩短随后的厌氧消化时间。

相关的专利有：公开号为CN101851124A的一种以汽爆为预处理的农业废弃物厌氧消化工艺，将作物秸秆和畜禽粪便按合适的比例混合后进行汽爆处理后进行厌氧消化处理。公开号为CN104593432A的碱与盐联合预处理提高玉米秸秆厌氧消化甲烷产量的方法，利用氢氧化钾和金属盐类对粉碎后的玉米秸秆进行预处理再进行厌氧发酵。公开号为CN103060387A的一种碱联合预处理、黑液循环利用的纤维素类生物质厌氧消化工艺，利用氢氧化钙对纤维素类生物质进行碱联合预处理；然后固液分离，固态物料作为后续厌氧消化过程的原料。公开号为CN102586335A的一种氨-生物联合处理小麦秸秆发酵产沼气的方法。通过将小麦秸秆依次进行氨预处理、生物预处理后进行完全混合式厌氧消化来产沼气。公开号为CN105506030A的一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，采用纤维素酶对木质纤维素进行预处理，并促进厌氧发酵过程中木质纤维素的水解。

以上发明对秸秆进行了预处理后进行厌氧消化处理，在一定程度上提高了厌氧消化处理的生物转化率，缩短了厌氧消化周期，提高了厌氧消化沼气产量，一定程度上解决了秸秆废弃物厌氧消化产气困难的问题。但是，上述发明均是对农作物秸秆整株预处理后进行厌氧消化，整体来说预处理方法较为粗放单一，因此，对现有的秸秆预处理方法进行改良以进一步使秸秆厌氧消化产气效率得到最大程度的释放仍是本领域研究人员的追求和呼声。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种提高禾本科植物秸秆厌氧消化产气效率的预处理方法。经由本发明的预处理方法预处理后的秸秆进行厌氧消化生产沼气，能够缩短厌氧消化的周期，降低经济成本，同时增加沼气产量，更大程度地实现秸秆的优化利用。

本发明提供一种提高禾本科植物秸秆厌氧消化产气效率的预处理方法，其是将整株植物秸秆分离成茎皮、茎髓、叶片和秸秆的其余部分，然后对茎髓采用酸处理、对叶片和秸秆的其余部分均采用碱处理、对茎皮不进行处理。

其中，所述的将整株植物秸秆分离成茎皮、茎髓、叶片和秸秆的其余部分是本领域技术人员基于本领域的常规知识和技能即可进行的常规操作。

按照本领域常规，在进行上述预处理之后，一般来说，再将经过预处理的植物秸秆的不同部位混合后进行厌氧消化，生产沼气。

优选地，在将整株植物秸秆分离成茎皮、茎髓、叶片和秸秆的其余部分之后，还对各部分分别进行机械破碎。

更优选地，在进行所述机械破碎后，还对各部分分别进行过筛，所述过筛优选过30-50目筛，最优选过40目筛。

优选地，所述禾本科植物是玉米、小麦、大麦、高粱或水稻。

其中，所述禾本科植物为玉米时，所述秸秆的其余部分为玉米芯。

其中，所述酸处理可以使用盐酸、硫酸或硝酸进行处理，优选使用盐酸进行处理，所述盐酸更优选浓度为10％的稀盐酸。

所述碱处理可以使用氨水、氢氧化钠或氢氧化钾进行处理，优选使用氨水进行处理，所述氨水更优选浓度为10％的氨水。

所述酸处理和所述碱处理的处理时间优选8～12天，更优选10天。

所述酸处理和所述碱处理中，原料和处理液的固液比优选1:5。

本发明还提供上述种提高禾本科植物秸秆厌氧消化产气效率的预处理方法在生物质资源化处理工程中的应用。

本发明具有下述有益效果：

本发明针对秸秆不同部位的组成成分和组织结构存在很大差异，而不同预处理方法对不同成分的作用原理不同这一特性，分别采用适合不同部位特点的预处理方法处理后再混合进行厌氧消化生产沼气，与秸秆整株不分离且采用任一预处理方法处理后再厌氧消化相比，达到缩短厌氧消化周期，降低经济成本，同时提高沼气产量，更大程度地实现玉米秸秆的优化利用。

附图说明

图1为实施例1玉米秸秆不同部位采用不同方法预处理后厌氧消化沼气产量图。

图2为实施例1玉米秸秆不同部位采用本发明的预处理方法处理后混合厌氧消化与整株采用单一预处理方法处理后混合厌氧消化沼气产量比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例以玉米秸秆为处理对象，利用本发明的方法对秸秆进行预处理，同时进行对照实验，预处理完后进行厌氧消化实验：

1、选取10棵植株完整的玉米秸秆自然风干后经人工剥离、分选为叶片、茎皮、茎髓、玉米芯四部分，与整株对照样品分别粉碎过40目筛；

2、分别称取玉米秸秆各部位原料：茎皮37.68g，茎髓38.65g，叶片36.47g，玉米芯36.42g，整株36.96g(均含有相同的干物质质量：34.78g)各三份，置于广口瓶内，并分别进行不处理、用10％的稀盐酸浸泡处理和10％的氨水浸泡处理三个实验组，原料与处理液固液比为1:5，于25℃室温下密封保存，预处理时间为10天；

3、厌氧消化接种物由实验室以前秸秆厌氧消化后剩余的沼液富集得到，pH为7.9，加入葡萄糖营养液培养驯化10天；

4、将上述预处理后原料进行厌氧消化实验，基质内依次加入接种物、水和定量的NH₄HCO₃试剂，调节接种量为40％，实验料液TS浓度约为6％，C/N比为25:1，分别用NaOH溶液和稀HCl溶液调节基质pH为7，最后将装有混合发酵料液的发酵瓶置于37℃恒温水浴锅内进行静态厌氧消化实验，每个实验组重复三次，实验共进行30天；

5、采用排水法测沼气的体积，并每天用量筒测量气体体积，每5天取一次气样检测其甲烷的含量。

6、未经预处理的玉米秸秆不同部位厌氧发酵产气情况：玉米芯、茎皮、整株、叶片、茎髓分别为23970ml、23721ml、21750ml、21161ml、18576ml。

7、经过盐酸预处理后的整株、茎髓、玉米芯部分产气量有明显增加，分别达到23219ml、23807ml、25324ml，叶片变化不大(21463ml)，增长幅度分别为6.7％、28.2％、5.7％、1.4％，茎皮产气量减少了10.4％(21257ml)。

8、用氨水预处理的玉米秸秆不同部位的产气情况，除茎皮的产气量与未预处理时持平外，其余部分的产气量均有所增加，其中玉米芯的产气量更是高达27276ml，其次是茎皮(24432ml)、整株(23157ml)、叶片(22338ml)、茎髓(21499ml)，分别比未经预处理产气量增加了13.8％、0.3％、6.5％、5.6％、15.7％。

9、综合以上数据得到图1(其中纵坐标表示产气量，单位为mL)，可以更直观的比较厌氧消化沼气产量，茎髓在两种化学方法预处理后产气量均有较大涨幅，其中效果更佳的是盐酸法预处理；茎皮采用酸法预处理产气量不增反降，采用氨水预处理后产气量基本不变；玉米芯、叶片在两种化学方法预处理后产气量均有较大涨幅，其中效果更佳的是氨水法预处理。

10、按照玉米秸秆不同部位在整株中所占重量比，称量12.24g茎皮、5.69g茎髓、16.97g叶片、2.10g玉米芯(总重37.00g)分别经过上述适宜的预处理方法处理后混合厌氧消化，沼气产量为24773ml。

11、由图2可见，玉米秸秆不同部位分别采用适宜的预处理方法处理后混合厌氧消化产沼气量与整株未预处理后厌氧消化的产沼气量相比提高了13.9％，与整株盐酸预处理和整株氨水预处理后厌氧消化的产沼气量相比分别提高了6.7％和6.72％。这样的提高程度将为生产实际应用带来很大的经济效益。

实施例2

按实施例1同样的方法对高粱秸秆的不同部位进行机械破碎、过筛。然后对高粱秸秆的茎髓采用硫酸进行处理、对叶片和秸秆的其余部分均采用氢氧化钠处理，对茎皮不处理。预处理过后进行厌氧发酵，与整株未预处理后进行厌氧消化及与整株硫酸预处理和整株氢氧化钠预处理后厌氧消化的产沼气量进行比较。

结果表明，与实施例1中所示结果类似地，对各部位分别进行预处理后，再进行厌氧发酵产沼气，沼气产量有大幅提升，发酵周期缩短，经济效益明显提高。

需要说明的是，本发明中，所述酸处理以盐酸和硫酸为例，其中盐酸浓度更优选10％的稀盐酸，但其他浓度的酸试剂也适用于本发明，氨水作为优选碱试剂，特别优选10％氨水，但是其他浓度的碱试剂同样适用于本发明。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。