一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法及其条件优化方法与流程

本发明涉及生物能源技术领域，具体为一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法及其条件优化方法。

背景技术：

我国的秸秆产量很大，秸秆的利用十分关键，其中生物处理制沼气不仅可以减少秸秆过剩带来的许多环境污染问题，也可以解决一些地区的沼气原料短缺，因此生物处理制沼气得到广泛的应用。但由于秸秆自身特殊的结构，表面的硅氧蜡质层，纤维素多以结晶态存在，微生物无法有效进行降解。因此需要对秸秆类原料进行预处理。

目前常用的预处理方法主要包括物理，化学和生物三大类。然而由于现有的预处理方法存在的设备要求高，高能耗以及酸碱废水的产生等缺点，目前尚未在工业上得到应用。

生物预处理的方法是筛选一些细菌、真菌、放线菌等，或采用复合菌剂，例如黑曲霉(aspergillus)、木霉(trichoderma)、草酸青霉(penicillium)和白腐真菌组成的hk-4及白腐菌和木霉，利用微生物分泌多种生物酶协同作用下发生的酶催化反应，破坏秸秆的大分子物质。生物预处理因其化学及能源的使用量低，环境友好得到更多的关注，但目前集中于在各种特定微生物菌剂对木质纤维素降解和产气量的影响。

沼液作为来自厌氧发酵体系中的物质本身带有大量的微生物其中不乏可降解木质纤维素的微生物，但当前沼液作为厌氧发酵后的废物其处理也有一定的难度，若可将沼液作为厌氧发酵预处理的原料可减少其排放同时降低预处理的成本。楚莉莉等以小麦秸秆为原料经沼液预处理6天后vs产气量可达到149.4ml/g。hu等用玉米秸秆为原料对沼液预处理对预处理时间和沼液ts含量进行优化，得到结果为经30.5g/l的沼液预处理3天，达到80％累积产气量(t80)的时间可缩短33.3％。李平等经研究发现，经沼液预处理水稻秸秆其ts产气率达到333.9ml/g，ts产甲烷率达到180.7ml/g，可较空白提高27.9％和21.2％，同时产气周期缩短至19d。但是目前大部分研究仅集中在确定沼液预处理可提高产气量，具体的预处理方法以及预处理方法中的最优条件依然值得探究。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法及其条件优化方法，本方法条件温和，过程简单，通过沼液对玉米秸秆预处理后再使用接种沼液与预处理后的玉米秸秆厌氧消化，能够有效提高产气量，并使用响应面法对制沼过程的预处理条件进行优化，得到最优的预处理条件。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法，包括以下步骤：

步骤1、玉米秸秆原料准备

将玉米秸秆风干并粉碎，保存备用；

步骤2、沼液制备

预处理沼液：将序批式干发酵产生的沼液静置沉降3～7天至不再产气，然后混合均匀至ts浓度为0.37％±0.11％，ph为7.2，得到预处理沼液，备用；

接种沼液：将连续搅拌釜反应器中的沼液静置沉降7～8天至不再产气得到接种沼液，所述接种沼液的ts浓度为4.36％±0.04％，ph为7.1；

步骤3、预处理方法

称取玉米秸秆若干份分别置于密封容器中，分别加入步骤2得到的预处理沼液并混合，使得混合物的ts浓度为10％～30％，搅拌均匀后于20～50℃恒温条件下预处理2～10天；

步骤4、厌氧消化

将步骤3中预处理的玉米秸秆与步骤2得到的接种沼液按照1:4的质量比混合均匀，并加水稀释至ts浓度为8％，密封于35±1℃的恒温条件下进行厌氧消化。

优选的，步骤1中玉米秸秆粉碎后过3mm筛。

优选的，步骤3中玉米秸秆与预处理沼液的质量比为1：1.82～7.66。

优选的，步骤4中厌氧消化的反应器包括由两个1l的蓝盖试剂瓶和一个1l的量筒用乳胶管连接组成的一套气体连通装置，两个1l的蓝盖试剂瓶分别作为原料的消化瓶、沼气集气瓶，1l的量筒作为集水量筒。

本发明中的沼液预处理玉米秸秆制沼方法的条件优化方法，包括以下步骤：

s1、确定单因素，并对其进行编码变换

将预处理沼液用量、预处理温度以及预处理时间作为条件优化的单因素，然后分别改变单因素按照沼液预处理玉米秸秆制沼方法进行制沼，收集得到的沼气并统计各单因素的产气量，得到产气量最大的各个单因素数值，建立试验因素水平编码表；

s2、采用中心组合设计ccd原则确定试验方案

根据s1得到的试验因素水平编码表，选择预处理沼液用量、预处理温度以及预处理时间三个单因素为自变量，以产气量为响应值，运用中心组合设计ccd原则，进行响应面试验设计；

s3、按照试验方案完成试验

根据s2设计的响应面试验方案中进行玉米秸秆的预处理，使用预处理后的玉米秸秆制沼，收集得到的沼气，并统计；

s4、建立响应面模型，分析试验结果

将s3得到的试验数据输入响应面软件进行回归分析，根据软件分析结果，获得单因素与响应值的回归关系式，得到响应面三维图并判断各因素对响应值的影响情况，最终确定各因素优化后的水平参数组合。

s4中响应面软件为design-expert8.06软件。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的沼液预处理玉米秸秆制沼的方法操作简单，以沼液为促进剂，对木质素和纤维素含量较高的玉米进行预处理，从而使预处理后的玉米易于进行厌氧发酵；同时在操作过程中无需格外的设备，成本较低；

2、本发明提供的方法能够有效增加产气量，产气效率明显提高；

3、本发明通过响应面法对制沼方法中的预处理条件进行优化，得到预处理的最佳条件为预处理沼液用量19.08％ts，预处理温度29.78℃，预处理时间5.42天，理论产气量为4786.3ml。

附图说明

图1为本发明实施例1-实施例5中预处理前后玉米秸秆的木质纤维素的含量图；

图2为本发明实施例4、实施例6、实施例7、实施例8以及实施例9中预处理前后玉米秸秆的木质纤维素的含量图；

图3为本发明为实施例4、实施例10、实施例11、实施例12以及实施例13中预处理前后玉米秸秆的木质纤维素的含量图；

图4为本发明实施例1-实施例13以及对比例中不同预处理条件的产气量；

图5为本发明中预处理沼液加入量和预处理温度对沼气产量影响的等高线；

图6为本发明中预处理沼液加入量和预处理温度对沼气产量影响的响应面图；

图7为本发明中预处理温度和预处理时间对沼气产量影响的等高线；

图8为本发明中预处理温度和预处理时间对沼气产量影响的响应面图；

图9为本发明中验证试验的产气量。

具体实施方式

下面通过具体实施方式例对本发明进行详细描述。本发明的范围并不受限于该具体实施方式。本发明中使用的玉米秸秆来自北京郊区，参考apha方法测定玉米秸秆中vs的浓度，根据vansoest纤维素测定原理，将样品粉碎后过40目筛，用foss纤维素测定仪对玉米秸秆中纤维素、半纤维素及木质素的含量进行测定；得到玉米秸秆的ts浓度为90.39％±0.18％，vs浓度为83.79％±0.47％，纤维素的含量为33.40％±0.62％，半纤维素的含量为22.89％±0.63％，木质素的含量为9.41％±0.43％。

实施例1

本实施例提供了一种沼液预处理玉米秸秆制沼的方法，包括以下步骤：

步骤1、玉米秸秆原料准备

将玉米秸秆风干并粉碎，过3mm筛，保存备用；

步骤2、沼液制备

预处理沼液：取自实验室进行的序批式干发酵产生的沼液，将序批式干发酵产生的沼液静置沉降7天至不再产气，然后混合均匀至ts浓度为0.37％±0.11％，ph为7.2，得到预处理沼液，备用；

接种沼液：取自稳定产气的连续搅拌釜反应器中的沼液，将连续搅拌釜反应器中的沼液静置沉降7天至不再产气得到接种沼液，所述接种沼液的ts浓度为4.36％±0.04％，ph为7.1；

步骤3、预处理方法

称取玉米秸秆并置于密封容器中，加入步骤2得到的预处理沼液使混合物的ts浓度为20％，即预处理沼液用量为20％ts，搅拌均匀后于20℃恒温条件下预处理6天；

步骤4、厌氧消化

将50g步骤3中预处理的玉米秸秆与200g步骤2得到的接种沼液加入到1l的蓝盖试剂瓶中，并向其中加水稀释至900ml，然后密封并置于35±1℃的恒温反应器中进行厌氧消化，再使用1l的蓝盖试剂瓶作为沼气集气瓶和1l的量筒作为集水量筒，将沼气集气瓶中装满水，并使用乳胶管连接上述装置组成气体连通装置。

实施例2

与实施例1的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆的预处理温度为25℃。

实施例3

与实施例1的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆的预处理温度为30℃。

实施例4

与实施例1的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆的预处理温度为35℃。

实施例5

与实施例1的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆的预处理温度为40℃。

实施例6

与实施例4的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆的预处理时间为2天。

实施例7

与实施例4的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆的预处理时间为4天。

实施例8

与实施例4的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆的预处理时间为8天。

实施例9

与实施例4的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆的预处理时间为10天。

实施例10

与实施例4的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆时预处理沼液的加入量为10％ts。

实施例11

与实施例4的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆时预处理沼液的加入量为15％ts。

实施例12

与实施例4的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆时预处理沼液的加入量为25％ts。

实施例13

与实施例4的制沼方法相同，不同的是步骤3中预处理玉米秸秆时预处理沼液的加入量为35％ts。

对比例

将玉米秸秆风干并粉碎，过3mm筛，然后将50g玉米秸秆与200g接种沼液加入到1l的蓝盖试剂瓶中，并向其中加水稀释至900ml，然后密封并置于35±1℃的恒温反应器中进行厌氧消化，再使用1l的蓝盖试剂瓶作为沼气集气瓶和1l的量筒作为集水量筒，将沼气集气瓶中装满水，并使用乳胶管连接上述装置组成气体连通装置。

我们将实施例1-实施例13中预处理前后的玉米秸秆进行木质纤维素含量的测定，测定过程依据vansoest纤维素测定原理，将样品粉碎后过40目筛，用foss纤维素测定仪进行测定，并根据木质纤维素降解率计算公式(公式1)计算沼液预处理前后木质纤维素的降解率，其中降解率越高表明预处理效果越好。

k＝(1-s1/s0)*100％公式1

式中：so为秸秆中木质纤维素的含量，％，s1为预处理后秸秆中木质纤维素含量，％。

图1为实施例1-实施例5中预处理前后玉米秸秆的木质纤维素的含量图，也就是预处理温度对木质纤维素含量的影响，从图1可以看出，从纤维素的降解来说，经过不同温度预处理的降解率在3.82％～9.27％，30℃和35℃用沼液对玉米秸秆进行预处理可得到较好的结果。经沼液预处理在不同温度下半纤维素的降解率在13.05％～18.66％，降解效果明显。但从木质素而言，木质素降解率在5.10％～7.44％。从木质纤维素含量来看，在30℃下木质纤维素的含量从72.41％下降至63.44％，其降解率达到了12.39％。

图2为实施例4、实施例6、实施例7、实施例8以及实施例9中预处理前后玉米秸秆的木质纤维素的含量图，也就是预处理时间对木质纤维素含量的影响，从图2可以看出，经过10天预处理后，纤维素降解率达到10.22％，半纤维素含量从26.52％降解至21.26％，木质素的降解率达到7.86％。随着预处理时间的延长，经过沼液浸润的秸秆木质纤维素组分膨胀，木质纤维素中各成分降解率不断升高，但从6天后虽然降解率变化幅度减小，即随着6天后的降解趋于平缓。

图3为实施例4、实施例10、实施例11、实施例12以及实施例13中预处理前后玉米秸秆的木质纤维素的含量图，也就是预处理沼液加入量对木质纤维素含量的影响，从图3可以看出，随着ts的升高(即沼液用量的减少)木质纤维素各成分的降解率逐渐降低。纤维素降解率在6.72％～9.68％，木质素的降解率在1.91％～7.75％，而半纤维素的降解效果明显在8.26％～20.55％。按ts为10％和15％的量处理得到的纤维素含量与空白对照相比差异显著。从半纤维素的降解效果来看，选取的这五个水平对其降解的影响均显著，而在采用30％ts时，木质纤维素各组分含量降解效果不明显，可能由于沼液与秸秆类原料接触不完全，部分原料不能与充分接触，导致其降解效果不佳。

基于同一种发明构思，我们还提供了一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法的条件优化方法，包括以下步骤：

s1、确定单因素，并对其进行编码变换

将预处理沼液用量、预处理温度以及预处理时间作为预处理条件优化的单因素，然后分别改变单因素按照沼液预处理玉米秸秆制沼方法进行制沼，收集得到的沼气并统计各单因素的产气量，得到产气量最大的各个单因素数值，建立试验因素水平编码表；

表1为不同条件下木质纤维素降解率表，从表中数据可以看出随着温度的升高，木质纤维素的降解率升高而在30℃是降解率达到最大值。厌氧干发酵沼液中存在大量的腐殖酸和微生物，温度对微生物的活性有很大的影响，因此不同的温度微生物不同自然对其降解的效果产生差异，与此同时采用此种静置处理的方式会发生内部温度升高的现象。而随着时间的延长木质纤维素降解率逐渐升高，但从6天至10天降解率虽然升高但其上升趋于平缓，从降解的效率而言选取预处理时间6天更为合理。从沼液的用量而言，从实验结果看，对于降解效果来看选择ts含量为10％降解率最佳，但据报道用沼液处理的状态最好可以让玉米秸秆完全吸收而没有沼液流出，过量的沼液会增加厌氧系统的有机负荷，对后续的厌氧消化产生负面的影响。

表1不同条件下木质纤维素降解率表

通过对实施例1-实施例13以及对比例得到的沼气量进行统计，得到各种预处理对产气量的影响，图4是不同预处理条件的产气量，从图4可以看出，经过预处理的各产气量均在4000ml以上。而未经预处理的产气量为3318ml，由此可看出预处理可大幅提高产气量。木质纤维素降解越多对产气量的影响不一定越好，过多的沼液用量易给厌氧消化造成过多的负担，而处理时间越长木质纤维素降解越多会造成产气量的减少。说明不同的预处理处理时间对产气结果的影响很大。

通过上述对实施例1-实施例13的预处理条件的分析，得到产气量最高值时的各个单因素的量：预处理沼液加入量为20％ts，预处理温度为30℃，预处理时间为6天，根据中心组合设计ccd原则，我们将上述各个单因素的最大的点设置为中心点，将预处理条件进行响应面实验设计，得到试验因素水平编码表。表2为试验因素水平编码表。

表2实验因素水平编码表

s2、采用中心组合设计ccd原则确定试验方案

根据s1得到的试验因素水平编码表，选择预处理沼液用量、预处理温度以及预处理时间三个单因素为自变量，以产气量为响应值，运用中心组合设计ccd原则，进行响应面试验设计；

s3、按照试验方案完成试验

根据s2设计的响应面试验方案中进行玉米秸秆的预处理，使用预处理后的玉米秸秆制沼，收集得到的沼气，并统计；

在单因素试验确定的条件范围基础上，我们分别以a、b、c表示预处理沼液加入量、预处理处理温度和预处理处理时间三个自变量，以产气量为响应值，运用design-expert8.06其中的中心组合设计ccd设计原则，试验因素水平编码表2，依据实际情况进行调整，进行响应面试验设计。再根据设计的响应面试验方案进行玉米秸秆的预处理，使用预处理后的玉米秸秆进行制沼，收集得到的沼气并统计，试验方案及结果见表3。由表3可知，在20组实验试验数据中产气量在3975ml～4853ml之间，产气量在4500ml以上的组合有10组，其中产气量最高的为4853ml。而未经处理的对照组产气量为2508ml。

表3响应面实验设计及结果

s4、建立响应面模型，分析试验结果

将s3得到的试验数据输入响应面软件进行回归分析，根据软件分析结果，获得单因素与响应值的回归关系式，得到响应面三维图并判断各因素对响应值的影响情况，最终确定各因素优化后的水平参数组合。

沼气产量＝+4766.02-82.44*a+24.27*b-91.68*c+74.00*a*b-16.00*a*c

+58.00*b*c-218.77*a²-67.79*b²-158.85*c²公式2

公式2为得到的单因素与响应值的回归关系式，其中模型决定系数r²＝0.9582，校正的r²＝9206。预测r²和信噪比均在合理范围内。表4为模型的方差分析表。从表4中可以得出模型的f＝25.48，对应的p<0.0001，达到极显著水平，失拟项的p＝0.3503>0.05不显著，说明该模型拟合程度较好，试验误差小，可以用于模型分析。

从表4的f值所反映出的各因素对产气量的影响大小，还可以得出如下结论：各试验因素对产气量影响的主次顺序为：c＞a＞b，即时间＞沼液用量＞温度。

表4方差分析表

图5是预处理沼液加入量和预处理温度对沼气产量影响的等高线，图6是预处理沼液加入量和预处理温度对沼气产量影响的响应面图，图7是预处理温度和预处理时间对沼气产量影响的等高线，图8是预处理温度和预处理时间对沼气产量影响的响应面图，从图5-图8可以看出，预处理沼液加入量和温度的交互作用显著，预处理沼液加入量较多(ts越低)、预处理温度较高或预处理沼液加入量越少(ts越高)和预处理温度较低均可得到沼气产量的增高；随着预处理沼液加入量的减少(ts的升高)和预处理温度的提高沼气的产量不断提高，但预处理沼液加入量减少到一定程度和温度提高到一定值时，沼气的产量会产生降低的现象。温度和时间的交互作用与预处理沼液加入量与温度和预处理沼液加入量的交互作用结果一致。

根据表4所给出的各显著性数值，利用公式2中的模型进行沼液预处理参数的优化分析，得到预处理工艺的最佳条件。也就是通过响应面法优化得到玉米秸秆厌氧制沼的预处理最佳工艺为沼液用量19.08％ts，温度29.78℃，处理时间5.42天，理论产气量为4786.3ml。

为了验证优化后工艺条件的可靠性，我们采用得到的预处理条件进行制沼，并使用未预处理的玉米秸秆制沼作为对照组，将预处理条件设为沼液用量19.08％ts，温度为30±1℃，处理时间为5天，在此工艺条件下进行3次平行试验，经测定木质纤维素降解率为11.95±0.58％，图9是验证试验产气量，从图9得到产气量为4792±48ml，与预测值非常接近。

表5为验证试验组和对照组对厌氧消化时间的影响表，从表5可以看出，验证试验组的总产气量可提高30.76％，达到80％产气量所用的时间减少了9天，时间缩短达到27.27％，而对照组的产气高峰值仅为255ml。直观的表现产气量所产生的的差异。

表5不同预处理对厌氧消化时间的影响

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。