低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法与流程

本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及一种低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法。

背景技术：

小麦是世界上分布最广，产量最大的农作物，我国是世界上最大的小麦生产国，据国家统计局显示，我国小麦产量在2019年12月已达133590.000千吨，为小麦秸秆的资源化利用提供了丰富的原材料，使小麦成为世界第二大木质纤维素材料。然而，许多秸秆不能被有效的利用，仅仅通过焚烧或者作为饲料，使其资源化收到限制。利用小麦秸秆进行厌氧发酵产沼气被认为是一种有效的能源转化方式，该转化方式绿色环保，同时也降低了化石燃料的使用，减轻了化石燃料给环境带来的压力。

厌氧发酵主要利用小麦秸秆中的纤维素和半纤维素，然而秸秆内的纤维素不仅结晶度高，还和半纤维素相互交联，并被木质素紧紧包裹，形成致密的复杂结构，使微生物入难以侵，不易被降解。如何打破秸秆中木质素的紧密包裹，增加纤维素和半纤维素的孔隙和表面积，是厌氧发酵中热点研究的预处理技术，它是有效提高小麦秸秆生物降解量和提升产气性能的关键。

目前针对小麦秸秆的预处理技术主要有物理法，化学法，生物法等。化学方法效率高，但会产生对厌氧发酵体系有负作用的呋喃和糠醛等抑制物，同时还会增加化学试剂的回收成本，成本高且不够绿色环保。生物法条件温和，但周期较长，目前应用还较少。传统的物理方法无毒无害，其包括机械切割、球磨、水热处理等方法，需引入机械设备，增加设备购置成本，且在处理过程中耗费电力，故成本相对较高，而且秸秆的结构改变效果有限，效率低；同时，传统的物理预处理过程中机器摩擦生热，高温导致会产生部分发酵抑制物。因此，发明一种低成本、绿色环保且高效的预处理技术在利用小麦秸秆产沼气领域有重要意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法。

本发明的目的是提供一种低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，包括以下步骤：

步骤1，冻融预处理：

将秸秆晾晒后粉碎至10～30目，40～60℃烘干；向干燥后的小麦秸中添加水，调整固液比为质量比1：8～10，充分混合后得到的混合物置于室温下浸泡6～10小时；将混合物冷冻12～96h，然后自然解冻；过滤出小麦秸秆，置于50～60℃烘干，得到预处理小麦秸秆；

步骤2，厌氧发酵产沼气：

将预处理小麦秸秆和接种物加入到发酵罐中厌氧发酵，产气停止即为整个发酵周期结束。

优选的，上述低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，冷冻温度为-80～-10℃。

优选的，上述低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，自然解冻时间为8～10h。

优选的，上述低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，所述接种物为沼液。

优选的，上述低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，厌氧发酵产沼气步骤中，预处理小麦秸秆和接种物的干重质量比为1：1。

优选的，上述低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，发酵罐的有机负荷为30～50g/l。

优选的，上述低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，加入氯化铵调节发酵系统的碳氮比为25:1。

优选的，上述低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，通入氮气排空空气后密封发酵罐，放入37±1℃恒温培养箱中进行厌氧发酵；发酵过程中每10～12h摇晃一次发酵罐。

优选的，上述低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，厌氧发酵为序批式湿法发酵。

与现有技术相比，本发明提供的低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，具有以下有益效果：

(1)本发明采用小麦秸秆制备沼气，实现小麦秸秆的资源化利用；为提高秸秆的沼气产量，对秸秆进行冻融预处理，冻融预处理技术主要使秸秆结构变得疏松多孔，秸秆通过浸泡吸收水分，秸秆内的水分冷冻结冰，体积膨胀，对秸秆细胞壁产生机械破坏，使秸秆变得膨松，暴露出更多的孔隙。本发明采用秸秆和沼液混合，利于厌氧发酵微生物与秸秆内的纤维素和半纤维素作用，提高厌氧发酵过程中的水解步骤效率，厌氧发酵产气效果好。

(2)本发明方法明显提升了小麦秸秆厌氧发酵性能，停滞期明显缩短，进而缩短了厌氧发酵周期；

(3)本发明方法安全无毒，没有对环境造成污染；

(4)本发明方法无酸化现象出现，发酵系统稳定。

附图说明

图1为本发明实施例1的工艺流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明中所述有机负荷指发酵系统中小麦秸秆干重和沼液干重之和。沼液干重采用常规方法计算，预先采用干燥至恒重的方法计算沼液中水分百分比含量和固形物百分比含量，然后再根据固形物百分比含量和沼液干重需用量来计算所需沼液质量。所述产气高峰是指产气量骤增的时间。所述沼气停滞期是指发酵初期不产沼气的时长。

本发明下述实施例及对比例中，未注明具体条件的试验方法均按照本领域的常规方法和条件进行，所用的材料若无特殊说明均为市售，所用发酵罐为发酵瓶。

实施例1

一种低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，冻融预处理：

将晾晒后的小麦秸秆粉碎至20目，55℃烘干至恒重。取干燥后的小麦秸秆10g置于自封袋中，添加去离子水，调整固液比为质量比1：8，充分混合后得到的混合物置于室温下浸泡8小时。随后，将混合物放置于-20℃冰箱中冷冻，于12小时后取出，室温下自然解冻8小时。过滤出小麦秸秆，置于55℃烘箱中烘至恒重，得到预处理小麦秸秆。

步骤2，厌氧发酵产沼气：

将预处理小麦秸秆放入500ml发酵罐中，投加接种物沼液，预处理小麦秸秆和接种物的干重质量比s:i为1：1；加入蒸馏水调整发酵系统有机负荷为35g/l；加入氯化铵调节发酵系统最适c:n为25:1；通氮气排除发酵罐内空气后密封发酵罐，将发酵罐置于37±1℃恒温培养箱中进行中厌氧发酵；发酵过程中每12h摇晃一次发酵罐，产气停止(达到最大产气量)即为整个发酵周期结束。

实施例1的12小时冷冻时间的秸秆产气效率为：最大产气量为166.92ml/g，达到最大产气量的时间为25天。比对照组达到最大产气量的时间提前四天。产气高峰出现的时间为第9天，沼气停滞期为7天，整个发酵系统稳定。

实施例2

一种低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，与实施例1的方法基本相同，区别在于步骤1的冷冻时间分别改为24小时、48小时、96小时。

24小时冷冻时间的秸秆产气效率为：最大产气量为165.63ml/g，达到最大产气量的时间为27天。产气高峰出现的时间为第9天，沼气停滞期为7天，整个发酵系统稳定。

48小时冷冻时间的秸秆产气效率为：最大产气量为164.35ml/g，达到最大产气量的时间为27天。产气高峰出现的时间为第9天，沼气停滞期为7天，整个发酵系统稳定。

96小时冷冻时间的秸秆产气效率为：最大产气量为164.82ml/g，达到最大产气量的时间为27天。产气高峰出现的时间为第9天，沼气停滞期为7天，整个发酵系统稳定。

实施例3

一种低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，与实施例1的方法基本相同，区别在于步骤1的冷冻温度分别改为-10℃、-40℃、-80℃。

-10℃的秸秆产气效率为：12小时冷冻时间的秸秆产气效率为：最大产气量为161.66ml/g，达到最大产气量的时间为25天。产气高峰出现的时间为第9天，沼气停滞期为7天，整个发酵系统稳定。

-40℃的秸秆产气效率为：12小时冷冻时间的秸秆产气效率为：最大产气量为163.83ml/g，达到最大产气量的时间为25天。产气高峰出现的时间为第9天，沼气停滞期为7天，整个发酵系统稳定。

-80℃的秸秆产气效率为：12小时冷冻时间的秸秆产气效率为：最大产气量为162.81ml/g，达到最大产气量的时间为25天。产气高峰出现的时间为第9天，沼气停滞期为7天，整个发酵系统稳定。

实施例4

一种低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，包括以下步骤：

步骤1，冻融预处理：

将晾晒后的小麦秸秆粉碎至10目，40℃烘干至恒重。取干燥后的小麦秸秆10g置于自封袋中，添加去离子水，调整固液比为质量比1：10，充分混合后得到的混合物置于室温下浸泡6小时。随后，将混合物放置于-20℃冰箱中冷冻，于12小时后取出，室温下自然解冻8小时。过滤出小麦秸秆，置于50℃烘箱中烘至恒重，得到预处理小麦秸秆。

步骤2，厌氧发酵产沼气：

将预处理小麦秸秆放入500ml发酵罐中，投加接种物沼液，预处理小麦秸秆和接种物的干重质量比s:i为1：1；加入蒸馏水调整发酵系统有机负荷为30g/l；加入氯化铵调节发酵系统最适c:n为25:1；通氮气排除发酵罐内空气后密封发酵罐，将发酵罐置于37±1℃恒温培养箱中进行中厌氧发酵；发酵过程中每12h摇晃一次发酵罐，产气停止(达到最大产气量)即为整个发酵周期结束。

发酵周期为25天。产气高峰出现的时间为第9天，沼气停滞期为7天。

实施例5

一种低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，包括以下步骤：

步骤1，冻融预处理：

将晾晒后的小麦秸秆粉碎至30目，60℃烘干至恒重。取干燥后的小麦秸秆10g置于自封袋中，添加去离子水，调整固液比为质量比1：8，充分混合后得到的混合物置于室温下浸泡6小时。随后，将混合物放置于-20℃冰箱中冷冻，于12小时后取出，室温下自然解冻10小时。过滤出小麦秸秆，置于60℃烘箱中烘至恒重，得到预处理小麦秸秆。

步骤2，厌氧发酵产沼气：

将预处理小麦秸秆放入500ml发酵罐中，投加接种物沼液，预处理小麦秸秆和接种物的干重质量比s:i为1：1；加入蒸馏水调整发酵系统有机负荷为40g/l；加入氯化铵调节发酵系统最适c:n为25:1；通氮气排除发酵罐内空气后密封发酵罐，将发酵罐置于37±1℃恒温培养箱中进行中厌氧发酵；发酵过程中每12h摇晃一次发酵罐，产气停止即为整个发酵周期结束。

发酵周期为27天。产气高峰出现的时间为第9天，沼气停滞期为7天。

对比例1

一种低温冻融预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能的方法，与实施例1的方法基本相同，区别在于：浸泡8小时后直接过滤出小麦秸秆，置于55℃烘箱中烘至恒重。不进行冻融处理。

对比例1的达到最大产气量的时间即总发酵周期为29天，产气高峰出现的时间为第11天，沼气停滞期为9天。通过测量ph值，发现对比例1在整个发酵周期过程中的ph波动较大，但未出现酸化现象，ph值最低为第7天的6.12，这个最低值低于实施例1的ph值，整个发酵系统稳定。

与对比例1相比，采用实施例1～5的方法沼气停滞期短，产气高峰提前到来，发酵周期提前结束。

需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。