一种用厌氧发酵自身产物增强秸秆产甲烷性能的预处理方法和应用

1.本发明属于有机固体废物厌氧发酵领域，具体涉及一种用厌氧发酵自身产物增强秸秆产甲烷性能的预处理方法和应用。


背景技术：

2.我国是农业大国，同时也是秸秆年产量最多的国家。我国每年农作物秸秆的产量超过9亿吨，这些秸秆(如玉米、小麦秸秆)主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成。厌氧发酵是一个复杂的生物过程，其中的厌氧微生物可以在厌氧条件下将秸秆中的有机物转化为生物甲烷。然而，秸秆中的木质纤维素由于其理化特性而对厌氧微生物的降解具有较强的抵抗力。即使目前已经发明了各种通过改善厌氧发酵工艺，从而提升木质纤维素利用率的方法(如添加微量元素、共发酵)，预处理仍然是最佳的选择之一。适当的预处理方法可以提高木质纤维素的转化效率并降低后续的操作成本。
3.近年来已经出现了各种提高木质纤维素在厌氧发酵中转化率的预处理方法，包括物理，化学，生物和联合预处理。在这些方法中，化学预处理操作简单，通过添加一定量的化学试剂破坏木质纤维素的顽固结构，从而显著提高甲烷产量。这些化学试剂(例如酸、碱、氧化剂和有机溶剂)可以快速改变木质纤维素的理化结构，但也容易产生阻碍发酵过程的抑制性产物。此外，化学试剂的成本高昂，在化学预处理之后，还需要在后续发酵之前进行中和或试剂回收的操作，这将进一步压缩沼气工程的利润。
4.厌氧发酵不同阶段的发酵液性质不同，其中，产酸阶段(发酵酸液)和产甲烷阶段(沼液)的发酵液分别富含挥发性脂肪酸(vfas)和nh
4+-n，这些成分已经被证明有破坏木质纤维素结构的能力。除了vfas或nh
4+-n，富含酶和微生物的发酵液对预处理和厌氧发酵具有额外的积极作用。例如，申请号为cn202110098474.4的专利申请公开的“一种提高秸秆厌氧发酵产甲烷性能的处理方法及其应用”、申请号为cn201810251922.8的专利申请公开的“一种氧化钙和沼液联合预处理提高稻草秸秆厌氧消化产气性能的方法”，均是基于这个思路出发进行技术研发。然而，前者并未充分发挥发酵液的作用，发酵酸液联合盘磨预处理仅能提高22.34％的甲烷产量，沼液联合盘磨预处理则抑制了秸秆的厌氧发酵过程；而后者添加了额外的化学试剂氧化钙，增加了预处理和试剂回收成本。


技术实现要素：

5.为解决现有农作物秸秆预处理方法成本高导致产业利润低的问题，提出本发明。本发明的目的在于提供一种利用厌氧发酵自身产物的绿色、低成本和高效的农林废弃物的预处理方法。该方法利用厌氧发酵过程产生的发酵液(沼液和/或发酵酸液)和co2气体对农作物秸秆进行预处理，可以有效破坏木质纤维素的致密结构，提高厌氧发酵的甲烷产量。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种用厌氧发酵自身产物增强秸秆产甲烷性能的预处理方法，采用高压co2和发
酵液对秸秆进行联合预处理，其主要是通过以下技术方案加以实现的，包括以下步骤：
8.将风干的秸秆粉碎后按配比加入到发酵液中，通入一定压力的co2气体后进行预处理，得到预处理浆液；其中：所述发酵液包括秸秆与接种污泥厌氧发酵过程中产酸阶段的发酵酸液，以及以秸秆和动物粪便为主要原料连续厌氧发酵产生的沼液中的至少一种。
9.进一步地，所述发酵酸液为玉米秸秆与接种污泥厌氧发酵第8天的发酵酸液。
10.进一步地，所述沼液取自以玉米秸秆和牛粪为主要原料的35℃连续沼气发酵罐的液体部分。
11.进一步地，所述厌氧发酵均优选为中温厌氧发酵，所述中温条件指35
±
1℃。
12.进一步地，所述秸秆与发酵液的固液比为1:10～1:8。
13.进一步地，所述co2优选厌氧发酵过程中产生的co2，具体是将秸秆与接种污泥厌氧发酵过程中产生的co2和/或以秸秆和动物粪便为主要原料连续厌氧发酵产生的co2进行回收获得。
14.进一步地，所述co2的压力为1mpa。
15.进一步地，所述预处理的温度为35～170℃，较优选为35～55℃，更优选为55℃。
16.进一步地，所述预处理的时间为0.5～24小时。
17.如上述的一种用厌氧发酵自身产物增强秸秆产甲烷性能的预处理方法在利用秸秆制备甲烷中的应用。
18.如上述所述的用厌氧发酵自身产物增强秸秆产甲烷性能的预处理方法在利用秸秆制备甲烷中的应用，具体步骤如下：
19.将所述预处理浆液、接种污泥和水混合，然后在中温条件下进行厌氧发酵。
20.进一步地，所述接种污泥为秸秆与动物粪便进行连续沼气发酵后的产物。
21.进一步地，所述预处理浆液与接种污泥的vs比为1：2，调节发酵系统中的总vs至4～6％。
22.进一步地，所述中温条件指35
±
1℃。
23.进一步地，所述厌氧发酵时间为45天，发酵过程中每天晃动1～5次。
24.进一步地，本发明所指的ts(total solids)是指物料蒸发所有水分后剩余固体的含量；vs(volatile solids)是指物料中挥发性固体的含量。
25.本发明原理如下：
26.木质纤维素在厌氧发酵过程中会因为自身的顽固结构导致转化率不高，因此需要在厌氧发酵之前进行预处理。化学预处理能够明显破坏木质纤维素的结构，然而，化学预处理的成本过高，难以大规模应用。本发明通过将厌氧发酵自身产生的发酵液和co2进行结合，对木质纤维素进行预处理，从而打破其致密的结构。在高压co2与发酵液中微生物和化学成分的共同作用下，秸秆中的纤维素和半纤维素分解为更容易被利用的成分，光滑的表面呈现出大量的孔隙和层状结构，增加微生物的可接触面积，从而显著提高厌氧发酵的甲烷产量。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
28.(1)预处理可以破坏木质纤维素的致密结构，使秸秆的厌氧发酵产气效率提高；
29.(2)经过预处理后秸秆的甲烷产量显著提高。55℃高压co2联合沼液预处理24小时后，累积甲烷产量为164.43ml/g vs，比未处理1高50.97％。55℃高压co2联合发酵酸液预处
理12小时后，累积甲烷产量为172.34ml/g vs，比未处理2高63.85％；
30.(3)使用厌氧发酵自身产生的发酵液和co2进行联合预处理，无需化学试剂的添加，成本低廉；
31.(4)预处理后co2在低温和常压下轻松回收和去除，预处理浆液可以直接进行厌氧发酵，无需中和操作。
附图说明
32.图1是本发明实施例提供的w1，w2，w3，w4实验组和未处理1累积甲烷产量随时间的变化；
33.图2是本发明实施例提供的ld1，ld2，ld3，ld4实验组累积甲烷产量随时间的变化；
34.图3是本发明实施例提供的未处理和预处理后秸秆的扫描电镜(sem)图像：a)未处理1；b)ld3预处理；c)ld4预处理；
35.图4是本发明实施例提供的w1，w6，w7实验组和未处理2累积甲烷产量随时间的变化；
36.图5是本发明实施例提供的ald1，ald2，ald3实验组累积甲烷产量随时间的变化；
37.图6是本发明实施例提供的未处理和预处理后秸秆的sem图像：a)未处理2；b)w6预处理；c)ald2预处理。
具体实施方式
38.厌氧发酵过程产生的沼气主要由ch4和co2组成。其中，ch4是厌氧发酵工艺中的目标产品，可以用作生物燃料或转化为高附加值的化学品。而co2在沼气工程中受到的关注较少。co2气体无毒，易挥发，可以在水溶液中产生碳酸。碳酸可以在低温和常压下轻松回收和去除，对设备几乎没有腐蚀作用。另外，高压co2气体可以显著增加原料的孔面积和孔隙率，使其更利于微生物和酶的接触。有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用厌氧发酵自身产物增强秸秆产甲烷性能的预处理方法和应用，本发明将厌氧发酵过程的副产品(发酵液和co2)用于预处理过程，使其成为当前厌氧发酵预处理方法中一种环保和低成本的替代方案，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。
39.下面将结合具体实施例及其附图对本发明的技术方案作进一步说明，下列实施例中所用的设备和试剂如无特殊说明，均可通过商业途径得到；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.在以下所有实验中，所使用的农作物秸秆是从中国农业大学上庄实验站获得的风干玉米秸秆。本研究中使用的接种污泥取自河北三河市的以玉米秸秆和牛粪为原料的35℃连续沼气发酵罐(玉米秸秆和牛粪、发酵物料和接种污泥均按1:1(基于vs)混匀后，用自来水稀释初始含固率至6％，封闭反应器，逐渐加大每天的进料量使含固率达到9％后，固定添加物料量)，取接种污泥之前，该发酵罐已稳定运行1年以上。使用之前，接种污泥中加入葡萄糖后在35
±
1℃的恒温室中活化14天(负荷为：0.5g/l)。原料和接种污泥基础指标的测定结果如表1所示。
41.表1原料和接种污泥的性质
[0042][0043]
实施例1
[0044]
(1)实验材料
[0045]
玉米秸秆经过风干后用剪刀剪成3～4厘米，之后用粉碎机粉碎后过40目筛网，装入封口袋中备用。沼液和接种污泥取自河北三河市以玉米秸秆和牛粪为原料的35℃连续沼气发酵罐，取沼液和接种污泥之前，该发酵罐已稳定运行1年以上。沼液的ph值为8.3，含有77mg/l的乙酸，187mg/l的丙酸，nh
4+-n含量为605.15mg/l。
[0046]
(2)预处理方法
[0047]
将玉米秸秆与水或沼液以固液比1:10混合后，加入高压反应釜中，在有无co2气体的情况下，将混合物加热至55℃或170℃，并保持0.5或24小时。当温度降至40℃以下时，通过打开反应器上的泄压阀将容器缓慢降至常压。将一部分预处理的浆液直接进行厌氧发酵，然后将另一部分离心(5000r/min，10分钟)。将得到的固体部分用蒸馏水洗涤并在80℃下干燥，液体部分存储在-20℃的冰箱中以进一步分析。
[0048]
表2实施例1的预处理参数
[0049][0050]
(3)厌氧发酵
[0051]
每个发酵罐中加入预处理后的浆液和接种污泥(vs比为1:2)，并添加蒸馏水调节发酵系统中的总vs至4％。设置对照组(未处理1)为没有经过预处理的玉米秸秆。在发酵罐中通入氮气2分钟以形成厌氧条件，用橡胶塞密封。厌氧发酵过程是在35
±
1℃恒温室中进行，一共持续45天。
[0052]
(4)结果
[0053]
表3实施例1预处理浆液性质
[0054]
co2后，将混合物加热至35～100℃，并保持12小时。当温度降至40℃以下时，通过打开反应器上的泄压阀将容器缓慢降至常压。将一部分预处理的浆液直接进行厌氧发酵，然后将另一部分离心(5000r/min，10分钟)。将得到的固体部分用蒸馏水洗涤并在80℃下干燥，液体部分存储在-20℃的冰箱中以进一步分析。
[0063]
表2实施例2的预处理参数
[0064][0065]
(3)厌氧发酵
[0066]
每个发酵罐中加入预处理后的浆液和接种污泥(vs比为1:2)，并添加蒸馏水调节总vs至6％。对照组(未处理2)为没有经过预处理的玉米秸秆。此外，还做了只有发酵酸液的组合。在发酵罐中通入氮气2分钟以形成厌氧条件，用橡胶塞密封。厌氧发酵过程是在35
±
1℃恒温室中进行，一共持续45天。
[0067]
(4)结果
[0068]
表4实施例2预处理浆液性质
[0069][0070]
表4展示了经过预处理后浆液的性质变化。可以发现发酵酸液预处理组的浆液中vfas含量显著高于水预处理组，这是由于发酵酸液中含有大量的vfas。在100℃高压co2联合发酵酸液预处理(ald3)预处理vfas的最高含量，为9.34g/l。所有低温处理组合的浆料中均未检测到糠醛的产生，只有在100℃高压co2水热预处理(w7)和100℃高压co2联合发酵酸液预处理(ald3)的浆液中检测到少量的hmf。这说明实验条件比较温和，有利于后续的厌氧发酵过程。在35℃和55℃条件下，使用发酵酸液进行预处理导致浆液中葡萄糖和木糖的含量明显高于水处理组，这是由于发酵酸液中所含有的vfas和微生物对木质纤维素结构有更好的破坏作用。
[0071]
图4显示了玉米秸秆经过高压co2水热预处理后的累积甲烷产量的变化。经过预处理后，所有组合的甲烷总产量均大于未处理组。随着预处理温度的增加，甲烷产量的增加量先增后减。其中，甲烷产量最高的是55℃高压co2水热预处理(w6)，累积甲烷产量为142.42ml/g vs，比未处理2高35.41％。100℃高压co2水热预处理(w7)后，累积甲烷产量增加了13.08％，这可能是由于预处理过程中产生的少量抑制性产物。图5显示了玉米秸秆经
过高压co2联合发酵酸液预处理后的累积甲烷产量的变化。经过35℃(ald1)，55℃(ald2)和100℃(ald3)高压co2联合发酵酸液预处理后累积甲烷产量都比对应水处理组高。其中，甲烷产量最高的是ald2预处理，累积甲烷产量为172.34ml/g vs，比未处理2高63.85％。一方面是由于发酵酸液中含有大量的vfas，这些vfas不仅能够作为厌氧发酵的原料，还具有破坏木质纤维素结构的作用。此外，发酵酸液和沼液一样，都具有对厌氧发酵和预处理过程有益的微生物和酶。玉米秸秆经过ald2预处理后的累积甲烷产量减去发酵酸液的甲烷产量(15.09ml/g vs)后，仍然比未处理2高49.51％。
[0072]
图6显示了未经处理和预处理的玉米秸秆的sem图像。预处理前，玉米秸秆表面紧密、光滑、整齐，无明显破损痕迹。玉米秸秆经w6和ald2预处理后，玉米秸秆的外部结构明显被破坏，纤维变得更加粗糙和无序。由于外部结构的破坏，秸秆的内部空隙暴露，而内部空隙对于酶和微生物接近内部纤维素和半纤维素非常重要。这些破坏增加了酶和微生物的可及表面积，有利于改善秸秆的厌氧发酵表现。
[0073]
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。