CN101671697A

CN101671697A - 提高木质纤维原料厌氧产气性能的新方法

Info

Publication number: CN101671697A
Application number: CN200910035462A
Authority: CN
Inventors: 郑正; 陈广银; 罗艳; 邹星星; 方彩霞; 张继彪; 罗兴章; 高顺枝
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2010-03-17

Abstract

本发明公开了一种提高木质纤维原料厌氧产气性能的新方法，木质纤维原料先进行切碎预处理；将预处理后的木质纤维原料与草炭按干物质比9∶11～3∶1的比例混合；将混合物加入厌氧反应器中，并加入接种物，混合；厌氧反应器在30～40℃下进行厌氧发酵产沼气。本发明在不影响草炭肥料价值的前提下，较大幅度的提高了木质纤维原料的厌氧生物转化率，实现了木质纤维原料和草炭的资源化、减量化和无害化的利用。

Description

提高木质纤维原料厌氧产气性能的新方法

技术领域

本发明属于生物质能源开发利用与环境保护领域，具本涉及一种利用一种富含矿质营养元素的材料——草炭与木质纤维原料混合发酵来提高木质纤维原料生物转化率的方法。

背景技术

随着石化燃料的日益枯竭，世界开始将目光聚集到新生能源领域。在各种新能源中，生物质能源是最安全、最稳定且不易受外界环境影响的能源，是目前国家重点鼓励的新能源领域之一。地球上生物质资源庞大，种类繁多，包括所有的陆生植物、水生植物、人类和动物的***物以及工农业有机物等。在各种可供人类使用的生物质中，木质纤维原料占其中的绝大多数，充分合理的利用好这部分资源对于缓解能源紧张的局势，减少温室气体的排放量，保护当地的环境具有重要意义。目前，对木质纤维原料能源化利用的途径主要包括：焚烧、气化、发酵产乙醇、生物柴油和厌氧产气等几种。与其它转化技术相比，厌氧产气具有能耗低、运行管理方便、产生的沼气清洁无污染等特点，且发酵产生的沼渣和沼液可作为有机肥重回土壤，实现物质和能量的梯级循环利用，更符合国家可持续发展的要求。

顾名思义，木质纤维原料的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，这3种成分的质量占木质纤维原料总质量的80％～95％。纤维素是聚合度为300到15000的线型高分子化合物，由于氢键的作用使很多纤维素分子共同形成结晶区。木质素是纤维素的粘合剂，能增加植物体的机械强度。厌氧条件下木质素不易被分解，且对微生物分解纤维素有屏蔽作用，加之纤维素本身的结晶结构、半纤维素对纤维素的包覆作用等，都导致木质纤维原料厌氧降解困难。此外，木质纤维原料的C/N偏高，是影响其厌氧生物转化的另一个因素。

“草炭”又名“泥炭”，亦叫作“泥煤”，是沼泽发育过程中的产物，由沼泽植物的残体，在多水的嫌气条件下，不能完全分解堆积而成。含有大量水分和未被彻底分解的植物残体、腐殖质以及一部分矿物质。有机质含量在30％以上，pH值一般为5.5～6.5，富含氮、钾、磷、钙、锰等多种元素。将其与稻草混合发酵可改善厌氧***的营养状况，调节C/N，提高微生物的活性，且其疏松多孔的结构便于微生物附着生长，但较高的腐殖质含量对厌氧发酵会产生一定的抑制。目前，将草炭与木质纤维原料混合厌氧消化产沼气在国内外还未见报道。

发明内容

本发明的目的是为了提高厌氧发酵产沼气的效率，提供一种利用草炭与木质纤维原料混合发酵产沼气并提高发酵后沼渣肥料价值的方法。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种提高木质纤维原料厌氧产气性能的新方法，包括如下步骤：

(1)木质纤维原料先进行切碎预处理；

(2)将预处理后的木质纤维原料与草炭按干物质(TS)比9∶11～3∶1的比例混合；

(3)将步骤(2)得到的混合物加入厌氧反应器中，并加入接种物，进行接种，混合；

(4)向厌氧反应器中加入水后在30～40℃下进行厌氧发酵产沼气。

其中木质纤维原料选自玉米秸、麦秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一种或几种。可根据季节、地域以及当地的实际情况选择不同的木质纤维原料。将收割后的木质纤维原料通过人工或机械方法切成1.0～3.0cm的小段；或者通过秸秆粉碎机进行切碎至1.0～3.0cm，达到使原料均匀的目的。

在一定范围内，厌氧***中微生物的种群密度越高，发酵原料的厌氧生物转化率越高。草炭是沼泽发育过程中的产物，具有疏松多孔的结构，含有多种矿质营养元素，且C/N较低。将其加入厌氧***中可以调节厌氧***的C/N，提高厌氧微生物的活性，促进木质纤维原料的生物转化。同时，草炭本身是一种优质的有机肥，可以提高发酵后沼渣的肥料价值。“草炭”又名“泥炭”，亦叫作“泥煤”，形成于第四纪，由沼泽植物的残体，在多水的嫌气条件下，不能完全分解堆积而成。含有大量水分和未被彻底分解的植物残体、腐殖质以及一部分矿物质。有机质含量在30％以上，质地松软易于散碎，多呈棕色或黑色，pH值一般为5.5～6.5，呈层状分布，称为泥炭层。不同产地的草炭由于物质组成不同会有不同的物理性质与化学特性，但均含丰富的氮、钾、磷、钙、锰等多种元素。世界各地都有发现“泥炭”的踪迹。除了美国佛罗列达州的大沼泽区(Everglades)外，几乎所有的“泥炭”区都位于高纬度的地区(约占80％)，而世界上约有60％的湿地地区都是“泥炭”的蕴藏区(约达400万平方公里)。

草炭与木质纤维混合发酵的干物质比例优选为9∶11～3∶1(质量)，混合物中草炭的量过多会抑制厌氧产气过程的进行，降低厌氧反应器的处理能力，草炭的量过少则不能起到改善厌氧***的环境、调节C/N、提高厌氧微生物活性的目的。

厌氧发酵的接种物一般选自老沼气池的沼渣、腐败河泥或城市污水处理厂的厌氧消化污泥中的一种或几种。接种物的加入量(干物质含量)为厌氧反应器内的发酵物干重的5％～30％(厌氧发酵中的发酵物一般指发酵的基质，英语里用substrate表示，因为草炭在发酵过程中基本不能为厌氧微生物分解，故这里指木质纤维原料)。厌氧反应器中加入接种物后，加水调节至适当的TS有机负荷即可进行厌氧反应。加水量以厌氧反应器***TS负荷在6～10％为准。

反应在常温、中温以及高温条件下均可正常进行，但以35±2℃为佳。当日产气量低于平均日产气量的30％时，结束反应；厌氧发酵产沼气的周期一般为30～60天。厌氧发酵时封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管与储气装置连接，控制反应温度，发酵过程中通过搅拌装置对发酵物进行搅拌；24h内即可产生沼气，经过30～60天的发酵，产气量明显下降，当日产气量低于平均日产气量(指累积产气量/发酵天数所得的值)的30％时，反应即可结束，进行新一轮发酵。

本发明的有益效果：

1、工艺简单，可操作性强。

2、将草炭与木质纤维原料混合厌氧消化产沼气，提高了木质纤维原料的生物转化率，其单位干物质产气量最高可提高19.33％。

3、将木质纤维原料与草炭混合发酵，可以提高厌氧***中微生物的活性，产气速率和产气峰值明显提高，发酵周期缩短10天以上，提高了发酵装置的处理能力和处理效率。

4、草炭是一种优质的有机肥料，其在厌氧发酵前后物质组成和特性并未发生变化，且损失率很低(草炭中的有机物主要以腐殖质、木质素等不能为厌氧微生物分解利用的形式存在，故发酵前后草炭中有机物的变化不大，但草炭中含有的矿质元素在发酵过程中会部分溶出，但这部分占草炭总质量的比例很小)。将草炭添加到厌氧***中提高了发酵后沼渣的肥料价值。

附图说明

图1为实施例1发酵过程中日产气量和累积产气量的变化情况。

图2为实施例2发酵过程中日产气量和累积产气量的变化情况。

图3为实施例3发酵过程中日产气量和累积产气量的变化情况。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：

(1)原料木质纤维原料(如玉米秸、麦秸或稻秸等)的粉碎预处理，通过机械或人工方法将收割后的木质纤维原料切成1～2cm的小段；

(2)将步骤(1)所述切碎的木质纤维原料与草炭按干物质比45∶55混合均匀；

(3)将步骤(1)所得木质纤维原料(含干物质25.2克)、草炭(含干物质30.8克)以及步骤(2)所得混合物(含干物质56克)分别投加到1000mL的厌氧反应器中，加入干物质含量为2.61％的厌氧污泥400克进行接种，混合；

(4)向步骤(3)所得混合料中加水，使反应器的TS负荷为8％，向其余两个反应器中补充水使3个反应器内物质的总质量相同；

(5)封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管与储气装置连接，反应温度控制在35±2℃，发酵过程中通过搅拌装置对发酵物进行搅拌；24h内即可产生沼气，经过49天的发酵，产气量明显下降(日产气量低于平均日产气量的30％)，停止反应，进行新一轮投料和接种发酵。

各处理发酵过程中日产气量和累积产气量的变化曲线见图1，可以看出混合发酵与木质纤维原料单独发酵的日产气量曲线相似，木质纤维原料单独发酵实验第3天产气达高峰，混合发酵的产气高峰在第5天出现，但峰值较单独发酵大幅提高。从累积产气量的曲线来看，混合发酵促进产气主要发生在实验开始的9天后，随后两者之间的差距不断拉大。实验结束时，添加草炭混合发酵的累积产气量较木质纤维原料单独发酵提高了11.61％。

实施例2：

(2)将步骤(1)所述切碎的木质纤维原料与草炭按干物质比3∶2混合均匀；

(3)将步骤(1)所得木质纤维原料(含干物质33.6克)、草炭(含干物质22.4克)以及步骤(2)所得混合物(含干物质56克)分别投加到1000mL的厌氧反应器中，加入干物质含量为2.61％的厌氧污泥400克进行接种，混合；

各处理发酵过程中日产气量和累积产气量的变化曲线见图2，可以看出混合发酵明显促进了木质纤维原料厌氧产气，混合发酵在实验第6天达到产气高峰，峰值为1052ml，之后产气缓慢下降。木质纤维原料单独发酵在实验第7天达到产气高峰，峰值仅为681ml，随后在7-19天之间产气出现较大波动，之后产气逐渐下降。从累积产气量的曲线来看，混合发酵在实验开始3天后的累积产气量高于木质纤维单独发酵，随后这种差距不断扩大。至反应结束时，添加草炭混合发酵的累积产气量较木质纤维原料单独发酵提高了19.33％。

实施例3：

(2)将步骤(1)所述切碎的木质纤维原料与草炭按干物质比3∶1混合均匀；

(3)将步骤(1)所得木质纤维原料(含干物质42克)、草炭(含干物质14克)以及步骤(2)所得混合物(含干物质56克)分别投加到1000mL的厌氧反应器中，加入干物质含量为2.61％的厌氧污泥400克进行接种，混合；

各处理发酵过程中日产气量和累积产气量的变化曲线见图3，可以看出混合发酵明显促进了木质纤维原料厌氧产气，混合发酵在实验第9天达到产气高峰，峰值为1082ml，之后产气缓慢下降，并在第18天出现第二个产气高峰，但该产气高峰较前一次明显减弱，之后产气量不断下降。木质纤维原料单独发酵在实验第14天出现第一个产气高峰，峰值为686ml，在第17天出现第二个产气高峰，为728ml，之后产气逐渐下降。可以看出，混合发酵和单独发酵虽然均出现两个产气高峰，但单独发酵两个产气高峰的峰值相当，且后一个产气高峰较前一次还稍大，而混合发酵前一次产气高峰明显大于第二次产气高峰，表明混合发酵明显促进了厌氧微生物产气的速率，有利于缩短产气周期。从累积产气量的曲线来看，混合发酵在实验开始4天后的累积产气量均高于木质纤维单独发酵，至反应结束时，添加草炭混合发酵的累积产气量较木质纤维原料单独发酵提高了16.08％。

草炭中含有大量的矿质元素，腐殖质含量高达15％以上，厌氧发酵后这些物质大部分保留在沼渣中，提高了沼渣的肥料价值。发酵后沼渣的氮含量为1.85～2.07％，有机质含量为51.72～60.34％，腐殖质含量为15.3～18.8％，是一种优质的有机肥。

Claims

1、一种提高木质纤维原料厌氧产气性能的新方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)木质纤维原料先进行切碎预处理；

(2)将预处理后的木质纤维原料与草炭按干物质比9∶11～3∶1的比例混合；

(3)将步骤(2)得到的混合物加入厌氧反应器中，并加入接种物，混合；

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的木质纤维原料选自玉米秸、麦秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一种或几种。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中将木质纤维原料切碎至1.0～3.0cm。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的木质纤维原料与草炭的干物质比9∶11～3∶1。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的接种物选自老沼气池的沼渣、腐败河泥或城市污水处理厂的厌氧消化污泥中的一种或几种。

6、根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于所述的接种物的加入量为厌氧反应器内的发酵物干重的5％～30％。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于厌氧发酵的温度为30～40℃。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于厌氧发酵产沼气至日产气量低于平均日产气量的30％时，结束反应。

9、根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于厌氧发酵产沼气的周期为30～60天。