CN105420282A - 一种通过生化预处理玉米秸秆提高秸秆与粪便混合厌氧消化产气性能的方法 - Google Patents

一种通过生化预处理玉米秸秆提高秸秆与粪便混合厌氧消化产气性能的方法 Download PDF

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Abstract

一种通过生化预处理玉米秸秆提高秸秆与粪便混合厌氧消化产气性能的方法属于有机固体废弃物厌氧消化领域。本发明包含以下步骤下：从沼液池中提取沼液，过筛网；将秸秆粉碎，与沼液混合均匀，将混合物置于密闭容器内在35℃恒温箱预处理1-3天；将所得物料与粪便混匀，接种厌氧消化污泥，调节pH，加水稀释后进行中温厌氧发酵过程。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果(1)预处理时间明显缩短5-14天；(2)厌氧发酵周期T80明显缩短23.08％-43.59％；(3)甲烷产量明显提高25.72％-36.55％(4)工艺简单，成本低廉，易于操作。

Description

一种通过生化预处理玉米秸秆提高秸秆与粪便混合厌氧消化产气性能的方法
技术领域
本发明属于有机固体废弃物厌氧消化领域，具体涉及一种通过生化预处理玉米秸秆提高秸秆与粪便混合厌氧消化产气性能的方法。
背景技术
我国是传统的农业大国，年产农作物秸秆量达8亿多吨，其中玉米秸秆产量达2.84亿吨。因不能及时有效利用，绝大多数玉米秸秆被露天焚烧或野外堆放，严重污染大气环境，同时浪费了资源。厌氧消化技术已被证明为有效获取生物质能源的重要方法，具有低能耗、高产能等优点，目前已在我国广泛的工业化应用和规模化示范。
以秸秆为原料进行厌氧发酵，产量低、周期长。其主要原因为：(1)秸秆的主要组成成分(纤维素、半纤维素和木质素)结构复杂，难以被微生物直接利用；(2)营养不均衡，C/N比过高。
一般通过对秸秆进行预处理的来提高微生物对秸秆的利用率。物理法以剪切、粉碎为主，简易快捷，但没从根本上改变木质纤维素的晶体结构。化学法以酸碱处理为主，投入产出比较高，但存在废液处理、设备要求高、碱液抑制产甲烷杆菌生长风险等问题。生物法具有非化学、低能耗、环境友好等优势成为研究热点，但现有白腐真菌或复合菌剂预处理法成本高、技术难度大。
沼液一般为高浓度有机废水，不仅含有大量的氮、磷、钾及有机物，而且富含酶和木质纤维素降解菌。文献：楚莉莉等.沼液预处理小麦秸秆厌氧发酵产气特性的影响(干旱地区农业研究,2011,29(1):247-251.)的研究发现：使用沼液预处理麦秸8-15天后进行厌氧发酵的VS累积产气量增加15.42％-31.53％，甲烷平均含量为64％-71％。其不足之处是沼液预处理时间太长，原料损失太多，甲烷总产量较低。
中国专利CN101899474A采用沼液作为促进剂，对秸秆进行预处理，然而预处理时间长。专利CN102586333A通过回用部分沼液预处理麦秸，但氨氮的积累抑制厌氧菌的生长，但是指标多、操作难度大。
发明内容
针对厌氧发酵过程中难降解和营养不均衡的缺陷，提出本发明。本发明的目的在于提供一种通过生化预处理玉米秸秆提高秸秆与粪便混合厌氧产气性能的方法，具有操作简单、降解速率快、预处理时间短及发酵底物C/N比均衡的特点。
本发明技术方案包含如下内容：
(1)秸秆原料准备
取风干的玉米秸秆，先切成3～4厘米，再用带20目筛网的粉碎机粉碎干燥保存备用。
(2)沼液制备方法
沼液取自正常运转一年以上发酵稳定的厌氧发酵沼气池出料(沼液pH在6.9-7.2，氨氮在200-1500mg/L，碱度在2000-6000mg/L)，静置沉降2-7天，滤掉一部分水后，保证沼液干重TS在2％-4％，然后分别将沼液过5-40目筛网，制备好的沼液放入4℃冰箱备用。
(3)预处理方法
称取玉米秸秆若干份分别置于密封容器中，加入玉米秸秆干重TS1-6倍的不同浓度的沼液(过5-40目筛网)混合，同时控制每份玉米秸秆预处理后的总固体浓度范围为10％-25％，搅拌均匀后密封置于35℃恒温箱预处理1-6天。
(4)预处理时间确定方法
称取一定质量的玉米秸秆，置于密封容器中，按不同沼液浓度(过5-40目滤网的沼液)和预处理过程中总固体浓度(10％-25％)两个因子加入沼液(固体含量10％-25％就是含水率75％-90％)，用玻璃棒搅拌均匀，分别密封置于35℃恒温箱预处理1-6天，每天测定密闭容器中物料的pH，当pH值不在下降时视为预处理完成。本方法所得最佳预处理时间为1-3天，(见图1)。
(5)操作步骤
具体做法：将自然风干的玉米秸秆先切成3～4厘米，再用带20目筛网的粉碎机粉碎后保存备用。分别称取玉米秸秆39g(按TS计算)若干份，分别置于1L蓝盖瓶中，按不同沼液浓度(过5-40目滤网的沼液)和总固体浓度(10％-25％)两个因子加入取自正常运转一年发酵稳定的厌氧发酵沼气池出料且保证沼液干重TS在2％-4％的沼液，用玻璃棒搅拌均匀，密封置于35℃恒温箱预处理1-3天。
(6)厌氧消化
将预处理所得的玉米秸秆与来自养殖场的新鲜牛粪或猪粪混匀(按TS干重3：1混合)，加入正常运行污水处理厂厌氧消化池污泥(pH在7.0-8.0，氨氮在200-1500mg/L，碱度在2000-6000mg/L)接种物15gMLSS/L，调节pH至pH6.8-7.2，加水稀释至体积为反应器总体积的80％-90％后密封在35±1℃的恒温反应器中进行中温厌氧消化过程50天。
测定预处理前后和厌氧消化前后木质纤维素含量、总固体含量TS、总挥发性固体含量VS、pH、氨氮、碱度、甲烷百分含量和日产沼气量。所有数据用于评价沼液预处理玉米秸秆后与粪便混合厌氧消化的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)预处理时间明显缩短。本发明的预处理时间仅为1-3天，而楚莉莉等发明中预处理时间为8-15天，缩短了5-14天。此外，相对于碱预处理法，本发明操作简单，成本低廉，且不需要调节C/N，是一种经济高效的预处理方法。
(2)厌氧发酵周期明显缩短。35±1℃条件下沼液预处理玉米秸秆与牛粪混合厌氧消化酸化延滞期不明显，迅速进入产甲烷高峰期，明显缩短厌氧消化周期。对于预处理温度为35℃，预处理时间1-3天的沼液预处理秸秆与牛粪混合的厌氧消化，T80为22-30天，比未预处理组39天缩短23.08％-43.59％，大大节约了运行成本，更适合工业生产。
(3)甲烷产量明显提高。整个厌氧消化过程中，经各浓度沼液(5-40目)按不同固体浓度(10％-25％)预处理玉米秸秆与牛粪混合厌氧消化的VS产甲烷量分别获得的36.55％、25.72％、29.31％和32.58％的极显著提升相对未预处理组。
附图说明
图1pH随预处理时间的变化图
图2日产甲烷量随时间的变化
具体实施方式
在以下所有实验中，厌氧消化实验装置为容积为1L蓝盖瓶，1L广口瓶、1L烧杯和玻璃管、乳胶管连接组成。秸秆为过20目筛网粉碎机粉碎的玉米秸秆，添加量为39gTS。沼液取自正常运行厌氧发酵池，粪便为来自养殖场的新鲜牛粪或猪粪。接种物为正常运行污水处理厂厌氧消化池，加入量为15gMLSS/L。
实施例1
取48份重量为39g玉米秸秆(以TS计)，用干重TS在2％-4％的沼液(过5目、10目、20目和40目滤网的沼液)和总固体浓度(10％、15％、20％和25％)两个因子设计全因子预处理实验。将上述沼液分别加入48份玉米秸秆中密封在35℃预处理3天。
预处理结束后加入13g牛粪(以TS计)和12g正常运行污水处理厂厌氧消化池污泥(以TS计)作为接种物混合进行厌氧消化反应50天。通过排水法记录每天产沼气量，同时每天测定甲烷百分含量，计算甲烷总产量，然后计算T80。实验结果如下所示：
表1厌氧消化出料液性质
表1所示为厌氧消化结束后TS、VS产甲烷量，T80，pH，氨氮，碱度及VFA含量等厌氧消化性质分析。沼液预处理实验组VS产甲烷率为196.43-238.35mL/gVS，比未预处理组(163.43mL/gVS)提高20.19％-45.84％，T80为22-30，比未预处理组(39)缩短23.08％-43.59％。其中，当预处理沼液过5目筛网，固体浓度为15％时，厌氧消化VS产甲烷率最高(238.35mL/gVS)，T80最短(22)，且其TS、VS去除率分别为43.80％、53.17％，明显高于未预处理组(42.88％和50.34％)。可见，沼液预处理明显缩短了厌氧消化时间，提高了负荷产甲烷率。
作为评价批式厌氧消化性能及微生物新陈代谢状态的重要指标，当出料液VFA含量高于5600mg/L，pH<6.8时，***的产甲烷过程将会受到抑制。由表1可见，本实验各组出料VFA，pH均在甲烷菌生长的适宜范围内。同时，各组氨氮和碱度也均在厌氧菌生长的最适范围(氨氮<2000mg/L、碱度>4000mg/L)，能有效提高消化***的缓冲能力，维持***的稳定性。
实施例2
称取四份玉米秸秆，每份玉米秸秆量为30g(以TS计)，利用5目筛网对取自正常运转一年发酵稳定的纯秸秆、秸秆猪粪3:1混合、纯餐厨厌氧发酵沼气池出料进行过滤，将过滤后的沼液按照玉米秸秆干重TS的6倍分别与粉碎后的玉米秸秆充分混合。将预处理后的玉米秸秆密封在自封袋中，在35℃条件下预处理3天，对照组为未预处理的玉米秸秆。
经过预处理的玉米秸秆与10g猪粪(以TS计)以及12g正常运行污水处理厂厌氧消化池污泥作(以TS计)为接种物混合，加到厌氧消化反应器中，加自来水至反应器体积的80％。将加完物料充氮气并密封的反应器放到35℃摇床内，摇动。通过排水集气法记录每天的产气量，并测定每天产气的甲烷含量，计算总甲烷产量，日产甲烷量变化见图2。
厌氧消化反应结束后计算T80，实验结果如下表2所示
表2厌氧消化T80产气周期
从图2可以看出，经过沼液预处理的玉米秸秆甲烷产气高峰都有不同程度的提前，由表2可见，采用不同沼液进行预处理时，T80缩短到22～25天，相比于未预处理玉米秸秆提高了30.56％～38.89％。
计算不同沼液预处理下在各自T80时间内单位TS和单位VS产甲烷量，结果如表3：
表3单位TS、VS产甲烷量
从表3可以看出，经过各自T80时间的厌氧消化反应，秸秆猪粪3:1混合沼液预处理后的玉米秸秆厌氧发酵甲烷产量相比于未预处理的玉米秸秆有显著提高，其单位TS产甲烷量和单位VS产甲烷量都提高了1.64倍，对于纯秸秆沼液和餐厨沼液预处理的玉米秸秆，单位TS产甲烷量和单位VS产甲烷量相比于未预处理玉米秸秆提高了1.44～1.48倍。

Claims (1)

1.一种通过生化预处理玉米秸秆提高秸秆与粪便混合厌氧消化产气性能的方法，其特征包括如下步骤：
(1)秸秆原料准备
取风干的玉米秸秆，先切成3～4厘米，再用带20目筛网的粉碎机粉碎干燥保存备用；
(2)沼液制备方法
沼液取自正常运转一年以上发酵稳定的厌氧发酵沼气池出料，静置沉降2-7天，滤掉一部分水后，保证沼液干重TS在2％-4％，然后分别将沼液过5-40目筛网，制备好的沼液放入4℃冰箱备用；
(3)预处理方法
称取玉米秸秆若干份分别置于密封容器中，分别加入玉米秸秆干重TS1-6倍的不同浓度的沼液混合，同时控制每份玉米秸秆预处理后的总固体浓度范围为10％-25％，搅拌均匀后密封置于35℃恒温箱预处理1-3天；
(4)厌氧消化
将预处理所得的玉米秸秆与来自养殖场的新鲜牛粪或猪粪按TS干重3：1混合混匀，加入正常运行污水处理厂厌氧消化池污泥接种物15gMLSS/L，调节pH至pH6.8-7.2，加水稀释至体积为反应器总体积的80％-90％后密封在35±1℃的恒温反应器中进行中温厌氧消化过程50天。
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