CN107022574A - 用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法 - Google Patents

用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，属于秸秆厌氧产沼气的技术领域。本发明包括以下步骤：1）秸秆预处理，将秸秆粉碎，粒径大小为1‑2cm；2）秸秆调配，在步骤1）所得秸秆内添加沼液和接种物，得料液，料液的含固率为8‑10%；3）秸秆水解，将步骤2）所得料液兼氧水解1‑2天，水解温度为38±2℃，并间歇曝气，曝气气水比为6:1‑20:1，得水解液。本发明有效解决了秸秆厌氧发酵结壳、进出料困难的问题，提高了秸秆厌氧发酵效率，发酵时间缩短10‑20天，通过沼液回流调配，每吨秸秆可节约调配用水7‑9吨，直接降低工程的一次性投资100‑150万，运行成本降低10‑15%。

Description

用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法
技术领域
本发明属于秸秆厌氧产沼气的技术领域，特别是指一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法。
背景技术
我国是农业大国，作物秸秆极其丰富，据统计，每年可收集秸秆资源量约为9亿吨；若不及时处理，不仅污染环境，而且造成资源浪费。为了实现秸秆的资源化和无害化利用，我国大力支持秸秆类规模化大型沼气工程建设，秸秆沼气工程得到了迅速发展。
秸秆的木质素含量较高，而且，秸秆的纤维素结构也很复杂，分子内部存在着大量的结晶区、氢键和非结晶区，致使干秸秆不易被厌氧消化，产气量低，经济效益差，并且，在工程运行中经常出现诸多问题，如浮渣严重，进出料困难，管道堵塞等，需要经常维修甚至停产，这些是导致秸秆不易于被大规模用于生产沼气的主要原因。而解决的方法就是在秸秆厌氧发酵前对秸秆进行预处理，破坏秸秆的内部结构，提高水解速率，从而提高秸秆的厌氧消化性能，因此，高效的预处理方式是实现秸秆大规模用于生产沼气的关键步骤。
通过物理、化学和生物等途径对秸秆进行的预处理，都能提高秸秆厌氧消化率和产气率，但现有的以上预处理方法在改善秸秆特性、提高原料消化率和增加产气量的同时也存在一系列问题，各有其局限性。物理预处理的效果与成本投入密切相关，且单一使用效果有限；化学处理简单方便，处理效果也较好，但对设备要求高，投加化学药剂增加了成本，并且有可能造成二次污染；生物预处理反应温和、能耗较小，设备简单，不会带来环境污染，但预处理周期长，占地面积大，需要高效的生物菌剂，而且我国现有技术离规模化的应用还有一定的差距。鉴于秸秆类原料的结构特点，应着眼于工程应用，开发一种低成本、高效、便捷、环境友好型的预处理方法。
发明内容
本发明提供一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，解决了现有技术中的秸秆预处理方法存在投资高、效果差、容易造成二次污染和规模化生产难的问题。
本发明的一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其主要是通过以下技术方案加以实现的：包括以下步骤：1）秸秆预处理，将秸秆粉碎，使其粒径大小为1-2cm；2）秸秆调配，在步骤1）所得秸秆内添加沼液和接种物，得料液，料液的含固率为8-10%；3）秸秆水解，将步骤2）所得料液兼氧水解1-2天，水解温度为38±2℃，并间歇曝气，曝气气水比为6:1-20:1，得水解液。
本发明的这种采用机械粉碎联合兼氧水解的秸秆预处理方法中，采用机械粉碎和兼氧水解联合的预处理方法能够使秸秆最大限度的降解为小分子物质，打破单一预处理效果差的劣势；沼液为沼气工程厌氧发酵罐中的出料，为富含水解酸化菌和甲烷菌的沼液，采用沼液进行调配一方面能够替代调配用水，消纳沼液，另一方面能够利用沼液中的水解酸化菌，进一步提高预处理效率；采用兼氧的水解方式是利用水解酸化菌和产甲烷菌的特性差异，提高水解酸化菌的活性，最大限度的提高水解效率；本发明不仅能够解决秸秆厌氧发酵结壳、进出料困难的问题，还能够提高秸秆厌氧发酵效率，缩短发酵时间，同时消纳了沼液。
作为一种优选的实施方案，所述步骤2）的接种物为所述步骤3）得到的水解液。本发明的接种物可以采用水解液进行自接种而不采用外源添加菌种，由于外源添加菌种在水解过程中需要驯化为优势菌群才能发挥水解作用，启动较慢，延长了料液的水解时间，一次性投资增加；另外，外源添加菌种需要额外增加经济成本，经济效益不佳；本发明水解液中本身含有的水解酸化菌即为驯化后的最适菌种，对于秸秆原料和外界环境具有很好的适应性。
作为一种优选的实施方案，所述步骤2）的接种物的用量为所述步骤3）所得水解液总体积的20-30%。本发明可以通过水解池不完全出料即在水解池中始终保留20-30%的水解液来实现；另外，水解初次运行时可通过全部以沼液调配，延长水解时间至2-3天，利用沼液中本身携带的水解酸化菌的自身繁殖来实现秸秆水解的启动。
作为一种优选的实施方案，所述步骤3）中，曝气气水比为10:1-15:1。通过控制曝气过程中的气水比可以更好的利用水解酸化菌和产甲烷菌的特性差异，抑制甲烷菌的活性，使水解酸化菌充分发挥作用，从而提高水解酸化效率。
作为一种优选的实施方案，所述步骤3）所得水解液的pH值为5.0-6.0，VFA含量为8000-12000mg/L。本发明的这种水解液可以直接泵入厌氧发酵罐进行厌氧发酵；与未水解预处理组相比，其产气高峰可以提前5-8天，发酵周期可控制在15-25天。
作为一种优选的实施方案，所述步骤3）所得水解液的pH值为5.5，VFA含量为10000mg/L。此时，料液得到了充分的水解酸化，VFA 含量达到峰值，进入厌氧罐后可以最快的达到产气高峰。
作为一种优选的实施方案，所述步骤1）中，所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆中的任意一种或几种，秸秆预处理时采用粉碎机进行粉碎，粉碎后的秸秆粒径大小为1-1.5cm。事先对秸秆进行碎粉预处理，可以使秸秆更容易进行水解和酸化，提高水解和酸化效果，使秸秆最大限度的降解为小分子物质，打破单一预处理效果差的劣势。
作为一种优选的实施方案，所述步骤1）中，秸秆预处理时，秸秆需要事先进行自然风干，并采用打捆机打捆，粉碎前首先破捆并筛分掉其中夹杂的土石杂质。对秸秆进行风干和打捆方便秸秆的储存和运输，去除杂质可以提高秸秆的纯净度，防止损坏粉碎机，保障粉碎粒径均匀，有利于提高水解效率。
作为一种优选的实施方案，所述步骤2）中，秸秆水解时，曝气的时间间隔为1-3h。间歇曝气可以通过在水解池的底部设置曝气装置，曝气装置每隔1-3h对料液通入一次空气，从而实现水解体系的兼氧环境。
作为一种优选的实施方案，所述步骤2）中，秸秆水解时进行搅拌，搅拌速度为10-30r/min。通过搅拌可以使水解时的秸秆、沼液和接种物进行充分混合，以提高秸秆水解的启动速度，提高水解的均匀性。
本发明的有益效果是：本发明采用机械粉碎和兼氧水解联合的预处理方法能够使秸秆最大限度的降解为小分子物质，打破单一预处理效果差的劣势；采用沼液进行调配一方面能够减少调配用水，消纳沼液，另一方面能够利用沼液中的水解酸化菌，进一步提高预处理效率；采用兼氧的水解方式是利用水解酸化菌和产甲烷菌的特性差异，提高水解酸化菌的活性，最大限度的提高水解效率；水解时间由之前的3-5天缩短至1-2天；本发明有效解决了秸秆厌氧发酵结壳、进出料困难的问题，还能够提高秸秆厌氧发酵效率，缩短发酵时间10-20天，通过沼液回流调配，每吨秸秆可节约调配用水7-9吨，以年处理10000吨秸秆的沼气工程为例，采用该预处理方法可直接降低工程的一次性投资100-150万，运行成本降低10-15%。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明的一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，包括以下步骤：
（1）秸秆粉碎，自然风干的秸秆采用打捆机打捆，一般存放于沼气工程的秸秆堆场中；粉碎前首先破捆并筛分掉其中夹杂的土石等杂质，然后使用秸秆粉碎机粉碎至粒径大小为1cm。
（2）秸秆调配，粉碎后的秸秆使用皮带上料机输送至水解调配池中，使用厌氧发酵后的沼液进行调配，通过搅拌机搅拌与接种物一起混合均匀，得料液，使料液的含固率为8%。
（3）秸秆水解，调配好的秸秆在水解池中兼氧水解1天，料液通过水解池中加热盘管加热，维持温度为36℃，水解过程通过搅拌机搅拌，搅拌速度为10r/min，并通过水解池的底部的曝气管进行间歇曝气，曝气气水比为6:1，曝气的时间间隔为1h，得水解液。
按照本发明的方法得到的水解液，经过检测，其pH为5.5，VFA（挥发性脂肪酸）含量为10000mg/L；将该水解液直接泵入厌氧发酵罐进行厌氧发酵，试验结果表明，与未进行水解预处理的空白对照组相比，本发明的水解液的产气高峰提前5天，发酵周期为15天，发酵时间缩短18天。
实施例二
本发明的一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，包括以下步骤：
（1）秸秆粉碎，自然风干的秸秆采用打捆机打捆，一般存放于沼气工程的秸秆堆场中；粉碎前首先破捆并筛分掉其中夹杂的土石等杂质，然后使用秸秆粉碎机粉碎至粒径大小为2cm。
（2）秸秆调配，粉碎后的秸秆使用皮带上料机输送至水解调配池中，使用厌氧发酵后的沼液进行调配，通过搅拌机搅拌与接种物一起混合均匀，得料液，使料液的含固率为10%；接种物为实施例一中步骤（3）得到的水解液，接种量为整个水解池容积的1/4；通常可以是在完成第1次水解预处理后，水解液出料时在水解池中保留1/4的水解液作为下次秸秆调配的接种物；通常在秸秆沼气工程中会设置2个水解池，交替使用，这样可以保证每天都能有水解好的料液供厌氧发酵使用。
（3）秸秆水解，调配好的秸秆在水解池中兼氧水解2天，料液通过水解池中加热盘管加热，维持温度为40℃，水解过程通过搅拌机搅拌，搅拌速度为22r/min，并通过水解池的底部的曝气管进行间歇曝气，曝气气水比为10:1，曝气的时间间隔为2h，得水解液。
按照本发明的方法得到的水解液，经过检测，其pH为5.0，VFA含量为12000mg/L；将该水解液直接泵入厌氧发酵罐进行厌氧发酵，试验结果表明，与未进行水解预处理的空白对照组相比，本发明的水解液的产气高峰提前8天，发酵周期为25天，发酵时间缩短20天。
实施例三
本发明的一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，包括以下步骤：
（1）秸秆粉碎，自然风干的秸秆采用打捆机打捆，一般存放于沼气工程的秸秆堆场中；粉碎前首先破捆并筛分掉其中夹杂的土石等杂质，然后使用秸秆粉碎机粉碎至粒径大小为1.5cm。
（2）秸秆调配，粉碎后的秸秆使用皮带上料机输送至水解调配池中，使用厌氧发酵后的沼液进行调配，通过搅拌机搅拌与接种物一起混合均匀，得料液，使料液的含固率为9%；接种物是在完成第1次水解预处理后得到的水解液，在水解液出料时在水解池中保留20%的水解液作为下次秸秆调配的接种物。
（3）秸秆水解，调配好的秸秆在水解池中兼氧水解1.5天，料液通过水解池中加热盘管加热，维持温度为38℃，水解过程通过搅拌机搅拌，搅拌速度为30r/min，并通过水解池的底部的曝气管进行间歇曝气，曝气气水比为20:1，曝气的时间间隔为3h，得水解液。
按照本发明的方法得到的水解液，经过检测，其pH为6.0，VFA含量为8000mg/L；将该水解液直接泵入厌氧发酵罐进行厌氧发酵，试验结果表明，与未进行水解预处理的空白对照组相比，本发明的水解液的产气高峰提前7天，发酵周期为20天，发酵时间缩短15天。
实施例四
本发明的一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，包括以下步骤：1）秸秆预处理，将秸秆粉碎，使其粒径大小为1cm；2）秸秆调配，在上述秸秆内添加沼液和接种物，得料液，料液的含固率为8%；3）秸秆水解，将上述料液兼氧水解1天，水解温度为38℃，并间歇曝气，曝气气水比为15:1，得水解液。
按照本发明的方法得到的水解液，经过检测，其pH为5.6，VFA含量为9000mg/L；将该水解液直接泵入厌氧发酵罐进行厌氧发酵，试验结果表明，与未进行水解预处理的空白对照组相比，本发明的水解液的产气高峰提前6天，发酵周期为18天，发酵时间缩短12天。
实施例五
本发明的一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，包括以下步骤：1）秸秆预处理，将秸秆粉碎，使其粒径大小为2cm；2）秸秆调配，在上述秸秆内添加沼液和接种物，得料液，料液的含固率为10%，接种物为富含水解酸化菌的水解液，接种物是在完成第1次水解预处理后得到的水解液，在水解液出料时在水解池中保留30%的水解液作为下次秸秆调配的接种物；3）秸秆水解，将上述料液兼氧水解2天，水解温度为38℃，并间歇曝气，曝气气水比为15:1，曝气的时间间隔为2h，得水解液。
按照本发明的方法得到的水解液，经过检测，其pH为5.8，VFA含量为11000mg/L；将该水解液直接泵入厌氧发酵罐进行厌氧发酵，试验结果表明，与未进行水解预处理的空白对照组相比，本发明的水解液的产气高峰提前7天，发酵周期为23天，发酵时间缩短10天。
本发明的有益效果是：本发明采用机械粉碎和兼氧水解联合的预处理方法能够使秸秆最大限度的降解为小分子物质，打破单一预处理效果差的劣势；采用沼液进行调配一方面能够减少调配用水，消纳沼液，另一方面能够利用沼液中的水解酸化菌，进一步提高预处理效率；采用兼氧的水解方式是利用水解酸化菌和产甲烷菌的特性差异，提高水解酸化菌的活性，最大限度的提高水解效率；水解时间由之前的3-5天缩短至1-2天；本发明有效解决了秸秆厌氧发酵结壳、进出料困难的问题，还能够提高秸秆厌氧发酵效率，缩短发酵时间10-20天，通过沼液回流调配，每吨秸秆可节约调配用水7-9吨，以年处理10000吨秸秆的沼气工程为例，采用该预处理方法可直接降低工程的一次性投资100-150万，运行成本降低10-15%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）秸秆预处理，将秸秆粉碎，使其粒径大小为1-2cm；
2）秸秆调配，在步骤1）所得秸秆内添加沼液和接种物，得料液，料液的含固率为8-10%；
3）秸秆水解，将步骤2）所得料液兼氧水解1-2天，水解温度为38±2℃，并间歇曝气，曝气气水比为6:1-20:1，得水解液。
2.根据权利要求1所述的用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于：
所述步骤2）的接种物为所述步骤3）得到的水解液。
3.根据权利要求2所述的用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于：
所述步骤2）的接种物的用量为所述步骤3）所得水解液总体积的20-30%。
4.根据权利要求1所述的用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于：
所述步骤3）中，曝气气水比为10:1-15:1。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于：
所述步骤3）所得水解液的pH为5.0-6.0，VFA含量为8000-12000mg/L。
6.根据权利要求5所述的用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于：
所述步骤3）所得水解液的pH为5.5，VFA含量为10000mg/L。
7.根据权利要求1所述的用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于：
所述步骤1）中，所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆中的任意一种或几种，秸秆预处理时采用粉碎机进行粉碎，粉碎后的秸秆粒径大小为1-1.5cm。
8.根据权利要求7所述的用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于：
所述步骤1）中，秸秆预处理时，秸秆需要事先进行自然风干，并采用打捆机打捆，粉碎前首先破捆并筛分掉其中夹杂的土石杂质。
9.根据权利要求1所述的用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于：
所述步骤2）中，秸秆水解时，曝气的时间间隔为1-3h。
10.根据权利要求1所述的用于秸秆厌氧发酵的机械粉碎联合兼氧水解预处理方法，其特征在于：
所述步骤2）中，秸秆水解时进行搅拌，搅拌速度为10-30r/min。
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