CN107326047A - 一种甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法 - Google Patents

一种甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法 Download PDF

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Abstract

一种甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法，其涉及农业废弃物资源化利用及环境保护领域。该甲烷生产工艺通过在热碱条件下对畜粪秸秆进行预处理，促使蛋白质、纤维素、半纤维素能够与之对应的酶进行充分的接触和反应；通过使用特定的酶将热碱预处理后的底物进行酶水解，加快了酶解的速率，提高了酶水解的效率，使其产生大量的氨基酸、葡萄糖、多糖等有机物；通过使用驯化成熟的厌氧颗粒污泥接种，缩短了水力停留时间，提高了甲烷的产出效率。因此，上述的甲烷生产工艺通过对畜粪和秸秆进行处理加工，不但提高了甲烷生产的工艺效率，而且还提高了资源利用率，减少了环境污染，故其具备较高的推广应用价值。

Description

一种甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法
技术领域
本发明涉及农业废弃物资源化利用及环境保护领域，具体而言，涉及一种甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法。
背景技术
随着全世界能源的需求不断增长以及化石能源的逐渐匮乏，寻求可替代再生能源并提高能源利用率已迫在眉睫。甲烷是一种能量高的可燃气体，其具有可再生、成本低、污染小等特点。如富含木质纤维素的植物秸秆或者富含蛋白质的动物粪便都有望作为产甲烷的原材料。我国农作物秸秆年产量高达8亿多吨，但是，我国的秸秆综合利用率只有30％左右，过剩的秸秆主要以焚烧和废弃的形式处理，导致了环境的污染也浪费了资源。同时，另外一种农业废弃物——畜禽粪便每年约产生二十亿吨，如果处置不当会造成水体和土壤的污染，而畜禽粪便同样被认为是一种重要的能源载体有机废物。
因此，采用畜粪秸秆消化产沼气成为了一种操作简单、成本较低的甲烷生产方式，但是目前的畜粪秸秆厌氧消化产沼气仍存在工艺耗时长、甲烷产率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甲烷生产工艺，其能够提升厌氧消化产甲烷的效率，大幅缩短厌氧消化的停留时间。
本发明的另一目的在于提供一种畜粪秸秆处理方法，其能够促进牲畜粪便和秸秆的可资源化利用率，减少环境污染。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。
本发明提出一种甲烷生产工艺，其包括以下步骤：
将含有作物秸秆的第一底物和含有畜粪的第二底物分别进行热碱预处理，分别得到第一初产物和第二初产物；对第一初产物和第二初产物分别先利用蛋白酶进行水解，再利用纤维素酶和半纤维素酶进行水解，最后过滤，分别得到第一水解液和第二水解液；将厌氧颗粒污泥与第一水解液和第二水解液混合后，进行厌氧消化。
本发明还提出一种畜粪秸秆处理方法，其包括以下步骤：
分别向作物秸秆和畜粪中加水并搅拌，得到如上述的第一底物和第二底物；利用上述的甲烷生产工艺对第一底物和第二底物进行处理。
本发明实施例的甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法的有益效果是：本发明实施例提供的甲烷生产工艺通过热碱条件下进行物化预处理，破坏木质素的晶体结构，以利于下一阶段纤维素酶、半纤维素酶与第一初产物和第二初产物中纤维素、半纤维素进行有效充分的接触；通过使用特定的酶将热碱预处理后的底物进行酶水解，使其产生大量的氨基酸、葡萄糖、多糖等有机物，进一步加快了酶解的速率，提高了酶解的效率；该甲烷生产工艺还通过厌氧颗粒污泥接种，对水解液进行厌氧消化产生甲烷，使得水力停留时间缩短，并同时提高了甲烷的产出效率。另外，本发明实施例还提供了一种畜粪秸秆处理方法，其通过上述的甲烷生产工艺对畜粪和秸秆进行处理加工，实现了资源化利用率的提高，环境污染的减少。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法进行具体说明。
本发明实施例提供的一种甲烷生产工艺，其主要用于利用废弃物，如畜粪、秸秆等，来进行厌氧消化生产甲烷，具体包括以下步骤：
S1、将含有作物秸秆的第一底物和含有畜粪的第二底物分别进行热碱预处理，分别得到第一初产物和第二初产物；
进一步地，在本发明实施例当中，第一底物主要是为酶水解提供足量的纤维素和半纤维素原料(同时，第一底物也含有少量的蛋白质，如一些植物蛋白)，第二底物主要是为酶水解提供足量的蛋白质原料(同时，第二底物中还含有未消化的草料，这些草料含有木质纤维素)，而进行热碱预处理是为了破坏第一底物和第二底物中木质素的网状结构，降低纤维素以及半纤维素的结晶度，以便第一初产物和第二初产物在下一步的酶水解过程中与各种酶进行直接有效的接触，充分发生反应。
进一步地，为了热碱预处理过程顺利进行，并保证热碱预处理应该有的效果，本发明实施例当中在进行热碱预处理过程中控制第一底物和第二底物的pH为9-11，并且控制热碱预处理的温度为45-80℃，热碱预处理的时间为3-6小时。需要说明的是，热碱预处理过程中的pH，温度，以及时间参数，对于其处理结果影响较大，需要在实施过程中严格把控，保证下一步酶水解的顺利进行。
进一步地，为了在热碱预处理过程中保证第一底物和第二底物能够与碱液均匀充分的反应，本实施例还同时对第一底物和第二底物进行了持续的搅拌。
S2、对第一初产物和第二初产物分别先利用蛋白酶进行水解，再利用纤维素酶和半纤维素酶进行水解，最后过滤，分别得到第一水解液和第二水解液。
进一步地，在对第一初产物进行水解过程中，先采用蛋白酶进行水解，再通过添加纤维素酶和半纤维素酶进行水解；而对第二初产物进行水解过程中，需要先添加两种蛋白酶进行水解，然后再添加纤维素酶和半纤维素酶进行水解。需要说明的是，为了保证酶水解过程中的顺利进行以及酶水解的效果，本发明实施例在进行酶水解的过程中，保持温度在40-70℃，pH控制在4-9，对第一初产物的搅拌强度控制在20-50rpm。
另外，由于畜粪中含多种微生物(如病原体和孢子)，其利用酶水解的碳水化合物进行繁殖生长，导致水解液中的碳水化合物浓度降低影响后续产甲烷能力，因此，将热碱预处理后的畜粪先进行第一次紫外灭菌，然后在蛋白酶水解后再进行第二次紫外灭菌，最后再利用纤维素酶和半纤维素酶进行水解。
进一步地，上述酶水解结束后，再将秸秆和畜粪的水解混合物分别进行过滤，使其形成各自的水解液和剩余残渣。需要说明的是，剩余残渣可循环再次进行酶水解。
S3、将厌氧颗粒污泥与第一水解液和第二水解液混合后，进行厌氧消化。
进一步地，为了保证厌氧消化过程能够具备充足的原料，并且保证碳(糖类)、氮(氨基酸)等元素之间的均衡，本发明实施例中第一水解液和第二水解液的体积用量比控制在1-3：1-2。需要说明的是，进行厌氧消化过程中，温度保持在30-40℃，水力停留时间保持在1-2天，并且还需要在将第一水解液和第二水解液进行厌氧消化之前通过添加氢氧化钠或盐酸的方式调节其pH，以使得厌氧消化过程中保持良好的消化环境，从而产出更多的甲烷。
S4、将厌氧消化过程中生产的甲烷进行收集。
本发明实施例还提出一种畜粪秸秆处理方法，其包括以下步骤：
S1、分别向作物秸秆和畜粪中加水并搅拌，得到如上述介绍的第一底物和第二底物。
进一步地，上述的作物秸秆为棉花秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆中的任意三种按2：5：3质量比的混合物；畜粪为所食饲料不同的畜禽粪便组成，并且畜粪由猪粪、牛粪、鸭粪中的任意两种按2：3质量比混合而成。需要说明的是，之所以将上述的作物秸秆种类和畜粪种类以及不同种类之间的比例关系进行限定，是因为这样的限定能够最大程度上的保证原料来源的多样性，不同类型的原料按照一定的比例关系进行配置，可以使得纤维素、半纤维素以及蛋白质的类型更加多样化，这可以使得甲烷生产过程中厌氧消化阶段有效充分的进行，从而高效的产生更多的甲烷。另外，向作物秸秆和畜粪中加水搅拌时，所添加的水和作物秸秆以及畜粪的量基本等量。
S2、利用上述所介绍的甲烷生产工艺对第一底物和第二底物进行处理。需要说明的是，通过对由作物秸秆构成的第一底物和由畜粪构成的第二底物进行处理，实现了资源的有效利用，而且减小了畜粪和秸秆对环境的污染，因此，上述的甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法均具有重要的推广应用价值。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
首先，需要说明的是，为了便于将甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法进行阐述，本实施例直接将畜粪秸秆处理方法应用于甲烷生产工艺中，即将两者结合进行说明。
具体地，本实施例介绍一种热碱-酶水解-厌氧消化产甲烷工艺及其处理畜粪秸秆方法，其包括以下的步骤：
首先，备料棉花秸秆120kg，玉米秸秆300kg，大豆秸秆180kg；猪粪140kg，牛粪210kg。
然后，将上述总重为600kg的秸秆混合物粉碎至粒径为5mm的大小，并与600L的水进行混合；将畜禽粪便350kg与350L水进行混合。
进一步地，将上述加水混合后的秸秆混合物和畜粪混合物分别作为热碱预处理的底物在3000L的水泥池中进行热碱预处理，其中，热碱预处理过程中，通过连续搅拌器以搅拌速度为40rpm进行搅拌，通过添加氢氧化钠控制pH为11，并控制温度为80℃，处理时间为3h。
进一步地，将热碱预处理后的秸秆在pH为7，温度为60℃，搅拌速度为30rpm的条件下置于有效容积为2000L的不锈钢水箱中，先加入50U·g-1蛋白酶进行水解，物料停留时间为3h；然后再在pH为4.5，温度为50℃，搅拌速度为30rpm的条件下，添加60U·g-1纤维素酶和60U·g-1半纤维素酶进行水解5h。
进一步地，将上述热碱预处理后的畜粪在pH为8，温度为60℃，搅拌速度为30rpm，紫外线波长为2000A的条件下，通过紫外线消毒器进行灭菌30min；然后在pH为7，温度为60℃，搅拌速度为30rpm的条件下于有效容积为2000L的不锈钢水箱中添加100U·g-1两种蛋白酶进行水解，物料停留时间为3h；再在pH为8，温度为50℃，搅拌速度为40rpm，紫外线波长为2500A的条件下，通过紫外线消毒器进行灭菌20min；之后在pH为4.5，温度为50℃，搅拌速度为30rpm的条件下，添加80U·g-1纤维素、80U·g-1半纤维素酶进行水解5h；最后将秸秆和畜粪水解液分别进行过滤去除大颗粒难降解物质，并将剩余残渣回流到水解池中继续进行水解，每24h对进行过滤的滤布进行一次反冲洗，冲洗1h。
进一步地，将驯化成熟的厌氧颗粒污泥进行接种，然后将过滤得到的畜粪水解液和秸秆水解液按1：1进行混合，通过加热器使温度保持在35℃，并保持水力停留时间(HRT)约1天，同时通过添加氢氧化钠或盐酸来控制pH值使之在7-8之间。
进一步地，将厌氧消化过程中产生的甲烷进行收集，即可得到甲烷。
实施例2
首先，需要说明的是，为了便于将甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法进行阐述，本实施例直接将畜粪秸秆处理方法应用于甲烷生产工艺中，即将两者结合进行说明。
具体地，本实施例介绍一种热碱-酶水解-厌氧消化产甲烷工艺及其处理畜粪秸秆方法，其包括以下的步骤：
首先，备料玉米秸秆120kg，大豆秸秆300kg，油菜秸秆180kg；牛粪140kg，猪粪210kg。
然后，将上述总重为600kg的秸秆混合物粉碎至粒径为5mm的大小，并与600L的水进行混合；将畜禽粪便350kg与350L水进行混合。
进一步地，将上述加水混合后的秸秆混合物和畜粪混合物分别作为热碱预处理的底物在3000L的水泥池中进行热碱预处理，其中，热碱预处理过程中，通过连续搅拌器以搅拌速度为50rpm进行搅拌，通过添加氢氧化钠控制pH为10，并控制温度为45℃，处理时间为6h。
进一步地，将热碱预处理后的秸秆在pH为8，温度为70℃，搅拌速度为40rpm的条件下置于有效容积为2000L的不锈钢水箱中，先加入40U·g-1蛋白酶进行水解，物料停留时间为2h；然后再在pH为4，温度为40℃，搅拌速度为40rpm的条件下，添加70U·g-1纤维素酶和70U·g-1半纤维素酶进行水解4h。
进一步地，将上述热碱预处理后的畜粪在pH为7，温度为50℃，搅拌速度为40rpm，紫外线波长为3000A的条件下，通过紫外线消毒器进行灭菌20min；然后在pH为6，温度为50℃，搅拌速度为40rpm的条件下于有效容积为2000L的不锈钢水箱中添加90U·g-1两种蛋白酶进行水解，物料停留时间为4h；再在pH为9，温度为60℃，搅拌速度为40rpm，紫外线波长为2000A的条件下，通过紫外线消毒器进行灭菌30min；之后在pH为5，温度为60℃，搅拌速度为20rpm的条件下，添加90U·g-1纤维素、90U·g-1半纤维素酶进行水解4h；最后将秸秆和畜粪水解液分别进行过滤去除大颗粒难降解物质，并将剩余残渣回流到水解池中继续进行水解，每24h对进行过滤的滤布进行一次反冲洗，冲洗1h。
进一步地，将驯化成熟的厌氧颗粒污泥进行接种，然后将过滤得到的畜粪水解液和秸秆水解液按1：3进行混合，通过加热器使温度保持在35℃左右，并保持HRT约2天，同时通过添加氢氧化钠或盐酸来控制pH值使之在7-8之间。
进一步地，将厌氧消化过程中产生的甲烷进行收集，即可得到甲烷。
实施例3
首先，需要说明的是，为了便于将甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法进行阐述，本实施例直接将畜粪秸秆处理方法应用于甲烷生产工艺中，即将两者结合进行说明。
具体地，本实施例介绍一种热碱-酶水解-厌氧消化产甲烷工艺及其处理畜粪秸秆方法，其包括以下的步骤：
首先，备料棉花秸秆120kg，大豆秸秆300kg，油菜秸秆180kg；猪粪140kg，鸭粪210kg。
然后，将上述总重为600kg的秸秆混合物粉碎至粒径为5mm的大小，并与600L的水进行混合；将畜禽粪便350kg与350L水进行混合。
进一步地，将上述加水混合后的秸秆混合物和畜粪混合物分别作为热碱预处理的底物在3000L的水泥池中进行热碱预处理，其中，热碱预处理过程中，通过连续搅拌器以搅拌速度为50rpm进行搅拌，通过添加氢氧化钠控制pH为9，并控制温度为65℃，处理时间为5h。
进一步地，将热碱预处理后的秸秆在pH为8，温度为60℃，搅拌速度为40rpm的条件下置于有效容积为1500L的不锈钢水箱中，先加入60U·g-1蛋白酶进行水解，物料停留时间为2h；然后再在pH为5，温度为40℃，搅拌速度为40rpm的条件下，添加90U·g-1纤维素酶和90U·g-1半纤维素酶进行水解3h。
进一步地，将上述热碱预处理后的畜粪在pH为7，温度为70℃，搅拌速度为40rpm，紫外线波长为2500A的条件下，通过紫外线消毒器进行灭菌40min；然后在pH为6，温度为50℃，搅拌速度为40rpm的条件下于有效容积为2000L的不锈钢水箱中添加80U·g-1两种蛋白酶进行水解，物料停留时间为3h；再在pH为8，温度为70℃，搅拌速度为50rpm，紫外线波长为2000A的条件下，通过紫外线消毒器进行灭菌30min；之后在pH为5，温度为60℃，搅拌速度为30rpm的条件下，添加60U·g-1纤维素、60U·g-1半纤维素酶进行水解5h；最后将秸秆和畜粪水解液分别进行过滤去除大颗粒难降解物质，并将剩余残渣回流到水解池中继续进行水解，每24h对进行过滤的滤布进行一次反冲洗，冲洗1h。
进一步地，将驯化成熟的厌氧颗粒污泥进行接种，然后将过滤得到的畜粪水解液和秸秆水解液按2：3进行混合，通过加热器使温度保持在35℃左右，并保持HRT约1.5天，同时通过添加氢氧化钠或盐酸来控制pH值使之在7-8之间。
进一步地，将厌氧消化过程中产生的甲烷进行收集，即可得到甲烷。
试验例
为了对上述实施例提供的甲烷生产工艺及畜粪秸秆处理方法的有益效果进行检验，本试验例选取上述实施例1-3进行评价测试，其测试结果为：
实施例1中酶水解过后，纤维素和蛋白质转化为糖类等有机物和氨基酸的效率分别为89％、90％，进入厌氧段混合水解液的有机负荷为19kgCOD·m-3·day-1，厌氧反应器的沼气产量为253L·kgCOD-1，沼气中甲烷含量为78％，停留时间为1.5天(对应可推算出：每千克总固体(畜粪秸秆)产生沼气340L)；实施例2中酶水解过后纤维素和蛋白质转化为糖类等有机物和氨基酸的效率分别为89％、89％，进入厌氧段混合水解液的有机负荷为20kgCOD·m-3·day-1，厌氧反应器的沼气产量为287L·kgCOD-1，沼气中甲烷含量为75％，停留时间为1天(对应可推算出：每千克总固体(畜粪秸秆)产生沼气372L)；实施例3中酶水解过后纤维素和蛋白质转化为糖类等有机物和氨基酸的效率分别为90％、87％，进入厌氧段混合水解液的有机负荷为24kgCOD·m-3·day-1，厌氧反应器的沼气产量为315L·kgCOD-1，沼气中甲烷含量为85％，停留时间为2天(对应可推算出：每千克总固体(畜粪秸秆)产生沼气416L)。
因此，通过上述试验例中的3个实施例的测试结果可以很明显的看出，不管是酶水解对秸秆和畜粪的降解率，还是产生的甲烷周期及其气量，都表现出了非常好的效果，充分证明了畜粪秸秆处理方法降解效率高的特点，并且也通过较高的甲烷生产效率体现出了甲烷生产工艺的先进性。
综上所述，本发明实施例通过在热碱条件下对畜粪秸秆进行物化预处理，破坏木质素的晶体结构，以利于下一阶段纤维素酶、半纤维素酶与纤维素、半纤维素的充分接触；通过使用特定的酶将热碱预处理后的底物进行酶水解，使其产生大量的氨基酸、葡萄糖、多糖等有机物，进一步加快了酶解的速率，提高了酶解的效率；通过使用驯化成熟的厌氧颗粒污泥接种，并进行厌氧消化产生甲烷，使得水力停留时间缩短，并同时提高了甲烷的产出效率。因此，其通过上述的甲烷生产工艺对畜粪和秸秆进行处理加工，提高了可资源化的利用率，并减少了环境污染。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

Claims (10)

1.一种甲烷生产工艺，其特征在于，其包括以下步骤：
将含有作物秸秆的第一底物和含有畜粪的第二底物分别进行热碱预处理，分别得到第一初产物和第二初产物；
对所述第一初产物和所述第二初产物分别先利用蛋白酶进行水解，再利用纤维素酶和半纤维素酶进行水解，最后过滤，分别得到第一水解液和第二水解液；
将厌氧颗粒污泥与所述第一水解液和所述第二水解液混合后，进行厌氧消化。
2.根据权利要求1所述的甲烷生产工艺，其特征在于，进行热碱预处理过程中，所述第一底物和所述第二底物的pH为9-11。
3.根据权利要求2所述的甲烷生产工艺，其特征在于，进行热碱预处理过程中，热碱预处理的温度为45-80℃，热碱预处理的时间为3-6小时。
4.根据权利要求3所述的甲烷生产工艺，其特征在于，进行热碱预处理过程中，对所述第一底物和所述第二底物均进行了持续搅拌。
5.根据权利要求1所述的甲烷生产工艺，其特征在于，所述第二水解液进行蛋白酶水解前，进行了第一次紫外灭菌；所述第二水解液与所述第一水解液和所述厌氧颗粒污泥混合前，还进行了第二次紫外灭菌。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的甲烷生产工艺，其特征在于，对所述第一初产物和所述第二初产物酶水解后过滤得到的剩余残渣进行二次酶水解。
7.根据权利要求6所述的甲烷生产工艺，其特征在于，所述第一水解液和所述第二水解液进行厌氧消化时的体积用量比为1-3：1-2。
8.根据权利要求6所述的甲烷生产工艺，其特征在于，进行厌氧消化过程中，温度保持在30-40℃，水力停留时间保持在1-2天。
9.一种畜粪秸秆处理方法，其特征在于，其包括以下步骤：
分别向作物秸秆和畜粪中加水并搅拌，得到如权利要求1-8任意一项所述的第一底物和所述第二底物；
利用权利要求1-8任意一项所述的甲烷生产工艺对所述第一底物和所述第二底物进行处理。
10.根据权利要求9所述的畜粪秸秆处理方法，其特征在于，所述作物秸秆为棉花秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆和油菜秸秆中的任意三种所组成的混合物；所述畜粪为所食饲料不同的畜禽粪便组成，并且所述畜粪由猪粪、牛粪和鸭粪中的任意两种混合而成。
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