一種提高禾本科植物秸稈厭氧消化產氣效率的預處理方法與流程

2023-08-05 17:50:01

本發明屬於生物質固體廢棄物高效資源化利用技術領域，具體涉及一種提高禾本科植物秸稈厭氧消化產氣效率的方法。

背景技術：

我國作為農業大國，年產各類作物秸稈超過6億噸，秸稈資源豐富。但秸稈的綜合利用率較低，大部分還田或焚燒，這不僅浪費資源，還會帶來諸多社會危害。玉米秸稈作為一種主要的農作物秸稈，在我國北方地區十分豐富，是一種很好的可再生生物質資源。利用厭氧消化技術將玉米秸稈轉化為高產熱值的沼氣具有巨大的開發潛力和利用價值，可以在一定程度上替代化石能源，因此農業廢棄秸稈的資源化利用一直是研究熱點。

玉米秸稈中含有可降解生物質，但作為厭氧消化的原料卻存在著發酵啟動時間長、厭氧消化周期長、原料利用率低等問題。這主要是由於玉米秸稈中的纖維素成分具有很高的聚合度和結晶性能，並且被木質素和半纖維素包裹著，這都影響厭氧消化微生物分泌的纖維素酶將其降解。所以，預處理技術在提高纖維素類原料厭氧消化產氣中起著重要作用。

目前，國內外對秸稈厭氧消化前的預處理方法主要有物理法(蒸汽爆破、切割、研磨等)、化學法(酸法、鹼法、熱處理、臭氧處理等)和生物法(白腐真菌接種、發酵菌液浸泡、纖維素酶等)及不同預處理方法的組合使用。物理預處理通過減小物料粒徑、改變物料晶體結構、使微生物酶與底物有效接觸而促進消化進程。化學預處理可以促進複雜有機物質降解轉變為易於生物降解的小分子物質，從而提高產氣效率。生物預處理是利用微生物對秸稈先進行固態發酵，以縮短隨後的厭氧消化時間。

相關的專利有：公開號為CN101851124A的一種以汽爆為預處理的農業廢棄物厭氧消化工藝，將作物秸稈和畜禽糞便按合適的比例混合後進行汽爆處理後進行厭氧消化處理。公開號為CN104593432A的鹼與鹽聯合預處理提高玉米秸稈厭氧消化甲烷產量的方法，利用氫氧化鉀和金屬鹽類對粉碎後的玉米秸稈進行預處理再進行厭氧發酵。公開號為CN103060387A的一種鹼聯合預處理、黑液循環利用的纖維素類生物質厭氧消化工藝，利用氫氧化鈣對纖維素類生物質進行鹼聯合預處理；然後固液分離，固態物料作為後續厭氧消化過程的原料。公開號為CN102586335A的一種氨-生物聯合處理小麥秸稈發酵產沼氣的方法。通過將小麥秸稈依次進行氨預處理、生物預處理後進行完全混合式厭氧消化來產沼氣。公開號為CN105506030A的一種木質纖維素厭氧產沼氣預處理及發酵工藝，採用纖維素酶對木質纖維素進行預處理，並促進厭氧發酵過程中木質纖維素的水解。

以上發明對秸稈進行了預處理後進行厭氧消化處理，在一定程度上提高了厭氧消化處理的生物轉化率，縮短了厭氧消化周期，提高了厭氧消化沼氣產量，一定程度上解決了秸稈廢棄物厭氧消化產氣困難的問題。但是，上述發明均是對農作物秸稈整株預處理後進行厭氧消化，整體來說預處理方法較為粗放單一，因此，對現有的秸稈預處理方法進行改良以進一步使秸稈厭氧消化產氣效率得到最大程度的釋放仍是本領域研究人員的追求和呼聲。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的是提供一種提高禾本科植物秸稈厭氧消化產氣效率的預處理方法。經由本發明的預處理方法預處理後的秸稈進行厭氧消化生產沼氣，能夠縮短厭氧消化的周期，降低經濟成本，同時增加沼氣產量，更大程度地實現秸稈的優化利用。

本發明提供一種提高禾本科植物秸稈厭氧消化產氣效率的預處理方法，其是將整株植物秸稈分離成莖皮、莖髓、葉片和秸稈的其餘部分，然後對莖髓採用酸處理、對葉片和秸稈的其餘部分均採用鹼處理、對莖皮不進行處理。

其中，所述的將整株植物秸稈分離成莖皮、莖髓、葉片和秸稈的其餘部分是本領域技術人員基於本領域的常規知識和技能即可進行的常規操作。

按照本領域常規，在進行上述預處理之後，一般來說，再將經過預處理的植物秸稈的不同部位混合後進行厭氧消化，生產沼氣。

優選地，在將整株植物秸稈分離成莖皮、莖髓、葉片和秸稈的其餘部分之後，還對各部分分別進行機械破碎。

更優選地，在進行所述機械破碎後，還對各部分分別進行過篩，所述過篩優選過30-50目篩，最優選過40目篩。

優選地，所述禾本科植物是玉米、小麥、大麥、高粱或水稻。

其中，所述禾本科植物為玉米時，所述秸稈的其餘部分為玉米芯。

其中，所述酸處理可以使用鹽酸、硫酸或硝酸進行處理，優選使用鹽酸進行處理，所述鹽酸更優選濃度為10％的稀鹽酸。

所述鹼處理可以使用氨水、氫氧化鈉或氫氧化鉀進行處理，優選使用氨水進行處理，所述氨水更優選濃度為10％的氨水。

所述酸處理和所述鹼處理的處理時間優選8～12天，更優選10天。

所述酸處理和所述鹼處理中，原料和處理液的固液比優選1:5。

本發明還提供上述種提高禾本科植物秸稈厭氧消化產氣效率的預處理方法在生物質資源化處理工程中的應用。

本發明具有下述有益效果：

本發明針對秸稈不同部位的組成成分和組織結構存在很大差異，而不同預處理方法對不同成分的作用原理不同這一特性，分別採用適合不同部位特點的預處理方法處理後再混合進行厭氧消化生產沼氣，與秸稈整株不分離且採用任一預處理方法處理後再厭氧消化相比，達到縮短厭氧消化周期，降低經濟成本，同時提高沼氣產量，更大程度地實現玉米秸稈的優化利用。

附圖說明

圖1為實施例1玉米秸稈不同部位採用不同方法預處理後厭氧消化沼氣產量圖。

圖2為實施例1玉米秸稈不同部位採用本發明的預處理方法處理後混合厭氧消化與整株採用單一預處理方法處理後混合厭氧消化沼氣產量比較圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。

實施例1

本實施例以玉米秸稈為處理對象，利用本發明的方法對秸稈進行預處理，同時進行對照實驗，預處理完後進行厭氧消化實驗：

1、選取10棵植株完整的玉米秸稈自然風乾後經人工剝離、分選為葉片、莖皮、莖髓、玉米芯四部分，與整株對照樣品分別粉碎過40目篩；

2、分別稱取玉米秸稈各部位原料：莖皮37.68g，莖髓38.65g，葉片36.47g，玉米芯36.42g，整株36.96g(均含有相同的乾物質質量：34.78g)各三份，置於廣口瓶內，並分別進行不處理、用10％的稀鹽酸浸泡處理和10％的氨水浸泡處理三個實驗組，原料與處理液固液比為1:5，於25℃室溫下密封保存，預處理時間為10天；

3、厭氧消化接種物由實驗室以前秸稈厭氧消化後剩餘的沼液富集得到，pH為7.9，加入葡萄糖營養液培養馴化10天；

4、將上述預處理後原料進行厭氧消化實驗，基質內依次加入接種物、水和定量的NH4HCO3試劑，調節接種量為40％，實驗料液TS濃度約為6％，C/N比為25:1，分別用NaOH溶液和稀HCl溶液調節基質pH為7，最後將裝有混合發酵料液的發酵瓶置於37℃恆溫水浴鍋內進行靜態厭氧消化實驗，每個實驗組重複三次，實驗共進行30天；

5、採用排水法測沼氣的體積，並每天用量筒測量氣體體積，每5天取一次氣樣檢測其甲烷的含量。

6、未經預處理的玉米秸稈不同部位厭氧發酵產氣情況：玉米芯、莖皮、整株、葉片、莖髓分別為23970ml、23721ml、21750ml、21161ml、18576ml。

7、經過鹽酸預處理後的整株、莖髓、玉米芯部分產氣量有明顯增加，分別達到23219ml、23807ml、25324ml，葉片變化不大(21463ml)，增長幅度分別為6.7％、28.2％、5.7％、1.4％，莖皮產氣量減少了10.4％(21257ml)。

8、用氨水預處理的玉米秸稈不同部位的產氣情況，除莖皮的產氣量與未預處理時持平外，其餘部分的產氣量均有所增加，其中玉米芯的產氣量更是高達27276ml，其次是莖皮(24432ml)、整株(23157ml)、葉片(22338ml)、莖髓(21499ml)，分別比未經預處理產氣量增加了13.8％、0.3％、6.5％、5.6％、15.7％。

9、綜合以上數據得到圖1(其中縱坐標表示產氣量，單位為mL)，可以更直觀的比較厭氧消化沼氣產量，莖髓在兩種化學方法預處理後產氣量均有較大漲幅，其中效果更佳的是鹽酸法預處理；莖皮採用酸法預處理產氣量不增反降，採用氨水預處理後產氣量基本不變；玉米芯、葉片在兩種化學方法預處理後產氣量均有較大漲幅，其中效果更佳的是氨水法預處理。

10、按照玉米秸稈不同部位在整株中所佔重量比，稱量12.24g莖皮、5.69g莖髓、16.97g葉片、2.10g玉米芯(總重37.00g)分別經過上述適宜的預處理方法處理後混合厭氧消化，沼氣產量為24773ml。

11、由圖2可見，玉米秸稈不同部位分別採用適宜的預處理方法處理後混合厭氧消化產沼氣量與整株未預處理後厭氧消化的產沼氣量相比提高了13.9％，與整株鹽酸預處理和整株氨水預處理後厭氧消化的產沼氣量相比分別提高了6.7％和6.72％。這樣的提高程度將為生產實際應用帶來很大的經濟效益。

實施例2

按實施例1同樣的方法對高粱秸稈的不同部位進行機械破碎、過篩。然後對高粱秸稈的莖髓採用硫酸進行處理、對葉片和秸稈的其餘部分均採用氫氧化鈉處理，對莖皮不處理。預處理過後進行厭氧發酵，與整株未預處理後進行厭氧消化及與整株硫酸預處理和整株氫氧化鈉預處理後厭氧消化的產沼氣量進行比較。

結果表明，與實施例1中所示結果類似地，對各部位分別進行預處理後，再進行厭氧發酵產沼氣，沼氣產量有大幅提升，發酵周期縮短，經濟效益明顯提高。

需要說明的是，本發明中，所述酸處理以鹽酸和硫酸為例，其中鹽酸濃度更優選10％的稀鹽酸，但其他濃度的酸試劑也適用於本發明，氨水作為優選鹼試劑，特別優選10％氨水，但是其他濃度的鹼試劑同樣適用於本發明。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。