提高木質纖維原料厭氧產氣性能的新方法

2023-07-13 09:38:21 2

專利名稱：提高木質纖維原料厭氧產氣性能的新方法
技術領域：
本發明屬於生物質能源開發利用與環境保護領域，具本涉及一種利用一 種富含礦質營養元素的襯料——草炭與木質纖維原料混合發酵來提高木質纖 維原料生物轉化率的方法。
技術背景 —
隨著石化燃料的日益枯竭，世界開始將目光聚集到新生能源領域。在各 種新能源中，生物質能源是最安全、最穩定且不易受外界環境影響的能源， 是目前國家重點鼓勵的新能源領域之一。地球上生物質資源龐大，種類繁多， 包括所有的陸生植物、水生植物、人類和動物的排洩物以及工農業有機物等。 在各種可供人類使用的生物質中，木質纖維原料佔其中的絕大多數，充分合 理的利用好這部分資源對於緩解能源緊張的局勢，減少溫室氣體的排放量， 保護當地的環境具有重要意義。目前，對木質纖維原料能源化利用的途徑主 要包括焚燒、氣化、發酵產乙醇、生物柴油和厭氧產氣等幾種。與其它轉 化技術相比，厭氧產氣具有能耗低、運行管理方便、產生的沼氣清潔無汙染 等特點，且發酵產生的沼渣和沼液可作為有機肥重回土壤，實現物質和能量 的梯級循環利用，更符合國家可持續發展的要求。
顧名思義，木質纖維原料的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，這
3種成分的質量佔木質纖維原料總質量的80% 95%。纖維素是聚合度為300 到15000的線型高分子化合物，由於氫鍵的作用使很多纖維素分子共同形成 結晶區。木質素是纖維素的粘合劑，能增加植物體的機械強度。厭氧條件下 木質素不易被分解，且對微生物分解纖維素有屏蔽作用，加之纖維素本身的 結晶結構、半纖維素對纖維素的包覆作用等，都導致木質纖維原料厭氧降解 困難。此外，木質纖維原料的C/N偏高，是影響其厭氧生物轉化的另一個因素。
"草炭"又名"泥炭"，亦叫作"泥煤"，是沼澤發育過程中的產物，由沼 澤植物的殘體，在多水的嫌氣條件下，不能完全分解堆積而成。含有大量 水分和未被徹底分解的植物殘體、腐殖質以及一部分礦物質。有機質含量
在30%以上，pH值一般為5.5 6.5，富含氮、鉀、磷、鈣、錳等多種元素。 將其與稻草混合發酵可改善厭氧系統的營養狀況，調節C/N，提高微生物
的活性，且其疏鬆多孔的結構便於微生物附著生長，但較高的腐殖質含量 對厭氧發酵會產生一定的抑制。目前，將草炭與木質纖維原料混合厭氧消化 產沼氣在國內外還未見報導。 .

發明內容
本發明的目的是為了提高厭氧發酵產沼氣的效率，提供一種利用草炭與 木質纖維原料混合發酵產沼氣並提高發酵後沼渣肥料價值的方法。
本發明的目的可以通過以下措施達到
一種提高木質纖維原料厭氧產氣性能的新方法，包括如下步驟
(1) 木質纖維原料先進行切碎預處理；
(2) 將預處理後的木質纖維原料與草炭按乾物質(TS)比9: 11 3: 1 的比例混合；
(3) 將步驟(2)得到的混合物加入厭氧反應器中，並加入接種物，進 行接種，混合；
(4) 向厭氧反應器中加入水後在30 4(TC下進行厭氧發酵產沼氣。 其中木質纖維原料選自玉米秸、麥秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一種或
幾種。可根據季節、地域以及當地的實際情況選擇不同的木質纖維原料。將 收割後的木質纖維原料通過人工或機械方法切成1.0 3.0cm的小段；或者通 過秸稈粉碎機進行切碎至1.0 3.0cm，達到使原料均勻的目的。
在一定範圍內，厭氧系統中微生物的種群密度越高，發酵原料的厭氧生 物轉化率越高。草炭是沼澤發育過程中的產物，具有疏鬆多孔的結構，含有 多種礦質營養元素，且C/N較低。將其加入厭氧系統中可以調節厭氧系統的C/N，提高厭氧微生物的活性，促進木質纖維原料的生物轉化。同時，草炭 本身是一種優質的有機肥，可以提高發酵後沼渣的肥料價值。"草炭"又名'"泥 炭"，亦叫作"泥煤"，形成於第四紀，由沼澤植物的殘體，在多水的嫌氣條件 下，不能完全分解堆積而成。含有大量水分和未被徹底分解的植物殘體、 腐殖質以及一部分礦物質。有機質含量在30%以上，質地鬆軟易於散碎， 多呈棕色或黑色，pH值一般為5.5 6.5，呈層狀分布，稱為泥炭層。不 同產地的草炭由於物質組成不同會有不同的物理性質與化學特性，但均含 豐富的氮、鉀、磷、鈣、錳等多種元素。世界各地都有發現"泥炭"的蹤跡。 除了美國佛^列達州的大沼澤區(Everglades)夕卜，幾乎所有的"泥炭"區 都位於高緯度的地區(約佔80%)，而世界上約有60%的溼地地區都是"泥 炭"的蘊藏區(約達400萬平方公裡)。
草炭與木質纖維混合發酵的乾物質比例優選為9: 11 3: 1 (質量)，混 合物中草炭的量過多會抑制厭氧產氣過程的進行，降低厭氧反應器的處理能 力，草炭的量過少則不能起到改善厭氧系統的環境、調節C/N、提高厭氧微 生物活性的目的。
厭氧發酵的接種物一般選自老沼氣池的沼渣、腐敗河泥或城市汙水處理 廠的厭氧消化汙泥中的一種或幾種。接種物的加入量(乾物質含量)為厭氧 反應器內的發酵物千重的5% 30% (厭氧發酵中的發酵物一般指發酵的基 質，英語裡用substrate表示，因為草炭在發酵過程中基本不能為厭氧微生物 分解，故這裡指木質纖維原料)。厭氧反應器中加入接種物後，加水調節至適 當的TS有機負荷即可進行厭氧反應。加水量以厭氧反應器系統TS負荷在6 10°/。為準。
反應在常溫、中溫以及高溫條件下均可正常進行，但以35士2"C為佳。當 日產氣量低於平均日產氣量的30%時，結束反應；厭氧發酵產沼氣的周期一 般為30 60天。厭氧發酵時封閉發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管與 儲氣裝置連接，控制反應溫度，發酵過程中通過攪拌裝置對發酵物迸行攪拌； 24h內即可產生沼氣，經過30 60天的發酵，產氣量明顯下降，當日產氣量低於平均日產氣量(指累積產氣量/發酵天數所得的值)的30%時，反應即 可結束，進行新一輪發酵。
本發明的有益效果
1、 工藝簡單，可操作性強。
2、 將草炭與木質纖維原料混合厭氧消化產沼氣，提高了木質纖維原料的 生物轉化率，其單位乾物質產氣量最高可提高19.33%。
3、 將木質纖維原料與草炭混合發酵，可以提高厭氧系統中微生物的活性， 產氣速率和產氣峰值明顯提高，發酵周期縮短IO天以上，提高了發酵裝置的 處理能力和處理效率。
4、 草炭是一種優質的有機肥料，其在厭氧發酵前後物質組成和特性並未 發生變化，且損失率很低(草炭中的有機物主要以腐殖質、木質素等不能為 厭氧微生物分解利用的形式存在，故發酵前後草炭中有機物的變化不大，但 草炭中含有的礦質元素在發酵過程中會部分溶出，但這部分佔草炭總質量的 比例很小)。將草炭添加到厭氧系統中提高了發酵後沼渣的肥料價值。


圖1為實施例1發酵過程中日產氣量和累積產氣量的變化情況。 圖2為實施例2發酵過程中日產氣量和累積產氣量的變化情況。 圖3為實施例3發酵過程中日產氣量和累積產氣量的變化情況。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步說明本發明。 實施例1:
(1) 原料木質纖維原料(如玉米秸、麥秸或稻秸等)的粉碎預處理， 通過機械或人工方法將收割後的木質纖維原料切成1 2cm的小段；
(2) 將步驟(1)所述切碎的木質纖維原料與草炭按乾物質比45: 55 混合均勻；
(3) 將步驟(1)所得木質纖維原料(含乾物質25.2克)、草炭(含幹 物質30.8克)以及步驟(2)所得混合物(含乾物質56克)分別投加到1000mL 的厭氧反應器中，加入乾物質含量為2.61 %的厭氧汙泥400克進行接種，混
6(4) 向步驟(3)所得混合料中加水，使反應器的TS負荷為8X，向其 餘兩個反應器中補充水使3個反應器內物質的總質量相同；
(5) 封閉發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管與儲氣裝置連接， 反應溫度控制在35土2。C，發酵過程中通過攪拌裝置對發酵物進行攪拌；24h 內即可產生沼氣，經過49天的發酵，產氣量明顯下降(日產氣量低於平均曰 產氣量的30%)，停止反應，進行新一輪投料和接種發酵。
各處理髮酵過程中日產氣量和累積產氣量的變化曲線見圖1，可以看出 混合發酵與木質纖維原料單獨發酵的日產氣量曲線相似，木質纖維原料單多蟲 發酵實驗第3天產氣達高峰，混合發酵的產氣高峰在第5天出現，但峰值較 單獨發酵大幅提高。從累積產氣量的曲線來看，混合發酵促進產氣主要發生 在實驗開始的9天後，隨後兩者之間的差距不斷拉大。實驗結束時，添加草 炭混合發酵的累積產氣量較木質纖維原料單獨發酵提高了 11.61%。 實施例2:
(1) 原料木質纖維原料(如玉米秸、麥秸或稻秸等)的粉碎預處理， 通過機械或人工方法將收割後的木質纖維原料切成1 2cm的小段；
(2) 將步驟(1)所述切碎的木質纖維原料與草炭按乾物質比3: 2混 合均勻；
(3) 將步驟(1)所得木質纖維原料(含乾物質33.6克)、草炭(含幹 物質22.4克)以及步驟(2)所得混合物(含乾物質56克)分別投加到lOOOmL 的厭氧反應器中，加入乾物質含量為2.61 %的厭氧汙泥400克進行接種，混 合.
(4) 向步驟(3)所得混合料中加水，使反應器的TS負荷為8X，向其 餘兩個反應器中補充水使3個反應器內物質的總質量相同；.
(5) 封閉發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管與儲氣裝置連接， 反應溫度控制在35士2。C，發酵過程中通過攪拌裝置對發酵物進行攪拌；24h 內即可產生沼氣，經過49天的發酵，產氣量明顯下降(日產氣量低於平均日 產氣量的30%)，停止反應，進行新一輪投料和接種發酵。
7各處理髮酵過程中日產氣量和累積產氣量的變化曲線見圖2，可以看出 混合發酵明顯促進了木質纖維原料厭氧產氣，混合發酵在實驗第6天達到產 氣高峰，峰值為1052ml，之後產氣緩慢下降。木質纖維原料單獨發酵在實驗 第7天達到產氣高峰，峰值僅為681ml，隨後在7-19天之間產氣出現較大波 動，之後產氣逐漸下降。從累積產氣量的曲線來看，混合發酵在實驗開始3 天后的累積產氣量高於木質纖維單獨發酵，隨後這種差距不斷擴大。至反應 結束時，添加草炭混合發酵的累積產氣量較木質纖維原料單獨發酵提高了 19.33%。
實施例3: -
(1) 原料木質纖維原料(如玉米秸、麥秸或稻秸等)的粉碎預處理， 通過機械或人工方法將收割後的木質纖維原料切成1 2cm的小段；
(2) 將步驟(1)所述切碎的木質纖維原料與草炭按乾物質比3: 1混 合均勻；
(3) 將步驟(1)所得木質纖維原料(含乾物質42克)、草炭(含乾物 質14克)以及步驟(2)所得混合物(含乾物質56克)分別投加到1000mL 的厭氧反應器中，加入乾物質含量為2.61 %的厭氧汙泥400克進行接種，混 合.
(4) 向步驟(3)所得混合料中加水，使反應器的TS負荷為8X，向其 餘兩個反應器中補充水使3個反應器內物質的總質量相同；
(5) 封閉發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管與儲氣裝置連接， 反應溫度控制在35土2'C，發酵過程中通過攪拌裝置對發酵物進行攪拌；24h 內即可產生沼氣，經過49天的發酵，產氣量明顯下降(日產氣量低於平均日 產氣量的30%)，停止反應，進行新一輪投料和接種發酵。
各處理髮酵過程中日產氣量和累積產氣量的變化曲線見圖3，可以看出 混合發酵明顯促進了木質纖維原料厭氧產氣，混合發酵在實驗第9天達到產 氣高峰，峰值為1082ml，之後產氣緩慢下降，並在第18天出現第二個產氣 高峰，但該產氣高峰較前一次明顯減弱，之後產氣量不斷下降。木質纖維原 料單獨發酵在實驗第14天出現第一個產氣高峰，峰值為686ml，在第17天
8出現第二個產氣高峰，為728ml,之後產氣逐漸下降。可以看出，混合發酵 和單獨發酵雖然均出現兩個產氣高峰，但單獨發酵兩個產氣高峰的峰值相當， 且後一個產氣高峰較前一次還稍大，而混合發酵前一次產氣高峰明顯大於第 二次產氣高峰，表明混合發酵明顯促進了厭氧微生物產氣的速率，有利於縮 短產氣周期。從累積產氣量的曲線來看，混合發酵在實驗開始4天後的累積 產氣量均高於木質纖維單獨發酵，至反應結束時，添加草炭混合發酵的累積 產氣量較木質纖維原料單獨發酵提高了 16.08%。
草炭中含有大量的礦質元素，腐殖質含量高達15%以上，厭氧發酵後這 些物質大部分保留在沼渣中，提高了沼渣的肥料價值。發酵後沼渣的氮含量 為1.85-2.07°/。，有機質含量為51.72-60.34°/。，腐殖質含量為15.3~18,8%，是 一種優質的有機肥。
權利要求
1、一種提高木質纖維原料厭氧產氣性能的新方法，其特徵在於包括如下步驟(1)木質纖維原料先進行切碎預處理；(2)將預處理後的木質纖維原料與草炭按乾物質比9∶11～3∶1的比例混合；(3)將步驟(2)得到的混合物加入厭氧反應器中，並加入接種物，混合；(4)向厭氧反應器中加入水後在30～40℃下進行厭氧發酵產沼氣。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的木質纖維原料選自玉 米秸、麥秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一種或幾種。
3、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟(1)中將木質纖維原 料切碎至1.0 3.0cm。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的木質纖維原料與草炭 的乾物質比9: 11 3: 1。
5、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的接種物選自老沼氣池 的沼渣、腐敗河泥或城市汙水處理廠的厭氧消化汙泥中的一種或幾種。
6、 根據權利要求1或4所述的方法，其特徵在於所述的接種物的加入量 為厭氧反應器內的發酵物乾重的5% 30%。
7、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於厭氧發酵的溫度為30 40°C 。
8、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於厭氧發酵產沼氣至日產氣量 低於平均日產氣量的30%時，結束反應。
9、 根據權利要求1或8所述的方法，其特徵在於厭氧發酵產沼氣的周期 為30 60天。
全文摘要
本發明公開了一種提高木質纖維原料厭氧產氣性能的新方法，木質纖維原料先進行切碎預處理；將預處理後的木質纖維原料與草炭按乾物質比9∶11～3∶1的比例混合；將混合物加入厭氧反應器中，並加入接種物，混合；厭氧反應器在30～40℃下進行厭氧發酵產沼氣。本發明在不影響草炭肥料價值的前提下，較大幅度的提高了木質纖維原料的厭氧生物轉化率，實現了木質纖維原料和草炭的資源化、減量化和無害化的利用。
文檔編號C12P5/02GK101671697SQ20091003546
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者張繼彪, 方彩霞, 豔 羅, 羅興章, 鄒星星, 正 鄭, 陳廣銀, 高順枝 申請人:南京大學