微化粉碎預處理提高秸稈濕式厭氧消化產(chǎn)氣性能的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于有機固體廢棄物厭氧消化領(lǐng)域，提供一種微化粉碎預處理提高秸稈濕式厭氧消化產(chǎn)氣性能的方法。具體為：取自然風干或烘干的秸稈(TS≥90±1％)反復揉搓后切成小段，充分研磨后過篩，保證得到粒徑小于1mm的足量秸稈粉末，以秸稈VS：接種泥VS＝2:1的接種比接種厭氧消化污泥，加水定容后調(diào)節(jié)pH，進行中溫厭氧消化。結(jié)果顯示：經(jīng)微化粉碎預處理后，VS降解率提高；厭氧消化周期明顯縮短；單位產(chǎn)氣量呈倍狀提升；沼氣中甲烷百分含量提高；且有效抑制了傳統(tǒng)秸稈厭氧消化存在的浮渣現(xiàn)象。

Method of Improving Gas Production Performance of Wet Anaerobic Digestion of Straw by Micronization and Pulverization Pretreatment

The invention belongs to the field of anaerobic digestion of organic solid waste, and provides a method for improving the gas production performance of wet anaerobic digestion of straw by micronization and grinding pretreatment. Specifically: the natural air dried or dried straw (TS > 90 + 1%) is repeatedly rubbed and cut into small segments. After full grinding and sieving, sufficient straw powder with a particle size of less than 1mm is ensured. Straw VS: inoculation mud VS = 2:1 inoculation is inoculated with anaerobic digestion sludge, adding water and constant volume, then pH is adjusted, and mesophilic anaerobic digestion is carried out. The results showed that after micronization pretreatment, the degradation rate of VS was increased, the anaerobic digestion period was shortened, the gas yield per unit was doubled, the methane content in biogas was increased, and the dross phenomenon in traditional anaerobic digestion of straw was effectively inhibited.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
微化粉碎預處理提高秸稈濕式厭氧消化產(chǎn)氣性能的方法
本專利技術(shù)屬于有機固體廢棄物厭氧消化領(lǐng)域，具體涉及一種微化粉碎預處理提高秸稈濕式厭氧消化產(chǎn)氣性能的方法。
技術(shù)介紹
基于生態(tài)學以及循環(huán)低碳經(jīng)濟的思想，發(fā)展以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料進行厭氧消化處理農(nóng)村清潔能源工程，有利于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的有機集成；對于滿足農(nóng)民的生產(chǎn)用能需求，增加農(nóng)民收入，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，促進社會主義新農(nóng)村建設(shè)具有重要意義。中國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，各類農(nóng)作物秸稈資源豐富、分布廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計，2015和2016年中國的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量分別達到8.5和7.9億噸；2017年6月1日農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工局、農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院在北京召開農(nóng)產(chǎn)品及加工副產(chǎn)物綜合利用模式研討會，會議指出，我國農(nóng)產(chǎn)品及加工副產(chǎn)物、剩余物逐年增多，每年秸稈產(chǎn)量有9億噸，加工副產(chǎn)物有5.8億噸，加工副產(chǎn)物綜合利用率平均不到40％，60％以上的副產(chǎn)物被隨意堆放、丟棄或用作肥料還田、生活燃料，相當于7億畝土地的投入產(chǎn)出和6000億元的收入被白白損失掉。厭氧消化是將作物秸稈變廢為寶的有效手段，在厭氧條件下，秸稈等有機廢物能被厭氧微生物分解利用產(chǎn)生甲烷。厭氧消化過程是在厭氧條件下由多種(厭氧或兼性)微生物共同作用，使有機物分解并產(chǎn)生甲烷和二氧化碳的過程。復雜有機物的厭氧消化過程由水解階段、發(fā)酵酸化階段、產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫階段以及產(chǎn)甲烷階段組成。在這四個階段中，前兩個階段的反應(yīng)是由同一類細菌完成的，前三個階段的反應(yīng)速度很快，第四個階段反應(yīng)速度通常很慢。厭氧消化操作簡單，成本較低且技術(shù)相對成熟，在我國已有許多工程應(yīng)用實例。秸稈密度小、體積大，進入?yún)捬醢l(fā)酵罐后很快形成浮渣層，影響氣、液、固三相傳質(zhì)、傳熱和流動性，氣體釋放困難，增加了安全風險發(fā)生率；形成的固液分層易導致物料與接種物接觸不充分，反應(yīng)器內(nèi)傳熱、傳質(zhì)不均勻，消化條件不易控制，進而影響微生物群落條件反射或水解不充分導致底物粘滯性高；秸稈中木質(zhì)素含量較高，它是構(gòu)成植物細胞壁的成分之一，親水性基團少，常存在于植物纖維素之間的連接處，具有增強細胞及粘合纖維的作用，不溶于水和一般溶劑，化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，對酶降解和微生物水解有很強的抗性，使微生物不能有效利用秸稈，并給纖維素和半纖維素的分解帶來了一定的困難，導致消化率不高，投入產(chǎn)出效率差等問題。因此，在進行厭氧消化處理前，通常需要對秸稈進行一定的預處理，破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以利于其后續(xù)水解過程中釋放出更多的糖類物質(zhì)。木質(zhì)纖維素類原料的預處理方法主要物理處理法、化學處理法、物理化學綜合處理法和生物處理法。物理處理能夠降低秸稈的尺寸，提高秸稈的可接觸面積，降低秸稈纖維素的晶度和聚合度，提高后處理過程的效率?；瘜W法對條件要求低、時間短、處理效率高，但通常僅加入單一酸或堿，很難達到理想的效果，且產(chǎn)生的大量化學殘液會遷移到沼渣沼液中，導致沼渣沼液難以被回收利用；生物處理對化學物質(zhì)和能量的消耗較少，是一種生物安全、環(huán)境友好的秸稈處理方式，但需對特定菌種進行定向培養(yǎng)，對人員和設(shè)備條件的要求較高，大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用難度較大。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于，針對秸稈厭氧消化過程中易形成浮渣層、水解不充分和利用率低等缺陷，提供一種微化粉碎預處理提高秸稈濕式厭氧消化產(chǎn)氣性能的方法，本專利技術(shù)具有以下特點：(1)隨著機械粉碎程度增大，酶解反應(yīng)中酶負荷將會減少，降解和發(fā)酵速率加快；(2)固體顆粒的粒度變化到100μm便已經(jīng)具有表面效應(yīng)和體積效應(yīng)等特殊性質(zhì)，同介質(zhì)的作用力顯著加強，有很好的溶解性、吸附性和流動性，化學反應(yīng)速度快；(3)提高秸稈的可接觸面積，降低秸稈纖維素的晶度和聚合度；(4)阻止厭氧發(fā)酵罐內(nèi)形成浮渣層，減少了安全風險發(fā)生率。為了實現(xiàn)上述目標，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：一種微化粉碎預處理提高秸稈濕式厭氧消化產(chǎn)氣性能的方法：1)秸稈物理預處理a.取自然風干或烘干處理后的秸稈，其TS(TotalSolid，總固體含量)不應(yīng)小于90±1％；b.取經(jīng)a步驟處理后的秸稈，手工反復揉搓，使纖維結(jié)構(gòu)變得柔軟；c.取經(jīng)b步驟處理后的秸稈，將其手工剪成盡量小的段狀，以小于1～2cm為宜；d.取經(jīng)c步驟處理后的小段秸稈于研缽中，手工充分研磨，得到秸稈粉末；e.取經(jīng)d步驟處理后的秸稈粉末，手工過篩，得到微粒徑秸稈粉末；f.取足量經(jīng)e步驟處理后得到的微粒徑秸稈粉末，干燥保存?zhèn)溆茫?)接種比確認取步驟1)所得微粒徑秸稈粉末和待接種的厭氧消化污泥樣品，分別測定其揮發(fā)性固體(volatilesolid，VS)，以秸稈VS：接種泥VS一定的接種比進行接種，加水稀釋至反應(yīng)器總體積的60％-80％后攪拌均勻得料液，料液的含固率為5-8％；3)調(diào)節(jié)pH值調(diào)節(jié)料液的pH值至6.8-7.2以保證合適的發(fā)酵環(huán)境；4)厭氧消化將各反應(yīng)器連接好攪拌單元后密封，在恒溫水浴鍋內(nèi)進行中溫厭氧消化30d，攪拌單元攪拌-靜置交替運行，正轉(zhuǎn)-反轉(zhuǎn)交替運行。本專利技術(shù)中，采用濕式發(fā)酵，步驟2)所述的“料液的含固率為5-8％”，屬于濕式發(fā)酵的范疇。進一步，步驟1)的所述微粒徑秸稈粉末的粒徑小于1mm，更接近“超微化”顆粒，同介質(zhì)的作用力顯著加強，有很好的溶解性、吸附性與流動性，化學反應(yīng)接觸位點增多，反應(yīng)速度軒主加快。進一步，步驟1)所述的秸稈為玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈、高粱秸稈中的任意一種或幾種，破碎前需自然風干并去除沙土等雜質(zhì)。進一步，步驟2)的待接種物為穩(wěn)定產(chǎn)甲烷的厭氧消化工藝污泥。進一步，步驟2)中，秸稈VS：接種泥VS的接種比為2:1。進一步，步驟3)中要求厭氧消化反應(yīng)前利用鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH在7±0.2。進一步，步驟4)中所述厭氧消化過程包括序批式、半連續(xù)式與連續(xù)式運行過程。進一步，步驟4)中，秸稈進行中溫厭氧消化，恒溫水浴的溫度控制在37±1℃。進一步，步驟4)中，秸稈厭氧消化過程進行攪拌，攪拌-靜置交替運行，正轉(zhuǎn)-反轉(zhuǎn)交替運行，攪拌轉(zhuǎn)速為60r/min。本專利技術(shù)進一步測定厭氧消化前后木質(zhì)纖維素含量，甲烷百分含量，沼氣產(chǎn)量，總固體含量TS，總揮發(fā)性固體含量VS，pH，氨氮，粗蛋白含量，溶解性COD，溶解性蛋白，溶解性多糖和碳氮元素含量，用于評價微化粉碎預處理后秸稈厭氧消化的效果。結(jié)果顯示：經(jīng)微化粉碎預處理后，VS降解率提高，最高可達58.98％；厭氧消化周期明顯縮短，由25天可縮短至19天；單位產(chǎn)氣量呈倍狀提升，由164.84L/kg·VS可提升至303.26L/kg·VS；沼氣中甲烷百分含量提高，由66.1％可提升至71.57％；且有效抑制了傳統(tǒng)秸稈厭氧消化存在的浮渣現(xiàn)象。由于，秸稈這類木質(zhì)纖維素含量很高的物質(zhì)，韌性很足，常規(guī)破碎過程絲狀纖維很容易攪纏刀片設(shè)備，使用周期非常短，維護成本非常高。而本專利技術(shù)依次采用自然風干或烘干、手工反復揉搓、剪切、研磨、過篩處理得到足夠細的微粒徑秸稈粉末。木質(zhì)纖維素是由三個部分組成，分別是纖維素、半纖維素與木質(zhì)素。在厭氧消化過程中，從最根本屬性來說纖維素和半纖維素屬于較易被降解的物質(zhì)，木質(zhì)素屬于難降解物質(zhì)，但在秸稈中這三種物質(zhì)互相交聯(lián)成一個整體，所以導致本身易被降解的纖維素和半纖維素也因木質(zhì)素的包裹及本身結(jié)晶作用不能充分被降解糖化，本專利技術(shù)通過將秸稈類物質(zhì)破碎到足夠細，以打破交聯(lián)與結(jié)晶狀態(tài)，促進三種木質(zhì)纖維素的降解與本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
1.一種微化粉碎預處理提高秸稈濕式厭氧消化產(chǎn)氣性能的方法，其特征在于，包括如下過程：1)秸稈物理預處理：a.取自然風干或烘干處理后的秸稈，其總固體含量TS不應(yīng)小于90±1％；b.取經(jīng)a步驟處理后的秸稈，手工反復揉搓，使纖維結(jié)構(gòu)變得柔軟；c.取經(jīng)b步驟處理后的秸稈，將其手工剪成盡量小的段狀，以小于1～2cm為宜；d.取經(jīng)c步驟處理后的小段秸稈于研缽中，手工充分研磨，得到秸稈粉末；e.取經(jīng)d步驟處理后的秸稈粉末，手工過篩，得到微粒徑秸稈粉末；f.取足量經(jīng)e步驟處理后得到的微粒徑秸稈粉末，干燥保存?zhèn)溆茫?)接種比確認：取步驟1)所得微粒徑秸稈粉末和待接種的厭氧消化污泥樣品，分別測定其揮發(fā)性固體VS，以秸稈VS：接種泥VS一定的接種比進行接種，加水稀釋至反應(yīng)器總體積的60％?80％后攪拌均勻得料液，料液的含固率為5?8％；3)調(diào)節(jié)pH值：調(diào)節(jié)料液的pH值至6.8?7.2以保證合適的發(fā)酵環(huán)境；4)厭氧消化將各反應(yīng)器連接好攪拌單元后密封，在恒溫水浴鍋內(nèi)進行中溫厭氧消化30d，攪拌單元攪拌?靜置交替運行，正轉(zhuǎn)?反轉(zhuǎn)交替運行。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種微化粉碎預處理提高秸稈濕式厭氧消化產(chǎn)氣性能的方法，其特征在于，包括如下過程：1)秸稈物理預處理：a.取自然風干或烘干處理后的秸稈，其總固體含量TS不應(yīng)小于90±1％；b.取經(jīng)a步驟處理后的秸稈，手工反復揉搓，使纖維結(jié)構(gòu)變得柔軟；c.取經(jīng)b步驟處理后的秸稈，將其手工剪成盡量小的段狀，以小于1～2cm為宜；d.取經(jīng)c步驟處理后的小段秸稈于研缽中，手工充分研磨，得到秸稈粉末；e.取經(jīng)d步驟處理后的秸稈粉末，手工過篩，得到微粒徑秸稈粉末；f.取足量經(jīng)e步驟處理后得到的微粒徑秸稈粉末，干燥保存?zhèn)溆茫?)接種比確認：取步驟1)所得微粒徑秸稈粉末和待接種的厭氧消化污泥樣品，分別測定其揮發(fā)性固體VS，以秸稈VS：接種泥VS一定的接種比進行接種，加水稀釋至反應(yīng)器總體積的60％-80％后攪拌均勻得料液，料液的含固率為5-8％；3)調(diào)節(jié)pH值：調(diào)節(jié)料液的pH值至6.8-7.2以保證合適的發(fā)酵環(huán)境；4)厭氧消化將各反應(yīng)器連接好攪拌單元后密封，在恒溫水浴鍋內(nèi)進行中溫厭氧消化30d，攪拌單元攪拌-靜置交替運行，正轉(zhuǎn)-反轉(zhuǎn)交替運行。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微化粉碎預處理提高秸稈濕式厭氧消化產(chǎn)氣性能的方法，其特征在于：步驟1)的所述微粒徑秸稈粉末的粒徑小于1mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微化粉碎...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：華煜，戴曉虎，
申請(專利權(quán))人：同濟大學，
類型：發(fā)明
國別省市：上海,31