低温水冷冻预处理玉米秸秆提高厌氧消化产气性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于玉米秸杆高效资源化利用技术领域，是一种低温水冷冻预处理的玉米 秸杆厌氧消化工艺。
【背景技术】
[0002] 玉米秸杆属于纤维素类生物质，含有丰富的营养和易利用的化学成分，是丰富的 可再生有机物质，但是其中大部分被丢弃或露天焚烧，造成资源浪费、环境污染、妨碍正常 交通等严重问题。
[0003] 玉米秸杆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大成份组成，而利用厌氧消化技术 处理利用玉米秸杆，产生高效、清洁的高品质生物质能源一一生物气，是玉米秸杆资源化利 用的有效途径。但是半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，将纤维素分子 包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触，导致木质纤维素原料难以被 微生物降解，限制了玉米秸杆用于生物气生产方面的大规模应用。
[0004] 对玉米秸杆进行预处理方法是玉米秸杆转化利用关键环节之一。通过预处理可以 降低纤维素结晶度，增加纤维素的可及表面积，破坏纤维素一木质素一半纤维素之间的连 接，从而改善玉米秸杆的厌氧消化性能，有效提高玉米秸杆的可生物降解性能和产气量。
[0005] 预处理玉米秸杆的方法主要有生物法、物理法和化学法等。物理法操作简单，但能 耗较大，成本较高。生物法无污染，条件温和，可是处理周期长，效率低。化学法处理效率 高，操作简单以及成本低等优点，能够广泛应用在大型厌氧发酵工程中，但是化学预处理法 腐蚀性较强，容易腐蚀设备和污染环境。目前，为了达到较好的预处理效果，主要是将这些 方法联合使用预处理玉米秸杆，如专利CN201010182173. 1公开了一种木质纤维素原料的 生物-化学联合预处理方法，专利CN201310645094. 3公布了一种物理-化学联合使用预处 理纤维素生物质原料的方法，专利CN201310027025. 6公开了一种在常温条件下化学-化学 联合预处理纤维素类生物质。而这些专利均需要添加化学物质，易引起环境污染，且有的预 处理方法还需要在高温、高压条件下进行预处理。
【发明内容】
[0006] 为解决可以在低污染、温和的操作条件下，高效预处理玉米秸杆的技术难题，意在 提供一种能够有效提高玉米秸杆的产气性能，为玉米秸杆的充分利用开辟新途径。本发明 采用低温冷冻预处理技术，利用水作为预处理试剂，对玉米秸杆进行预处理，以总甲烷产量 为产气性能指标，确定最佳水添加量和预处理时间。本发明操作条件温和，对反应器的抗 压和抗腐蚀性要求不高，成本低，操作简单，效率高，无污染，可以改善玉米秸杆的生物降解 性，显著提高厌氧消化沼气产量的效果，同时有效降低预处理过程对环境的影响。
[0007] 低温水冷冻预处理玉米秸杆提高厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：
[0008] 选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸杆，用粉碎机粉碎至20目以下，利用自来 水作为预处理试剂对玉米秸杆进行预处理，自来水添加量是玉米秸杆干重的1-10倍，搅拌 后，封口膜封口；在-20°C -20°C条件下密封保存3天，进行预处理；预处理后厌氧发酵，厌 氧发酵过程需要活性污泥，活性污泥添加量相对于52g TS玉米秸杆为12g TS;加入活性污 泥后，再加入自来水至反应装置总体积的80 %，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将反应器 固定在摇床中，摇床温度恒定在35 ± 2 °C之间，摇动。
[0009] 更具体的：
[0010] 1)预处理试剂。本发明所用预处理试剂为自来水。
[0011] 2)低温预处理。自来水添加量是玉米秸杆干重的1-10倍。将自来水加入玉米秸 杆后，充分混合，在_20°C-20°C条件下进行预处理，分别密封保存3天。
[0012] 3)具体操作方法：本发明选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸杆，用粉碎机粉 碎至20目以下，用坩埚称取一定量的玉米秸杆，置于105°C烘箱，12小时后测定玉米秸杆 TS。利用蓝盖瓶（1L)作为厌氧反应容器，反应体积0.8L，按照玉米秸杆负荷65g TS/L，首 先称取52g TS玉米秸杆，然后利用自来水作为预处理试剂对玉米秸杆进行预处理，自来水 添加量为52-520mL水，用玻璃棒充分搅拌后，封口膜封口。分别在-20 °C -20 °C条件下密封 保存3天，进行预处理。
[0013] 4)厌氧发酵。厌氧发酵过程需要接种物（活性污泥），活性污泥来自污水处理厂， 包含有大量厌氧微生物菌群，活性污泥需要沉降一周以上。本发明活性污泥添加量为12g TS(相对于52g TS玉米秸杆）。首先向预处理后玉米秸杆中加入12g TS活性污泥，再加 入自来水至反应装置总体积的80%，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将反应器固定在摇床 中，摇床温度恒定在35±2°C之间，摇动。
[0014] T9(l是厌氧发酵周期长短的表征参数，一般是指达到总产气量90%的时间。测定所 用玉米秸杆和接种物的总固体含量TS和总挥发性固体VS，利用排水法测定每天的产气量， 测定甲烷体积分数，计算日产甲烷体积。所有数据用于评价氢氧化钠及氨水的联合预处理 效果。
[0015] 本发明具有以下有益效果：
[0016] 1)与未经过预处理的玉米秸杆相比，经过低温水预处理后总产气体积提高了 27% -60%，总产甲烷体积提高了 70% -110%;计算不同预处理条件下T9(l时间段内单位TS 产气体积提高了 20 % -55 %，单位TS产甲烷体积提高了 71 % -112 %，厌氧发酵周期缩短 37% -60%〇
[0017] 2)低温水预处理方式不添加任何化学药剂对玉米秸杆进行预处理，因此厌氧消化 后剩余的沼渣不会产生二次污染，是农作物生长的优质肥料，具有环境友好性；
[0018] 3)低温水预处理方式成本低，操作简单；操作条件温和，对反应器的抗压和抗腐 蚀性要求不高。
【具体实施方式】
[0019] 在以下所有试验中，厌氧发酵反应器的总体积为1L，反应体积0.8L，经过粉碎至 20目以下左右的玉米秸杆添加量为65g TS/L，接种污泥的添加量为15g TS/L。
[0020] 实施例1 :
[0021] 称取3份粉碎至20目以下的玉米秸杆，每份玉米秸杆质量为52g (以TS计），添 加100. 68晕升水使之与玉米稻杆中所含的水（3. 32晕升）的总质量为玉米稻杆干重的2 倍（104毫升）。20°C下密封保存1天、3天和5天进行预处理。同时设置一组不添加水的 未经过预处理的玉米秸杆作为对照。
[0022] 经过预处理后的玉米秸杆分别与12g TS厌氧污泥混合，加到厌氧消化反应装置 中，加自来水至反应装置的80%。将加完物料充氮气并密封的反应器放到35°C摇床内，摇 动。厌氧发酵周期为75天。通过排水集气法记录每天的产气体积，并每天测定甲烷的体积 分数，计算甲烷总产量。T 9(l是厌氧发酵周期长短的表征参数，而在实际生产中反应时间一 般根据达到总产气量90%的时间确定1'9(|，同时计算1' 9(|。
[0023] 总产气体积和总产甲烷体积结果如表1所示：
[0024]表1
[0025]
【主权项】
1.低温水冷冻预处理玉米秸杆提高厌氧消化产气性能的方法，其特征在于： 选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸杆，用粉碎机粉碎至20目以下，利用自来水作 为预处理试剂对玉米秸杆进行预处理，自来水添加量是玉米秸杆干重的1-10倍，搅拌后， 封口膜封口；在-20°C -20°C条件下密封保存3天，进行预处理；预处理后厌氧发酵，厌氧发 酵过程需要活性污泥，活性污泥添加量相对于52g TS玉米秸杆为12g TS;加入活性污泥 后，再加入自来水至反应装置总体积的80 %，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将反应器固 定在摇床中，摇床温度恒定在35 ± 2 °C之间，摇动。
【专利摘要】低温水冷冻预处理玉米秸秆提高厌氧消化产气性能的方法属于玉米秸秆高效资源化利用技术领域。自来水作为预处理试剂对玉米秸秆进行预处理，自来水添加量是玉米秸秆干重的1-10倍，搅拌后，封口膜封口；在-20℃-20℃条件下密封保存3天，进行预处理；预处理后厌氧发酵，厌氧发酵过程需要活性污泥，活性污泥添加量相对于52g TS玉米秸秆为12g TS；加入活性污泥后，再加入自来水至反应装置总体积的80％，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将反应器固定在摇床中，摇床温度恒定在35±2℃之间，摇动。经过低温水预处理后总产气体积提高了27％-60％，总产甲烷体积提高了70％-110％；厌氧消化后剩余的沼渣不会产生二次污染，是农作物生长的优质肥料；成本低，操作简单；操作条件温和。
【IPC分类】C12P5-02
【公开号】CN104593431
【申请号】CN201510013342
【发明人】李秀金, 刘春梅, 袁海荣, 邹德勋, 刘研萍, 朱保宁
【申请人】北京化工大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月11日