甲烷化出料酸化預處理玉米秸稈提高厭氧消化產氣性能的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于玉米秸桿高效資源化利用技術領域，是一種利用厭氧發酵出料作為接種物處理玉米秸桿的方式提高厭氧消化產氣性能的方法。
【背景技術】
[0002]玉米秸桿屬于纖維素類生物質，含有豐富的營養和易利用的化學成分，是豐富的可再生有機物質，但是其中大部分被丟棄或露天焚燒，造成資源浪費、環境污染、妨礙正常交通等嚴重問題。
[0003]玉米秸桿主要由纖維素、半纖維素和木質素三大成份組成，而利用厭氧消化技術處理利用玉米秸桿，產生高效、清潔的高品質生物質能源一一生物氣，是玉米秸桿資源化利用的有效途徑。但是半纖維素作為分子黏合劑結合在纖維素和木質素之間，將纖維素分子包埋在其中，形成一種天然屏障，使酶不易與纖維素分子接觸，導致木質纖維素原料難以被微生物降解，限制了玉米秸桿用于生物氣生產方面的大規模應用。
[0004]厭氧發酵過程中，由于原料轉化率低，導致排放大量的沼渣、沼液，易對環境產生二次污染。厭氧發酵是一個復雜的生物轉化過程，包括水解/酸化階段和生物質能轉化階段，而水解/酸化是產甲烷應用的主要限速階段，有一些科研工作者致力于應用物理方法、化學方法以及生物方法或組合方法預處理秸桿的技術研宄，例如酸解、堿解及各種好氧、厭氧纖維素降解菌劑，也取得了一定的效果。厭氧消化過程中，水解/酸化階段發揮作用的微生物種群主要是產酸菌，生物質能轉化階段發揮作用的微生物種群主要是產甲烷菌。
[0005]因此，本發明遵循廢物資源化的原則，利用兩個反應器將厭氧階段分開，使得各自主要的微生物種群分離且發揮最大的作用，同時利用厭氧發酵液出料對玉米秸桿進行酸化處理，可以減少沼渣、沼液排放，增加物質去除率，提高厭氧消化產氣性能。本發明探索了厭氧發酵后沼渣和沼液資源化利用新技術途徑，深化廢棄物綜合利用的程度，為避免二次污染和實現玉米秸桿高值轉化提供可行性依據與參考；在實際工程運行方面，實現系統的穩定、高效運行，降低運行能耗及建立多尺度調控技術等。
【發明內容】
[0006]本發明利用厭氧發酵出料作為接種物預處理玉米秸桿的方式提高厭氧消化產氣性能。
[0007]甲烷化出料酸化預處理玉米秸桿提高厭氧消化產氣性能的方法，其特征在于:
[0008]選用經過自然風干且沒有霉變的玉米秸桿，用粉碎機粉碎至20目以下，預處理試劑為水，其添加量為玉米秸桿干重的六倍。均勻混合后置于40±2°C環境中密封保存，預處理時間為I天。
[0009]預處理后酸化，酸化需要接種物，接種物為半連續式甲烷相出料，其干物質質量百分比濃度為55%。向預處理后的玉米秸桿相對于52g TS中加入100mL-700mL的半連續式甲烷相出料，再加入自來水至反應容器總體積的80 %，均勻混合后，充入氮氣，然后用橡膠塞密封，并將藍蓋瓶固定在搖床中，搖床溫度恒定在40±2°C之間。每天定時用pH計測定pH,當pH低于5.5時，停止酸化。
[0010]半連續式甲烷化啟動。利用CSTR反應器作為厭氧反應裝置，反應體積8L。首先向反應器中加入120g TS厭氧污泥，然后加入預處理后的玉米秸桿520g TS，再加入自來水至反應裝置總體積的80%，充入氮氣，反應器溫度設定在在35±2°C之間。同時以未處理的玉米秸桿作為對照。待反應器內PH達到7時，表明半連續式甲烷化啟動完成。
[0011]半連續式甲烷化啟動完成后，以酸化的出料作為原料，每天定時進料、出料一次，進料和出料體積相等，HRT為40天，所述出料稱之為半連續式甲烷相出料。
[0012]酸化需要的半連續式甲烷相出料由于剛開始還沒有產出，采用的是其他設備已經產出的半連續式甲烷相出料，而后采用自身設備中的即可。
[0013]具體的:
[0014](I)秸桿預處理。本發明選用經過自然風干且沒有霉變的玉米秸桿，用粉碎機粉碎至20目以下，用坩禍稱取一定量的玉米秸桿，置于105°C烘箱，12小時后測定玉米秸桿TS。利用藍蓋瓶(IL)作為厭氧反應容器，反應體積0.8L，按照玉米秸桿負荷65g TS/L，首先稱取52g TS玉米秸桿。本發明預處理試劑為水(自來水)，其添加量為玉米秸桿干重的六倍(312mL)。均勻混合后置于40±2°C環境中密封保存，預處理時間為I天。
[0015](2)批式酸化。厭氧發酵過程需要接種物，本發明所用接種物為半連續式甲烷相出料，其干物質濃度為55%。向預處理后的玉米秸桿(52g TS)中加入100mL-700mL的甲烷化出料，再加入自來水至反應容器總體積的80 %，均勻混合后，充入氮氣，然后用橡膠塞密封，并將藍蓋瓶固定在搖床中，搖床溫度恒定在40±2°C之間。每天定時用pH計測定pH，當pH低于5.5時，停止酸化。
[0016](3)半連續式甲烷化啟動。利用CSTR反應器作為厭氧反應裝置，反應體積8L。首先向反應器中加入120g TS厭氧污泥，然后加入預處理后的玉米秸桿520g TS，再加入自來水至反應裝置總體積的80 %，充入氮氣，反應器溫度設定在在35 ± 2 °C之間。同時以未處理的玉米秸桿作為對照。待反應器內pH達到7時，表明甲烷化啟動完成。
[0017](4)半連續式甲烷化運行。待預處理組甲烷相和未處理組甲烷相啟動完成后，以預處理組批式酸化的出料作為預處理組的甲烷相的原料，同時以未處理組批式酸化的出料作為未處理組的甲烷相的原料。每天上午8點進料、出料一次，均為200mL，HRT為40天。每天定時測定并記錄甲烷含量和日產氣量，同時測定出料TS濃度。
[0018]本發明具有以下有益效果:
[0019]I)利用自來水在40°C時對玉米秸桿進行預處理，在減少環境污染的同時還可以提高預處理效果，增加玉米秸桿的生物降解性。
[0020]2)厭氧發酵出料被用于酸化，進行二次發酵，出料中的微生物菌群可以對玉米秸桿進行快速酸化，縮短酸化時間；二次酸化后的物料進行甲烷化時，其中的微生物菌群源于厭氧發酵出料，有助于增強厭氧系統的穩定性。
[0021]3) 二次厭氧發酵可減少沼液和沼渣排放，降低對環境的二次污染，可以提高干物質去除率和半連續式厭氧反應器的設備效率。
[0022]4)半連續式厭氧反應結束時，與未預處理組相比，預處理組的容積產氣率提高了56% -80%，達到0.70-0.81 ;甲烷含量提高了 22% -59%，達到55% -63%;玉米秸桿TS去除率提高了 46% -71%，達到60% -70%。
【具體實施方式】
[0023]實施例1:
[0024](I)秸桿預處理。本發明選用經過自然風干且沒有霉變的玉米秸桿，用粉碎機粉碎至20目以下，用坩禍稱取一定量的玉米秸桿，置于105°C烘箱，12小時后測定玉米秸桿TS。利用藍蓋瓶(IL)作為厭氧反應容器，反應體積0.8L，按照玉米秸桿負荷65g TS/L，首先稱取52g TS玉米秸桿。本發明預處理試劑為水(自來水)，其添加量為玉米秸桿干重的六倍(312mL)。均勻混合后置于40±2°C環境中密封保存，預處理時間為I天。
[0025](2)批式酸化。厭氧發酵過程需要接種物，本發明所用接種物為半連續式甲烷相出料，其干物質濃度為55%。向預處理后的玉米秸桿(52g TS)中加入10mL的甲烷化出料，再加入自來水至反應容器總體積的80 %，均勻混合后，充入氮氣，然后用橡膠塞密封，并將藍蓋瓶固定在搖床中，搖床溫度恒定在40±2°C之間。每天定時用pH計測定pH，當pH低于5.5時，停止酸化。
[0026](3)半