汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法.pdf

本发明公开了一种汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，该方法为先将秸秆切碎后装入汽爆设备中进行汽爆，得到粉末状和丝状汽爆秸秆物料，再将汽爆秸秆物料在厌氧生物气反应器中进行厌氧发酵产出生物气。本发明的方法所制得生物气中甲烷含量较高，为65％～75％。本发明具有改善木质纤维类秸秆厌氧发酵结构抑制问题、获取清洁能源、以及同时处理农村木质纤维类秸秆废弃物的多重功能。

1、  一种汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，其特征在于秸秆切碎后装入汽爆设备中进行汽爆，得到粉末状和丝状汽爆秸秆物料，再将汽爆秸秆物料在厌氧生物气反应器中进行厌氧发酵产出生物气。

2、  根据权利要求1所述的汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，其特征在于所述的秸秆选自玉米秸秆、麦秸、稻草、高粱秆、互花米草的一种或几种。

3、  根据权利要求1或2所述的汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，其特征在于所述的秸秆切碎至2cm～3cm长。

4、  根据权利要求1所述的汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，其特征在于汽爆条件为：压力1.0MPa～2.0MPa，时间60s～120s。

5、  根据权利要求4所述的汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，其特征在于汽爆条件为：压力1.5MPa，时间90s。

6、  根据权利要求1或4所述的汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，其特征在于汽爆秸秆物料厌氧发酵产气时的TS含量为4％～8％。

7、  根据权利要求1所述的汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，其特征在于汽爆秸秆物料在厌氧发酵时，接种液浓度为20％～40％，发酵温度为35℃～55℃。

8、  根据权利要求1所述的汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，其特征在于所得的生物气中甲烷的含量达65％～75％。

汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法
技术领域
本发明属于沼气能源制备方法领域，具体涉及一种木质纤维类秸秆厌氧发酵产沼气的工艺。
背景技术
能源与环境是当代人类社会和世界各国可持续发展过程中的最重要的主题。人类使用的主要能源从柴薪到煤炭、石油和天然气，再到现在的新能源包括核能，太阳能，风能和生物能等。但是当今使用量最多，比重最大的还是化石燃料，由于大量的使用化石燃料，产生了大量的有害物质，从而产生了严重的环境污染和生态破坏；同时，由于化石能源的大量开采和世界经济飞速发展和人口急剧增长，能源消耗指数大幅增长，造成了化石能源的日益匮乏。因此新能源的研究和开发是当前一大潮流和迫在眉睫的任务。
农村所产生的有机固体废弃物主要是木质纤维类的秸秆，如：水生生物(水葫芦、水花生等)、秸杆、草等。其中大部分被焚烧或者露天堆放，这样不仅浪费了资源，而且焚烧过程会造成大气污染；露天堆放，在夏天会滋生蚊蝇，增加疾病传播的几率，危害人们的身体健康。同时，秸秆在农田焚烧时，还会破坏土壤结构和生态平衡，造成土壤质量的下降。农村地区的木质纤维类秸秆废弃物问题亟待解决，而厌氧发酵产沼气是一项很有前途的技术，然而木质纤维类秸秆的木质结构的抑制作用，使得厌氧发酵产气效果不佳。在此形势下，开发出一种有效处理农村木质纤维类废弃物的工艺显得尤为紧迫。
发明内容
本发明的目的在于克服一般厌氧发酵技术和工艺中存在木质纤维秸秆抑制问题而提供一种汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的工艺。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，秸秆切碎后装入汽爆设备中进行汽爆，得到粉末状和丝状汽爆秸秆物料，再将汽爆秸秆物料在厌氧生物气反应器中进行厌氧发酵产出生物气(一种以甲烷和氢气为主要可燃成分的气体)。
本发明的方法适用于各种秸秆，但经反复实验，发现当采用玉米秸秆、麦秸、稻草、高粱秆、互花米草的一种或几种时，在本发明的汽爆条件下其汽爆的效果更佳，且得到的汽爆秸秆物料进行厌氧发酵，能够产出更加优质的生物气。秸秆在汽爆前需切碎至2cm～3cm长。
上述木质纤维类秸在汽爆时，先将材料装入汽爆罐中，在一定压力下，维持压力一定时间，然后瞬间减压释放所制得的粉末状和丝状汽爆秸秆物料。汽爆过程中需满足以下条件：压力1.0MPa～3.0MPa，时间30s～200s，压力太大或太小都会影响汽爆材料的发酵效果，时间的控制也尤为重要；汽爆条件优选为：压力1.0MPa～2.0MPa，时间60s～120s。本发明的一种最优选的条件为：压力1.5MPa，时间90s，在该条件下，上述秸秆汽爆后能与厌氧发酵相互配合而达到最佳的发酵效果。
发酵工艺中的汽爆秸秆物料TS浓度为4％～8％(质量)，接种液浓度为20％～40％(质量)，发酵过程温度设为35℃～55℃，在进行厌氧发酵时，厌氧生物气反应器可以采用全混合厌氧反应器或推流式厌氧反应器中的一种或几种。
本发明的方法所制得生物气中甲烷含量较高，为65％-75％(体积)。
本发明所述的秸秆基本成分相似，降解特性相近的原料进行汽爆处理后厌氧发酵，可达到一定的破坏木质纤维结构的目的，提高木质纤维类原料的生物降解率，从而达到提高厌氧生物气反应器能源产出率的目的。
本发明针对农村木质纤维类秸秆废弃物和能源作物的特点，将环境保护领域中的相关技术有机的结合起来，应用于农村木质纤维类秸秆废弃物污染的控制和资源化。本发明具有改善木质纤维类秸秆厌氧发酵结构抑制问题、获取清洁能源、以及同时处理农村木质纤维类秸秆废弃物的多重功能。
附图说明
图1为实施例1发酵过程中日产气量的变化曲线。
图2为实施例1发酵过程中累积产气量的变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例详细的说明本发明，实际应用过程中可以根据处理原料的不同性质和处理要求进行合理的调整和修改。
实施例1
采用汽爆处理互花米草为发酵原料，汽爆设备为河南鹤壁正道科技有限公司生产，该设备爆出阀门打开时间为0.00875s，汽爆条件为1.5MPa，压力维持时间90s。试验采用批式发酵方式进行，采用2500mL龙头罐作为厌氧反应器，物料总重1500g，TS浓度为6％，接种浓度为45％，发酵周期55d，实验两个平行。试验开始时，向反应器内充入氮气2min以驱赶反应器内的空气，用橡胶塞密封，并将其放入培养箱内，设定培养箱内温度为35℃，采用排水法收集沼气，每天定时手动摇动反应器，起到搅拌反应器内物料的作用；定期检查反应装置的气密性。
实验结果表明：在发酵前期日产气量比较大，且产气稳定，很快就达到了产气高峰期，在13天的时候达到产气高峰1545ml，甲烷含量为67.8％；累积产气量最高26425ml；而未汽爆处理的互花米草厌氧发酵对照实验在16天才达到产气高峰1045ml，甲烷含量为62.6％，累积产气量21486ml，都远低于汽爆处理的互花米草的厌氧发酵产气效果。在木质纤维结构方面，研究发现互花米草原料的结晶度为0.57，而经过1.5MPa汽爆处理的米草的结晶度为0.63；IR图谱分析可知1630cm^-1处木质素C＝O的伸缩振动特征峰，汽爆处理后的互花米草此处的峰形比互花米草原料的减弱，1510cm^-1处木质素苯环的伸缩振动峰也同样出现了减弱现象，这说明蒸汽爆破可以一定程度上破化木质纤维结构，有利于后续发酵的水解进行。
实施例2
采用汽爆处理玉米秆为发酵原料，汽爆设备为河南鹤壁正道科技有限公司生产，该设备爆出阀门打开时间为0.00875s，汽爆条件为2.0MPa，压力维持时间90s。试验采用批式发酵方式进行，采用1000mL广口瓶作为厌氧反应器，物料总重500g，TS浓度为6％，接种浓度为45％，发酵周期60d，实验两个平行。试验开始时，向反应器内充入氮气2min以驱赶反应器内的空气，用橡胶塞密封，并将其放入培养箱内，设定培养箱内温度为35℃，采用排水法收集沼气，每天定时手动摇动反应器，起到搅拌反应器内物料的作用；定期检查反应装置的气密性。
实验结果表明：在发酵前期日产气量比较小，到发酵中期逐渐升高，在31天的时候达到产气高峰890ml，甲烷含量为69.2％；累积产气量最高11919ml，单位TS产气量为397.3ml/g；而未汽爆处理的秸秆厌氧发酵对照实验发酵前期出现酸化现象，经过添加缓冲液调整后，在41天才达到产气高峰625ml，甲烷含量为59.8％，累积产气量9891ml，单位TS产气量为329.7ml/g，都远低于汽爆处理的秸秆的厌氧发酵产气效果。