定向酸化預處理提高玉米秸稈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，是一種定向酸化預處理的方式提高玉米秸桿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。有一些科研工作者致力于將秸桿應用物理方法、化學方法以及生物方法或組合方法的預處理技術的研宄，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。
[0004]厭氧消化產甲烷過程是一個很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。而在厭氧消化過程中，發揮作用的微生物種群主要是產酸菌和產甲烷菌，兩者所需的生存條件恰好相反，產酸菌種類多，世代時間短，增長快對環境條件適宜性強；甲烷菌種類少，世代時間長，專一性強，對環境條件苛刻，如果將兩者分開放入兩個反應器中，分別調節到各自合適的生存環境，則能夠提高厭氧消化的效率。因此，本發明遵循廢物資源化的原則，圍繞生物相分離思路構建了兩段式厭氧發酵系統，同時選用兩種工藝方式對玉米秸桿進行厭氧消化試驗，既第一階段(水解/酸化)采用批式處理方法，而第二階段采用(生物質轉化)半連續式工藝方法，以尋求達到最大甲烷產率，從而提高反應器的處理效率。由于生物相的分離有效緩解了產酸過程和產甲烷過程的惡性競爭機制，同時對促進產酸相底物降解速率及產甲烷相穩定高效運行均具有積極的作用，為秸桿纖維類物質沼氣規模化生產提供一定的技術支持及理論參考。
[0005]為解決可以在低污染、溫和的操作條件下，高效預處理玉米秸桿的技術難題，意在提供一種能夠有效提高玉米秸桿的產氣性能，為玉米秸桿的充分利用開辟新途徑。本發明采用不同工藝條件下的生物相分離技術，同時對玉米秸桿進行不同預處理，以總甲烷產量為產氣性能指標，確定最佳處理條件。本發明操作條件溫和，對反應器的抗壓和抗腐蝕性要求不高，成本低，操作簡單，效率高，無污染，可以改善玉米秸桿的生物降解性，顯著提高厭氧消化沼氣產量的效果，同時有效降低預處理過程對環境的影響。
【發明內容】
[0006]本發明利用定向酸化預處理的方式，可以明顯降低酸化階段出料的pH，提高玉米秸桿在產甲烷階段的產氣性能。
[0007]定向酸化預處理提高玉米秸桿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目以下然后預處理，預處理試劑為氫氧化鈉，其添加量為玉米秸桿干重的2 %，然后加入一定質量的水使之與氫氧化鈉溶液中的水和玉米秸桿中所含的水的總質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，酸化過程需要活性污泥來自污水處理廠，向預處理后的玉米秸桿中加入活性污泥，相對52g TS玉米秸桿加入10g-50g TS活性污泥，再加入自來水至反應容器總體積的80%，均勾混合后，充入氮氣后密封固定在搖床中，搖床溫度恒定在40±2°C之間；每天定時用pH計測定pH，pH低于5.5時，停止酸化；
[0010]利用CSTR反應器作為厭氧反應裝置，向厭氧反應裝置中加入厭氧污泥，然后加入預處理后的玉米秸桿，玉米秸桿相對于12g厭氧污泥加入量為52g 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；待反應器內pH達到7時，表明甲火元化啟動完成；
[0011]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。
[0012]更具體的:
[0013](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，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氫氧化鈉，其添加量為玉米秸桿干重的2%，然后加入一定質量的水使之與氫氧化鈉溶液中的水和玉米秸桿中所含的水的總質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。
[0014](2)酸化方法。厭氧發酵過程需要接種物(活性污泥)，活性污泥來自污水處理廠，包含有大量厭氧微生物菌群，活性污泥需要沉降一周以上，其干物質濃度為8%。向預處理后的玉米秸桿(52g TS)中加入10g-50g TS活性污泥，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。同時以未處理的玉米稻桿作為對照。每天定時用pH計測定pH，第7天時，pH低于5.5時，停止酸化。
[0015](3)半連續式甲烷相啟動。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。
[0016](4)半連續式甲烷相運行。待預處理組甲烷相和未處理組甲烷相啟動完成后，以預處理組的批式酸化的出料作為預處理組的甲烷相的原料，同時以未處理組的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。
[0017]本發明具有以下有益效果:
[0018]I)本發明在較高的溫度(40°C )下利用氫氧化鈉預處理玉米秸桿，微生物活性較高，生長速率快，可以快速地降解有機質，縮短預處理時間并且快速啟動厭氧酸化反應。
[0019]2)本發明利用不同工藝方式實現了生物學上的酸化階段和甲烷階段的分離，增強了酸化菌群和產甲烷菌群在各自階段的作用，有利于酸化相和產甲烷相的穩定、高效運行。
[0020]3)與未經過預處理的半連續式甲烷化相比，預處理后的半連續式甲烷化容積產氣率提高了 50% -98%，平均甲烷含量提高了 22% -39%，TS去除率提高了 28% -83%，玉米秸桿生物降解性和產氣性能均有較大提高，明顯提高半連續式厭氧反應器的設備效率。
【具體實施方式】
[0021]實施例1:
[0022](I)秸桿預處理
[0023]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，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氫氧化鈉，其添加量為玉米稻桿干重的2%，然后加入308.68暈升水使之與玉米稻桿中所含的水(3.32暈升)的總質量為玉米稻桿干重的6倍(312暈升)。40 °C下密封保存I天進行預處理。
[0024](2)酸化方法
[0025]厭氧發酵過程需要接種物(活性污泥)，活性污泥來自污水處理廠，包含有大量厭氧微生物菌群，活性污泥需要沉降一周以上，其干物質濃度為8%。向預處理后的玉米秸桿(52g TS)中加入1g TS活性污泥，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。同時設置一組未經過預處理的玉米秸桿作為對照。每天定時用PH計測定pH，第7天時，pH低于5.5時，停止酸化。
[0026](3)半連續式甲烷相啟動
[0027]