專利名稱：一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生物質能源利用領域的方法，尤其是涉及一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法。
背景技術：
2008年上海市郊區(qū)蘆筍年產量達3000噸，蘆筍廢棄秸稈產量1000噸。與其他蔬菜、作物秸稈等農業(yè)廢棄物存在的環(huán)境污染問題相似，大量蘆筍秸稈廢棄物被隨意堆放在田間道路兩旁，自然堆慪發(fā)酵，散發(fā)有味氣體，成為影響農戶生產生活環(huán)境的有毒垃圾，因此，以蘆筍秸稈為代表的種植業(yè)廢棄物資源化處理問題迫在眉睫。蘆筍生產過程中產生的生物質類廢棄物主要有地下根狀莖(營養(yǎng)器官)和地上莖稈(光合器官)，新鮮蘆筍秸稈含水量80%以上，自然風干后莖稈含水量10%-15%。它們的主要成分為總糖、蛋白質、脂肪、半纖維素、纖維素、木質素及其它礦物質營養(yǎng)成分。因此從另一方面來看，這些生物質類廢棄物具有相對較高的生物降解性，同時通常不含有其他有毒有害物質，相對集中，不易和生活垃圾等混合，可以實現(xiàn)單獨收集處理。因此，對以蘆筍秸稈為代表的種植業(yè)廢棄物進行生態(tài)能源化利用是既解決污染問題又變廢棄物為資源的理想選擇。目前對種植類生物質廢棄物生態(tài)能源化利用的方式主要有燃料成型、生物乙醇、生物柴油、生物質熱裂解、生物制氫及沼氣化利用等方式。其中，沼氣是一種無污染的生物能源，沼氣燃燒后的產物是二氧化碳和水，不污染空氣，不危害農作物和人體健康，可以直接炊事、照明，也可以供熱、發(fā)電、烘干、貯糧；沼氣發(fā)酵后的殘余物可以用于農田施肥和生物農藥，實現(xiàn)環(huán)境零排放。沼氣是成分復雜的混合氣體，主要的成分由甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)組成，其中甲烷體積占60% 70%，二氧化碳體積占30% 40%。Im3甲烷氣體完全燃燒釋放熱量9460Kcal，Im3沼氣完全燃燒可放出熱量5500 6500Kcal，相當于0. 7Kg汽油或4. 5Kg煤炭燃燒釋放的能量。目前針對農作物種植廢棄物、養(yǎng)殖業(yè)禽畜糞便、食品工業(yè)廢水等的厭氧發(fā)酵制沼技術已比較成熟。雖然秸稈類農業(yè)廢棄物在理論上存在沼氣化利用的可能性，但是由于其特殊的組成，有機成分主要以纖維素、半纖維素和木質素為主，其復雜的分子結構和纖維素的結晶區(qū)阻礙纖維素酶的進入，使得好氧生物降解過程非常緩慢，更不易被厭氧菌消化，碳素難以釋放，造成厭氧發(fā)酵產氣量低、經(jīng)濟效益差，導致秸稈大規(guī)模沼氣生產存在困難。針對這一問題，主要是通過各種預處理方法對秸稈類材料進行前期預處理，破化木質纖維素的結構，提高其分解效率。微生物利用纖維素之前，必須把它從木質素和半纖維素包裹中釋放出來，解決方法就是在厭氧發(fā)酵前，對秸稈進行預處理，以提高秸稈的生物消化性能、產氣率和經(jīng)濟性。其中，利用化學試劑破壞細胞壁中木質纖維素共價鍵，為后續(xù)微生物作用做準備，包括酸處理、堿處理(NaOH、Κ0Η、尿素、氨水等)、氧化處理(H202、SO2、次氯酸鹽等)等。該法可使纖維素、半纖維素和木質素膨脹并破壞其結晶性，使天然纖維素溶解并降解，從而增加其可消化性。堿處理法是利用NaOH、Ca (OH)2, KOH或氨溶液等溶液浸泡或噴灑于原料表面，以打開纖維素、半纖維素和木質素之間的酯鍵，溶解纖維素、半纖維素和一部分木質素及硅酸鹽，使纖維素膨脹，從而便于酶水解的進行，提高消化率。近年來人們比較重視用堿溶液處理的方法，尤其是NaOH堿處理，因為NaOH有較強的脫木質素和降低結晶度的作用。Hamilton等人發(fā)現(xiàn)用NaOH和可溶性木質素和半纖維素釋放底物可以提高纖維素底轉化率。Nicoletta等使用1 % NaOH處理稻草秸稈24h后，半纖維素可溶性增加，原料變得更易進行生化反應，再使用1 % NaOH和0-3%的H2A處理24h后，木質素可溶性增加。MahendraSingh等人研究表明用0，3. 3，6. 7，10%的NaOH (相對干物質添加量)溶液噴灑到麥秸上，其有機物質消化率為53%，63%，63%，62%。Lin等使用8gNa0H/100gTS原料對水果/廢紙渣進行預處理后沼氣發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)預處理使原料空隙度和纖維長度減小，沼氣發(fā)酵中甲烷產量是不經(jīng)預處理對照組的1. 84倍。B. G. Ololade的研究結果表明室溫條件下，玉米秸稈經(jīng)NaOH處理M小時后，有機物消化率隨NaOH添加量提高而提高，NaOH相對干物質添加量為8%時，玉米秸稈的干物質消化率為21. 5%。但當NaOH添加量超過8%時，該變化趨勢不明顯；Suresh Chandra等人的研究也進一步說明，當NaOH添加量超過10%時，其干物質消化率并不成明顯上升趨勢。Andrew等人的研究結果表明當NaOH添加量為10%時，纖維素的降解最大。D. Craig Anderson等人研究了不同的堿化處理方法，結果表明NaOH添加量越高，干物質損失率越大，但當NaOH添加量超過8%時，該變化趨勢不明顯。Mingxia Zheng等人在濕度88%，溫度20°C的條件下對玉米芯進行3d的NaOH預處理，結果表明潮濕條件下NaOH預處理后沼氣發(fā)酵的總產氣量和甲烷含量比干燥條件下預處理的組分別高72. 9%和73.4%,消化時間縮短86%, NaOH用量減少66. 7%0經(jīng)過對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前大多采用NaOH對糧食作物的秸稈進行預處理后制取沼氣，而對蘆筍類蔬菜種植過程中產生的廢棄物進行堿性預處理并且制取沼氣的研究尚未發(fā)現(xiàn)報導。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種實現(xiàn)了循環(huán)再利用、工藝簡單易行的NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，包括以下步驟(1)蘆筍秸稈采收于蘆筍種植過程中收集春季產生的地下根狀莖部分和秋季產生的地上莖桿，平攤空地之上自然風干；(2)粉碎對自然風干后的蘆筍秸稈進行粉碎，粉碎后的蘆筍秸稈粉料的粒徑為0. Icm 5cm ；(3)接種污泥的準備將接種污泥使用步驟(2)所得的蘆筍秸稈粉料馴化3個月；(4) NaOH預處理向蘆筍秸稈粉料添同等質量的NaOH溶液，攪拌均勻后，于室溫下密閉處理5 25天，得到發(fā)酵原料蘆筍秸稈；(5)添加接種污泥將發(fā)酵原料蘆筍秸稈投入沼氣發(fā)酵裝置中，加入步驟C3)所得接種污泥和水并且混合均勻，得到發(fā)酵混合物；
(6) PH調節(jié)控制步驟(5)所得發(fā)酵混合物PH值為7. 0 7. 5 ；(7)沼氣發(fā)酵封閉發(fā)酵裝置，控制反應溫度在30 45°C，實時攪拌，振蕩，進行完全混合濕式發(fā)酵反應產氣，經(jīng)過1 2天產生沼氣，即目標產品，發(fā)酵20 60天，蘆筍秸稈中的可降解的有機物質基本被微生物的作用轉化為沼氣。步驟O)中所述的蘆筍秸稈采用揉搓式飼料粉碎機或相等作用的粉碎裝置進行粉碎。步驟(3)中所述的接種污泥取自大、中或小型沼氣工程系統(tǒng)正常發(fā)酵的發(fā)酵殘余物，或污水處理廠正常發(fā)酵得到的顆粒污泥。 步驟⑷中所述的NaOH溶液質量濃度為2 % 6 %。步驟⑷中所述的NaOH預處理的處理溫度為M 26V。步驟(5)中所述的接種污泥和水加入量為控制接種污泥的加入量占全部反應物料質量的比率為20% 50%，發(fā)酵混合物的總固體含量為6% 10%。步驟(6)中所述的pH調節(jié)采用0. 2 0. 6mol/L的乙酸或鹽酸。步驟(7)中所述的反應溫度優(yōu)選35 38°C。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明充分實現(xiàn)了蘆筍種植過程中產生的農業(yè)廢棄物的資源化、減量化和無害化的利用，將構成環(huán)境污染的廢棄物轉化成為沼氣資源，工藝簡單易行，實現(xiàn)了循環(huán)再利用過程。通過將農業(yè)廢棄物經(jīng)過NaOH預處理，破壞了木質纖維素內部組織，將纖維素從木質素和半纖維素包裹中釋放出來，加速了纖維素的降解，提高了蘆筍秸稈的生物消化性能、產氣潛力、經(jīng)濟性和可行性。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，前幾步方法均相同，采用如下的步驟①蘆筍秸稈采收于蘆筍種植過程中收集春季產生的地下根狀莖部分和秋季產生的地上莖桿，平攤空地之上自然風干，使之便于機械粉碎。②粉碎對步驟①所得蘆筍秸稈進行粉碎，使之粒徑大約分布在0. lcm-5cm0③接種污泥的準備將接種污泥使用步驟②所得的蘆筍秸稈馴化3個月。使用的蘆筍秸稈理化特性如表1所示，接種用的污泥理化特性如表2所示。表1蘆筍秸稈理化特性(質量分數(shù))
權利要求
1.一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)蘆筍秸稈采收于蘆筍種植過程中收集春季產生的地下根狀莖部分和秋季產生的地上莖桿，平攤空地之上自然風干；(2)粉碎對自然風干后的蘆筍秸稈進行粉碎，粉碎后的蘆筍秸稈粉料的粒徑為0. Icm 5cm ；(3)接種污泥的準備將接種污泥使用步驟( 所得的蘆筍秸稈粉料馴化3個月；(4)NaOH預處理向蘆筍秸稈粉料添同等質量的NaOH溶液，攪拌均勻后，于室溫下密閉處理5 25天，得到發(fā)酵原料蘆筍秸稈；(5)添加接種污泥將發(fā)酵原料蘆筍秸稈投入沼氣發(fā)酵裝置中，加入步驟( 所得接種污泥和水并且混合均勻，得到發(fā)酵混合物；(6)pH調節(jié)控制步驟(5)所得發(fā)酵混合物pH值為7.0 7. 5(7)沼氣發(fā)酵封閉發(fā)酵裝置，控制反應溫度在30 45°C，實時攪拌，振蕩，進行完全混合濕式發(fā)酵反應產氣，經(jīng)過1 2天產生沼氣，即目標產品，發(fā)酵20 60天，蘆筍秸稈中的可降解的有機物質基本被微生物的作用轉化為沼氣。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟O)中所述的蘆筍秸稈采用揉搓式飼料粉碎機或相等作用的粉碎裝置進行粉碎。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(3)中所述的接種污泥取自大、中或小型沼氣工程系統(tǒng)正常發(fā)酵的發(fā)酵殘余物，或污水處理廠正常發(fā)酵得到的顆粒污泥。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟中所述的NaOH溶液質量濃度為2% 6%。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(4)中所述的NaOH預處理的處理溫度為M 。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(5)中所述的接種污泥和水加入量為控制接種污泥的加入量占全部反應物料質量的比率為20% 50%，發(fā)酵混合物的總固體含量為6% 10%。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(6)中所述的pH調節(jié)采用0. 2 0. 6mol/L的乙酸或鹽酸。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，其特征在于，步驟(7)中所述的反應溫度優(yōu)選35 38°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種NaOH預處理蘆筍秸稈制取沼氣的方法，該方法包括蘆筍秸稈采收、粉碎、接種污泥的準備、NaOH預處理、pH調節(jié)及沼氣發(fā)酵等七個步驟，蘆筍秸稈中的可降解的有機物質被微生物的作用轉化為沼氣。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明將農業(yè)廢棄物經(jīng)過NaOH預處理，破壞了木質纖維素內部組織，將纖維素從木質素和半纖維素包裹中釋放出來，加速了纖維素的降解，提高了蘆筍秸稈的生物消化性能、產氣潛力、經(jīng)濟性和可行性。
文檔編號C12P5/02GK102367458SQ20111034269
公開日2012年3月7日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權日2011年11月3日
發(fā)明者劉榮厚, 吳小武, 孫辰, 尹仁湛, 曹衛(wèi)星 申請人:上海交通大學