本發(fā)明屬于生物質(zhì)利用，具體涉及一種原位改性生物炭強(qiáng)化厭氧發(fā)酵制備甲烷的方法。

背景技術(shù)：

1、目前，國內(nèi)生物質(zhì)利用工程的典型方式之一，就是利用秸稈和畜禽糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，然后經(jīng)提質(zhì)純化為符合標(biāo)準(zhǔn)的生物天然氣，其甲烷濃度在97%以上，能夠滿足天然氣的供應(yīng)要求。這不僅處理了農(nóng)村面源污染，又有利于能源的可持續(xù)綠色發(fā)展。

2、在上述厭氧發(fā)酵過程中，有機(jī)酸是重要的中間產(chǎn)物，比如乙酸和丁酸，可以作為碳源和能量源被微生物利用。通過乙酸、丁酸代謝途徑（化學(xué)反應(yīng)如式a和式b所示），將乙酸、丁酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶a（acetyl-coa）和氫氣，進(jìn)入tca循環(huán)，能夠提供能量和前體物質(zhì)。

3、ch3cooh→2h2+co2（式a）；

4、ch3ch2ch2cooh→2h2+2co2+c2h4（式b）。

5、這樣可以降低發(fā)酵體系的ph值，提供有助于產(chǎn)氫菌生長（如產(chǎn)氫丁酸桿菌，clostridium?butyricum）的酸性環(huán)境。但是，現(xiàn)有的厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的產(chǎn)氣量并不理想，并且甲烷含量還有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種原位改性生物炭強(qiáng)化厭氧發(fā)酵制備甲烷的方法，本發(fā)明提供的方法提高了厭氧發(fā)酵制備甲烷的產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷含量。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種原位改性生物炭強(qiáng)化厭氧發(fā)酵制備甲烷的方法，包括以下步驟：

4、將生物炭加入?yún)捬醢l(fā)酵水解酸化體系進(jìn)行原位改性，得到原位改性生物炭；

5、將所述原位改性生物炭加入?yún)捬醢l(fā)酵產(chǎn)甲烷體系進(jìn)行厭氧發(fā)酵，得到甲烷。

6、優(yōu)選的，所述生物炭的添加量為厭氧發(fā)酵水解酸化體系的進(jìn)料體積的5~10%。

7、優(yōu)選的，所述原位改性的ph值為5~5.5，溫度為36~38?℃，總改性時間為20~60?d；所述原位改性在攪拌條件中進(jìn)行，所述攪拌為間隔攪拌，所述間隔攪拌的間隔時間和攪拌時間獨(dú)立地為25~30?min；所述攪拌的轉(zhuǎn)速為600~1000rpm。

8、優(yōu)選的，所述原位改性生物炭的微孔孔徑為2~7?nm，大孔孔徑為50~300?nm，孔隙度為75~85%，比表面積為200~400m2/g，官能團(tuán)接枝率為40~60%，多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)接枝率為15~25%，石墨化程度為15~30%。

9、優(yōu)選的，所述原位改性生物炭與厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷體系的進(jìn)料量的質(zhì)量比為5~10:100。

10、優(yōu)選的，所述厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷體系的溫度為36~38?℃，總發(fā)酵時間為30~60?d；所述厭氧發(fā)酵在攪拌條件中進(jìn)行，所述攪拌為間隔攪拌，所述間隔攪拌的間隔時間和攪拌時間獨(dú)立地為25~30?min；所述攪拌的轉(zhuǎn)速為600~1000?rpm。

11、優(yōu)選的，所述生物炭為磁性生物炭；所述磁性生物炭的制備方法為：將農(nóng)作物殘體和磁性物質(zhì)混合后水熱炭化。

12、優(yōu)選的，所述農(nóng)作物殘體和磁性物質(zhì)的質(zhì)量比為1~5:1。

13、優(yōu)選的，所述水熱炭化包括依次進(jìn)行升溫階段和保溫階段；所述升溫階段的升溫速率為5~10?℃/min；所述保溫階段的溫度為180~300?℃，保溫時間為1~3h。

14、優(yōu)選的，所述厭氧發(fā)酵后還包括后處理，所述后處理為：將原位改性生物炭分離后作為生物炭重復(fù)利用。

15、本發(fā)明提供了一種原位改性生物炭強(qiáng)化厭氧發(fā)酵制備甲烷的方法。本發(fā)明通過在厭氧發(fā)酵水解酸化體系中添加生物炭，生物炭有助于增強(qiáng)種間電子傳遞能力（diet），促進(jìn)水解酸化的同時，利用厭氧發(fā)酵過程中自行產(chǎn)生的有機(jī)酸（乙酸和丁酸等）對生物炭進(jìn)行原位改性，原位改性的生物炭能夠促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷產(chǎn)氣提質(zhì)，進(jìn)而提升了產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷含量，同時簡便高效地實(shí)現(xiàn)了酸化改性生物炭。本發(fā)明充分利用生物炭易于負(fù)載和改性的特性，結(jié)合厭氧發(fā)酵技術(shù)不同階段的不同特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對生物炭酸化原位改性并促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷產(chǎn)氣提質(zhì)。

技術(shù)特征：

1.一種原位改性生物炭強(qiáng)化厭氧發(fā)酵制備甲烷的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物炭的添加量為厭氧發(fā)酵水解酸化體系的進(jìn)料體積的5~10%。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述原位改性的ph值為5~5.5，溫度為36~38?℃，總改性時間為20~60?d；所述原位改性在攪拌條件中進(jìn)行，所述攪拌為間隔攪拌，所述間隔攪拌的間隔時間和攪拌時間獨(dú)立地為25~30?min；所述攪拌的轉(zhuǎn)速為600~1000rpm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述原位改性生物炭的微孔孔徑為2~7nm，大孔孔徑為50~300?nm，孔隙度為75~85%，比表面積為200~400m2/g，官能團(tuán)接枝率為40~60%，多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)接枝率為15~25%，石墨化程度為15~30%。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述原位改性生物炭與厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷體系的進(jìn)料量的質(zhì)量比為5~10:100。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷體系的溫度為36~38℃，總發(fā)酵時間為30~60?d；所述厭氧發(fā)酵在攪拌條件中進(jìn)行，所述攪拌為間隔攪拌，所述間隔攪拌的間隔時間和攪拌時間獨(dú)立地為25~30?min；所述攪拌的轉(zhuǎn)速為600~1000?rpm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述生物炭為磁性生物炭；所述磁性生物炭的制備方法為：將農(nóng)作物殘體和磁性物質(zhì)混合后水熱炭化。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述農(nóng)作物殘體和磁性物質(zhì)的質(zhì)量比為1~5:1。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述水熱炭化包括依次進(jìn)行升溫階段和保溫階段；所述升溫階段的升溫速率為5~10?℃/min；所述保溫階段的溫度為180~300?℃，保溫時間為1~3?h。

10.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述厭氧發(fā)酵后還包括后處理，所述后處理為：將原位改性生物炭分離后作為生物炭重復(fù)利用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于生物質(zhì)利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種原位改性生物炭強(qiáng)化厭氧發(fā)酵制備甲烷的方法。本發(fā)明通過在厭氧發(fā)酵水解酸化體系中添加生物炭，生物炭有助于增強(qiáng)種間電子傳遞能力（DIET），促進(jìn)水解酸化的同時，利用厭氧發(fā)酵過程中自行產(chǎn)生的有機(jī)酸（乙酸和丁酸等）對生物炭進(jìn)行原位改性，原位改性的生物炭能夠促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷產(chǎn)氣提質(zhì)，進(jìn)而提升了產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷含量，同時簡便高效地實(shí)現(xiàn)了酸化改性生物炭。本發(fā)明充分利用生物炭易于負(fù)載和改性的特性，結(jié)合厭氧發(fā)酵技術(shù)不同階段的不同特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對生物炭酸化原位改性并促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷產(chǎn)氣提質(zhì)。

技術(shù)研發(fā)人員：申瑞霞,劉杰,趙立欣,姚宗路,馮晶,于佳動,羅娟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17