专利名称：生物质预处理方法及生物质厌氧发酵制沼气的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明属于固体废物处理与资源化领域技术。特别是生物质预处理方法及生物质厌氧发酵制沼气的方法与设备。
背景技术：
在农业生产过程中产生大量秸秆，树木产品制作过程中产生大量的锯末树皮及边角料等生物质废物，尤其是农业秸秆常被作为废物就地焚烧污染环境。另一方面，生物质中又含有大量的有机物，是丰富的资源，有关生物质的资源化已有很多探索。其中，要制成纯度高的产品则往往成本高，难于实用。而作为燃料直接燃烧，小规模则易污染，大规模则由于能量密度低，难于高效率利用。在农村的农户将其直接进行厌氧发酵生产沼气，虽简单易行，但因速度慢且转化率低，所以难于实现规模化处理和利用。而要实现规模化厌氧发酵制沼气，则需解决转化率低，速度慢和所产生废液的处理问题。要解决这些问题就必须进行预处理和高效发酵。传统的预处理有酸解，碱解与水热反应等，但一般都成本较高，且所加入的化学药剂对后续的残渣利用带来不良影响。由于甲烷发酵的菌体繁殖速度慢，传统的秸秆发酵过程中又难于将菌体与排出物分离，从而很难使菌体在反应器中保持高浓度，所以，致使发酵速度慢，反应器的容积效率低。
因此，探索包括植物秸秆在内的生物质高效可综合利用的厌氧发酵制沼气的预处理方法和设备，对于开拓生物质的利用途径，从工程角度实现其资源化具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供将木材，植物秸秆等生物质高效厌氧发酵制取沼气，并使其综合利用不产生废物的生物质预处理方法及生物质厌氧发酵制沼气的方法与设备，该发明具有高效率不产生废物的特点。
本发明是通过下述技术方案加以实现的。一种秸秆等生物质厌氧发酵制沼气的预处理方法，其特征是至少包括如下步骤
1) 将生物质处理成3 40mm的短节；
2) 将短节在水温15 8(TC中浸泡15 90分钟；
3) 将所浸泡后的短节撕碎成碎片；
4) 将所撕碎成的碎片在加热或加热加压的条件下进行水热反应；
5) 将水热反应后的秸秆进行压搾得到糖化液和糖化渣。
通过所述预处理得到易于发酵的糖化液和糖化秸秆渣，为后续的厌氧发酵制取沼气的高转化率，快速进行奠定了基础。秸秆的浸润在水温15 8(TC条件下进行，不仅浸润速度加快，也能提高浸润效果。
所述秸秆厌氧发酵制沼气的预处理方法中所述的步骤3)用相对线速度不同的两个转辊实现，所用设备至少由线速度不同的两个圆辊，电动机，机壳及物料的进口和出口组成。通过这种相对线速度不同的两个转辊将膨润的秸秆用很小的动力将其撕裂，大幅提高了比表面积，但又不被粉碎，便于后续的固液分离。而且在湿状态下的撕碎效果要优于干状态。
所述秸秆厌氧发酵制沼气的预处理方法中所述的步骤4)的过程中按达到总重量(该总重量是包括生物质、水和酸的所有物质，本发明都简称为总重量)的0.05 1.0%比例加入硝酸，并在80 18(TC，反应10 120分钟。加入硝酸提高了水热反应的效果，同时也不会对后续发酵沼渣的肥料利用产生不利影响。
所述秸秆厌氧发酵制沼气的预处理方法中的步骤5)所用设备，其特征在于所采用的压搾机由两个旋转的圆辊组成，该圆辊上开有沟槽，沟槽内开有贯通圆辊壁通向圆辊内侧的孔或不开沟槽和孔，或在辊上只开孔不开沟槽；或该压榨机是螺旋压滤机；或该压榨机是皮带压滤机。通过这些压搾装置能够很好地将预处理后的秸秆固液分离，以便后续发酵。
所述秸秆厌氧发酵制沼气的预处理方法中的步骤3)得到的撕碎后的秸秆在超声波装置中按达到总重量的O. 05 1. 0%比例加入硝酸等无机酸，在超声波密度为O. 2 3. 0W/cm2的条件下，作用时间20 300秒后再进行步骤4)和5)的反应。在超声波的作用下，硝酸等无机酸能够很快地渗透到秸秆内部，为后续的水热反应奠定基础。
所述秸秆厌氧发酵制沼气的预处理方法中步骤2)就按达到总重量的O. 05 1. 0%比例加入硝酸等无机酸。在加入水的同时加入硝酸，虽对装置的防腐要求提高，增加了装置材质的成本，但简化了操作程序。
所述秸秆厌氧发酵制沼气的预处理方法中所述添加的酸为硝酸或盐酸或硫酸或磷酸，或硝酸，盐酸，硫酸或磷酸的各种混合酸。加入酸提高水解的效果，各种酸如配比适当则可减
5轻一种离子的浓度，既能保证水解效果又能避免单种离子浓度过高。
所述预处理压搾得到的糖化液进行甲烷发酵，该发酵完毕后的发酵液返送到所述的预处理工程2)或4)或前述的超声波处理工序，对其进一步再分解。这样使得发酵液中的难降解物被预处理过程分解变成生物易降解物质，在后续的循环过程中被生物分解，实现了液体的循环而又无生物难降解物的积累。
所述预处理得到的糖化秸秆渣不经发酵直接作肥料使用；或进行甲烷发酵，发酵后，采用压搾设备压搾，压搾之后发酵渣排出作肥料使用，同时液体返送回预处理工序2)或4)或超声波处理工序，对其进一步再分解；发酵后不压搾，全部作肥料使用。
所述的预处理得到的糖化液经甲烷发酵后，发酵液的一部分，加入到前述糖化秸秆渣甲烷发酵系统中。通过糖化液的发酵液加入糖化秸秆渣发酵系统使得渣的发酵系统中补充了厌氧菌，加快渣的发酵速度。
以上为叙述简洁起见，主要以秸秆为代表叙述了本发明中生物质的预处理与发酵内容，而在本发明中，生物质包括农作物秸秆，树木材料，杂木，杂草类等植物类的材料，所述秸秆的内容也包括了树木材料，杂木，杂草类等植物类的材料。
本发明通过秸秆的预处理提高了其生物可降解性，加快了发酵速度。通过预处理后的固体和液体的分别发酵大大提高了发酵效率，通过发酵液的再次水热反应循环发酵，避免了大量废液的排放，整个系统高效运行，并大幅提高了生物质的转化率。
图1为本发明实施例1的流程示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明实施例l.
如图1所示，将生物质l (本例中为玉米秸秆)经破碎机(图中未表示)破碎到20mm，送入浸润槽2，按秸秆重量含量25%的比例加入水3，在45'C下浸泡1小时。之后将其送入撕碎机4，在两个线速度不同的圆辊的作用下，将浸润的秸秆撕成薄片后，送入超声波渗透器5，并按达到总重量0.65%的比例加入硝酸(图中6)，超声波作用2.5分钟。之后送入水热反应器7
6，138'C条件下进行1小时的水热反应，将秸秆分解成生物易分解物质。水热反应后的物料送入压搾机8 ，将其分离成糖化液9和糖化秸秆渣14。糖化液9送入酸发酵罐10将生物易降解物发酵生成有机酸后送入甲烷发酵罐ll进行甲烷发酵，产生的沼气12送往净化工序和用户。发酵液根据具体情况分别作为13a返送回浸润槽2作浸润液体使用，返送到超声波渗透槽作为稀释液13b使用，返送到水热反应器作调节液13c使用，作为13d与糖化渣混合送到糖化秸秆渣厌氧发酵罐15进行厌氧发酵。糖化秸秆渣发酵后送入压搾机16分离出液体后，该液体分别以17a， 17b， 17c送入浸润槽2，超声波渗透器5和水热反应罐7循环利用和分解。压搾机16分离出液体后的发酵渣18作肥料使用。超声波能量密度为1.0W/cm2。水热反应后的秸秆在压搾前先简单滤水(图中未表示)，再进行压搾，滤水得到的液体和压搾得到的液体混合作为糖化液使用。压搾机为两个旋转的圆辊组成，该圆辊上开有沟槽，沟槽内开有贯通圆辊壁通向圆辊内侧的孔。玉米秸秆糖化液可在48小时以内发酵完成，反应器内可达到20kg-C0D/(m3 d)以上，秸秆转化率69%。与不经水热反应相比，秸秆转化率提高30%，发酵速度提高2倍以上，液相发酵的容积负荷提高3倍以上。实施例2:
处理系统如图l所示，所不同的是用小麦秸秆(切碎到40mm)与木材锯末的混合物(按重量比，小麦秸秆:木材锯末为2:1)将其送入浸润槽，并在浸润槽中就按达到总重量O. 2%的比例加入硝酸和按总重量比0.05%的比例加入磷酸，在8(TC，浸润15分钟，再在超声波能量密度1.0W/cm2下作用45秒钟，然后18(TC进行水热反应10分钟。预处理物的压榨机为皮带压滤机。糖化渣发酵后不经压搾直接作肥料使用。生物质转化率为52%。与不经水热反应相比，发酵速度提高2倍以上，液相发酵的容积负荷提高2倍以上。
实施例3:
将破碎到10mm的水稻秸秆与3mm的木薯秆(按重量比，水稻秸秆木薯秆为2:1)送入如图l所示系统的浸润槽，进行水热反应和甲烷发酵。所不同的是在浸润槽内按达到总重量0.2%的比例加入硝酸，0.05%的比例加入硫酸，0.01%的比例加入盐酸，0.02%的比例加入磷酸，在6(TC下浸润2h，经撕碎后，在超声波能量密度为3W/cm2的条件下，作用20秒钟。水热反应温度为13(TC，时间2小时。压搾用螺旋压滤机。糖化渣不经发酵直接作肥料使用。液相反应器内可达到18kg-C0D/(m3 d)以上，生物质转化率达到66%，与混合发酵相比较，液相
7发酵容积负荷提高2. 5倍以上。实施例4:
将破碎到35mm的玉米秸秆送入如图l所示系统的浸润槽，按达到总重量O. 6%的比例加入硝酸，0. 1%的比例加入磷酸，0.05%的比例加入硫酸，0.05%的比例加入盐酸，4(TC浸润1.5小时。经撕碎后，不经超声波作用直接进行水热反应在15(TC，时间2小时后用圆辊上开有沟槽，沟槽内开有贯通圆辊壁通向圆辊内侧的孔的压搾机压搾出糖化液后，进行液相酸化和甲烷发酵。糖化渣中加入糖化液的发酵液后进行甲烷发酵，发酵渣再通过螺旋压搾机压搾出液体返送到浸润槽循环分解，发酵渣作肥料使用。生物质转化率达到68%以上。
实施例5:
将破碎到35mm的玉米秸秆送入如图1所示系统的浸润槽，按达到总重量1. 0%的比例加入硝酸，4(TC浸润1.5小时，经撕碎后，在超声波能量密度为2.8W/cm2的条件下，作用3分钟。之后在8(TC，水热反应2小时。之后用圆辊上开有贯通圆辊壁通向圆辊内侧的孔的压榨机压搾出糖化液后，进行液相酸化和液相甲烷发酵。糖化渣中加入糖化液的发酵液后进行甲烷发酵，发酵渣再通过螺旋压搾机压搾出液体返送到浸润槽循环分解，发酵渣作肥料使用。生物质转化率达到60%。
实施例6:
将破碎到20mm的玉米秸秆和水稻秸秆，按重量比2: l送入如图l所示系统的浸润槽，在15-18。C下浸泡1.5小时后，经撕碎机撕碎后，按达到总重量0.05%的比例加入硝酸，经超声波能量密度为0.2W/cm2，作用5分钟。之后16(TC条件下进行45分钟水热反应后用圆辊上开有沟槽，沟槽内开有贯通圆辊壁通向圆辊内侧的孔的压搾机压搾出糖化液后，进行液相酸化和甲烷发酵。糖化渣中加入糖化液的发酵液后进行甲烷发酵，发酵渣再通过螺旋压搾机压搾出液体返送到浸润槽循环分解，发酵渣作肥料使用。生物质转化率达到60%以上。
以上各实施例中在初期加入的水，到发酵进行之后可切换成返送液，所加入的水量可以根据系统中水的平衡而定。返送液也可根据生物质的种类，季节，操作条件等调节各自的量。另外，糖化渣是否发酵以及是否压搾可根据气候条件，当地土质以及季节进行优化。
权利要求
1.生物质厌氧发酵制沼气的预处理方法，其特征是至少包括如下步骤1)将生物质处理成3～40mm的短节；2)将短节在水温15～80℃中浸泡15～90分钟；3)将所浸泡后的短节撕碎成碎片；4)将所撕碎成的碎片在加热或加热加压的条件下进行水热反应；5).将水热反应后的秸秆进行压榨得到糖化液和糖化渣。
2 如权利要求l所述的预处理方法，其特征是所述的步骤3)用相对线速度不同的两个转辊实现，所用设备至少由线速度不同的两个圆辊，电动机，机壳及物料的进口和出口组成。
3 如权利要求l所述的预处理方法，其特征是所述的步骤4)中按达到总重量的O. 05 1.0%比例加入硝酸，并在80 18(TC，反应10 120分钟。
4 实现权利要求1所述的预处理方法的步骤5)所用设备，其特征在于所采用的压搾机由两个旋转的圆辊组成，该圆辊上开有沟槽，沟槽内开有贯通圆辊壁通向圆辊内侧的孔或不开沟槽和孔，或在辊上只开孔不开沟槽；或该压榨机是螺旋压滤机；或该压搾机是皮带压滤机。
5 如权利要求l所述的预处理方法，其特征是所述步骤3)得到的撕碎后的碎片在超声波装置中按达到总重量的O. 05 1. 0%的比例加入无机酸，在超声波密度为0.2 3.0W/cm2的条件下，作用时间20 300秒后再进行步骤4)和5)的反应。
6 如权利要求l所述的预处理方法，其特征是在步骤2)加入无机酸使其达到总重量比的O. 05 1. 0%的浓度。
7 如权利要求3、 5和6所述的预处理方法，其特征是所述的添加的酸为硝酸或盐酸或硫酸或磷酸，或硝酸，盐酸，硫酸或磷酸的各种混合酸。
8 一种生物质厌氧发酵制沼气的方法，其特征是经权利要求l所述的预处理，压搾得到的糖化液进行甲烷发酵，该发酵完毕后的发酵液返送到权利要求l所述的预处理工程2)或4)或权利要求6所述的超声波处理工序，对其进一步再分解。
9.经权利要求l的预处理后的生物质厌氧发酵制沼气的方法，其特征是预处理得到的糖化渣不经发酵直接作肥料使用；或进行甲烷发酵，发酵后，采用压搾设备压搾，压搾之后发酵渣排出作肥料使用，同时液体返送回预处理工序2)或4)或超声波处理工序，对其进一步再分解；发酵后不压搾，全部作肥料使用。
10.经权利要求l的预处理后的生物质厌氧发酵制沼气的方法，其特征是预处理后压搾得到的糖化液经甲烷发酵后，其发酵液的一部分加入到糖化渣甲烷发酵系
全文摘要
本发明涉及生物质预处理方法及生物质厌氧发酵制沼气的方法与设备，包括如下步骤1)将生物质处理成3～40mm的短节；2)将短节在水温15～80℃中浸泡15～90分钟；3)将所浸泡后的短节撕碎成碎片；4)将所撕碎成的碎片在加热或加热加压的条件下进行水热反应；5)将水热反应后的秸秆进行压榨得到糖化液和糖化渣。本发明通过秸秆的预处理提高了其生物可降解性，加快了发酵速度。通过预处理后的固体和液体的分别发酵大大提高了发酵效率，通过发酵液的再次水热反应循环发酵，避免了大量废液的排放，整个系统高效运行，并大幅提高了生物质的转化率。
文档编号C12P5/02GK101560525SQ20091030199
公开日2009年10月21日 申请日期2009年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者张书廷 申请人:天津大学