甲烷化出料酸化预处理玉米秸秆提高厌氧消化产气性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于玉米秸杆高效资源化利用技术领域，是一种利用厌氧发酵出料作为接种物处理玉米秸杆的方式提高厌氧消化产气性能的方法。
【背景技术】
[0002]玉米秸杆属于纤维素类生物质，含有丰富的营养和易利用的化学成分，是丰富的可再生有机物质，但是其中大部分被丢弃或露天焚烧，造成资源浪费、环境污染、妨碍正常交通等严重问题。
[0003]玉米秸杆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大成份组成，而利用厌氧消化技术处理利用玉米秸杆，产生高效、清洁的高品质生物质能源一一生物气，是玉米秸杆资源化利用的有效途径。但是半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触，导致木质纤维素原料难以被微生物降解，限制了玉米秸杆用于生物气生产方面的大规模应用。
[0004]厌氧发酵过程中，由于原料转化率低，导致排放大量的沼渣、沼液，易对环境产生二次污染。厌氧发酵是一个复杂的生物转化过程，包括水解/酸化阶段和生物质能转化阶段，而水解/酸化是产甲烷应用的主要限速阶段，有一些科研工作者致力于应用物理方法、化学方法以及生物方法或组合方法预处理秸杆的技术研宄，例如酸解、碱解及各种好氧、厌氧纤维素降解菌剂，也取得了一定的效果。厌氧消化过程中，水解/酸化阶段发挥作用的微生物种群主要是产酸菌，生物质能转化阶段发挥作用的微生物种群主要是产甲烷菌。
[0005]因此，本发明遵循废物资源化的原则，利用两个反应器将厌氧阶段分开，使得各自主要的微生物种群分离且发挥最大的作用，同时利用厌氧发酵液出料对玉米秸杆进行酸化处理，可以减少沼渣、沼液排放，增加物质去除率，提高厌氧消化产气性能。本发明探索了厌氧发酵后沼渣和沼液资源化利用新技术途径，深化废弃物综合利用的程度，为避免二次污染和实现玉米秸杆高值转化提供可行性依据与参考；在实际工程运行方面，实现系统的稳定、高效运行，降低运行能耗及建立多尺度调控技术等。
【发明内容】
[0006]本发明利用厌氧发酵出料作为接种物预处理玉米秸杆的方式提高厌氧消化产气性能。
[0007]甲烷化出料酸化预处理玉米秸杆提高厌氧消化产气性能的方法，其特征在于:
[0008]选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸杆，用粉碎机粉碎至20目以下，预处理试剂为水，其添加量为玉米秸杆干重的六倍。均匀混合后置于40±2°C环境中密封保存，预处理时间为I天。
[0009]预处理后酸化，酸化需要接种物，接种物为半连续式甲烷相出料，其干物质质量百分比浓度为55%。向预处理后的玉米秸杆相对于52g TS中加入100mL-700mL的半连续式甲烷相出料，再加入自来水至反应容器总体积的80 %，均匀混合后，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将蓝盖瓶固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2°C之间。每天定时用pH计测定pH,当pH低于5.5时，停止酸化。
[0010]半连续式甲烷化启动。利用CSTR反应器作为厌氧反应装置，反应体积8L。首先向反应器中加入120g TS厌氧污泥，然后加入预处理后的玉米秸杆520g TS，再加入自来水至反应装置总体积的80%，充入氮气，反应器温度设定在在35±2°C之间。同时以未处理的玉米秸杆作为对照。待反应器内PH达到7时，表明半连续式甲烷化启动完成。
[0011]半连续式甲烷化启动完成后，以酸化的出料作为原料，每天定时进料、出料一次，进料和出料体积相等，HRT为40天，所述出料称之为半连续式甲烷相出料。
[0012]酸化需要的半连续式甲烷相出料由于刚开始还没有产出，采用的是其他设备已经产出的半连续式甲烷相出料，而后采用自身设备中的即可。
[0013]具体的:
[0014](I)秸杆预处理。本发明选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸杆，用粉碎机粉碎至20目以下，用坩祸称取一定量的玉米秸杆，置于105°C烘箱，12小时后测定玉米秸杆TS。利用蓝盖瓶(IL)作为厌氧反应容器，反应体积0.8L，按照玉米秸杆负荷65g TS/L，首先称取52g TS玉米秸杆。本发明预处理试剂为水(自来水)，其添加量为玉米秸杆干重的六倍(312mL)。均匀混合后置于40±2°C环境中密封保存，预处理时间为I天。
[0015](2)批式酸化。厌氧发酵过程需要接种物，本发明所用接种物为半连续式甲烷相出料，其干物质浓度为55%。向预处理后的玉米秸杆(52g TS)中加入100mL-700mL的甲烷化出料，再加入自来水至反应容器总体积的80 %，均匀混合后，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将蓝盖瓶固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2°C之间。每天定时用pH计测定pH，当pH低于5.5时，停止酸化。
[0016](3)半连续式甲烷化启动。利用CSTR反应器作为厌氧反应装置，反应体积8L。首先向反应器中加入120g TS厌氧污泥，然后加入预处理后的玉米秸杆520g TS，再加入自来水至反应装置总体积的80 %，充入氮气，反应器温度设定在在35 ± 2 °C之间。同时以未处理的玉米秸杆作为对照。待反应器内pH达到7时，表明甲烷化启动完成。
[0017](4)半连续式甲烷化运行。待预处理组甲烷相和未处理组甲烷相启动完成后，以预处理组批式酸化的出料作为预处理组的甲烷相的原料，同时以未处理组批式酸化的出料作为未处理组的甲烷相的原料。每天上午8点进料、出料一次，均为200mL，HRT为40天。每天定时测定并记录甲烷含量和日产气量，同时测定出料TS浓度。
[0018]本发明具有以下有益效果:
[0019]I)利用自来水在40°C时对玉米秸杆进行预处理，在减少环境污染的同时还可以提高预处理效果，增加玉米秸杆的生物降解性。
[0020]2)厌氧发酵出料被用于酸化，进行二次发酵，出料中的微生物菌群可以对玉米秸杆进行快速酸化，缩短酸化时间；二次酸化后的物料进行甲烷化时，其中的微生物菌群源于厌氧发酵出料，有助于增强厌氧系统的稳定性。
[0021]3) 二次厌氧发酵可减少沼液和沼渣排放，降低对环境的二次污染，可以提高干物质去除率和半连续式厌氧反应器的设备效率。
[0022]4)半连续式厌氧反应结束时，与未预处理组相比，预处理组的容积产气率提高了56% -80%，达到0.70-0.81 ;甲烷含量提高了 22% -59%，达到55% -63%;玉米秸杆TS去除率提高了 46% -71%，达到60% -70%。
【具体实施方式】
[0023]实施例1:
[0024](I)秸杆预处理。本发明选用经过自然风干且没有霉变的玉米秸杆，用粉碎机粉碎至20目以下，用坩祸称取一定量的玉米秸杆，置于105°C烘箱，12小时后测定玉米秸杆TS。利用蓝盖瓶(IL)作为厌氧反应容器，反应体积0.8L，按照玉米秸杆负荷65g TS/L，首先称取52g TS玉米秸杆。本发明预处理试剂为水(自来水)，其添加量为玉米秸杆干重的六倍(312mL)。均匀混合后置于40±2°C环境中密封保存，预处理时间为I天。
[0025](2)批式酸化。厌氧发酵过程需要接种物，本发明所用接种物为半连续式甲烷相出料，其干物质浓度为55%。向预处理后的玉米秸杆(52g TS)中加入10mL的甲烷化出料，再加入自来水至反应容器总体积的80 %，均匀混合后，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将蓝盖瓶固定在摇床中，摇床温度恒定在40±2°C之间。每天定时用pH计测定pH，当pH低于5.5时，停止酸化。
[0026](3)半