本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，這種方法由兼氧發(fā)酵預(yù)處理工藝和厭氧發(fā)酵工藝組成，首先將經(jīng)過粉碎的木質(zhì)纖維素原料加入到動物糞便培養(yǎng)液中，控制體系溫度在35~45℃、pH值6~8的條件下，通過間隔曝氣的方式保持體系兼氧狀態(tài)，進行兼氧發(fā)酵預(yù)處理至水力停留時間12~48小時；然后將兼氧預(yù)處理后的發(fā)酵料液導(dǎo)入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器進行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣；所述間隔曝氣的方法為曝氣10~40分鐘與停止曝氣10~40分鐘交替進行，且曝氣時間≥停止曝氣時間。采用此方法后預(yù)處理反應(yīng)器容積大大減小，投資成本低；由于高效率的水解酸化預(yù)處理，沼氣轉(zhuǎn)化效率得到很大提高，相較于現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)周期明顯縮短。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及利用生物質(zhì)原料生產(chǎn)沼氣的
，具體涉及。
技術(shù)介紹
世界上生物質(zhì)資源數(shù)量龐大，種類繁多。植物通過光合作用產(chǎn)生木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源之一。人類通過各種技術(shù)途徑將木質(zhì)纖維素原料轉(zhuǎn)化為不同類型的能源燃料。在木質(zhì)纖維素原料中，農(nóng)作物秸桿可通過厭氧發(fā)酵工藝生產(chǎn)沼氣，沼氣可以用于發(fā)電或者提純?yōu)樘烊粴庾鳛檐囉萌細饣虿⑷胩烊粴夤芫W(wǎng)。這已被證明是一種具有很高綜合價值的利用途徑。農(nóng)作物木質(zhì)纖維素原料包括秸桿，比如玉米秸桿、小麥秸桿和水稻秸桿等，具有分布廣泛、產(chǎn)量巨大且易于收集等特點。以往人們會把這些秸桿當作廢棄物遺棄或者燃燒處理，這不僅造成能源的浪費也會污染環(huán)境。現(xiàn)在，利用農(nóng)作物秸桿進行沼氣生產(chǎn)的實踐正在廣泛進行中。但木質(zhì)纖維素性原料由于其自身的結(jié)構(gòu)特點使得厭氧發(fā)酵的轉(zhuǎn)化過程存在一定的技術(shù)難度。農(nóng)作物秸桿是由大量的有機物和少量的無機物及水所組成的，其有機物的主要成分是纖維素類的碳水化合物和可溶性糖以及少量的粗蛋白質(zhì)和粗脂肪。其中纖維類碳水化合物主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，這些也是構(gòu)成植物細胞壁的主要成分。對于農(nóng)作物秸桿，尤其是干化的秸桿，沼氣的轉(zhuǎn)化主要來源于其中的碳水化物纖維素和半纖維素的厭氧降解，而木質(zhì)素則難以水解并厭氧轉(zhuǎn)化為沼氣。在秸桿中，纖維素主要是由葡萄糖分子通過β-1-4糖苷鍵連接起來的線性高分子聚合物。半纖維素不是由某一種單糖組成的均一性聚糖，它是由戊糖、己糖等單糖和糖醛酸組成的帶有支鏈的復(fù)合聚糖。半纖維素互相交叉連接，吸附到纖維素上，捆綁結(jié)構(gòu)蛋白和木質(zhì)素，形成矩陣結(jié)構(gòu)的一部分，是微生物和酶解的物理障礙。木質(zhì)素是由苯基丙烷單元通過醚鍵和碳碳鍵連接而成的具有三維空間結(jié)構(gòu)的高聚物。木質(zhì)素可以與半纖維素的小部分形成共價化學(xué)健，這種連接提供了木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)剛性和完整度，使得木質(zhì)纖維素不易發(fā)生潤脹作用。這三種物質(zhì)以及果膠等物質(zhì)共同粘結(jié)組成的空間結(jié)構(gòu)稱為纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)。秸桿的高結(jié)晶度對于厭氧的微生物菌群形成了一種屏障，尤其是干化秸桿的分子化學(xué)鍵具有更強的疏水性，微生物及酶很難進入到秸桿纖維內(nèi)部進行水解作用。此外，木質(zhì)素與纖維素和半纖維素之間對水解酶存在一定競爭性吸附，這也一定程度上抑制了秸桿的水解反應(yīng)。如果木質(zhì)纖維素不能被高效地水解，后續(xù)的發(fā)酵酸化和甲烷化過程將無法正常進行。然而木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗降解性影響因素眾多且存在交互影響，因此解決其高效降解問題并不容易。目前對于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理措施主要有物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和生物預(yù)處理，但這些預(yù)處理方法在改善木質(zhì)纖維素原料特性、提高原料消化率和增加產(chǎn)氣量的同時也存在一系列問題，各有其不同的局限性。主要體現(xiàn)在以下方面: 不論采用什么預(yù)處理方式，木質(zhì)纖維素的水解、酸化過程主要還是通過厭氧發(fā)酵實現(xiàn)，轉(zhuǎn)化周期長，為了保持沼氣的持續(xù)供應(yīng)，需要更大的反應(yīng)器容積。木質(zhì)纖維素原料中單位有機質(zhì)的沼氣轉(zhuǎn)化率低下，尤其是秸桿，產(chǎn)氣量更低。秸桿還容易在反應(yīng)器中形成漂浮層，進而形成結(jié)殼層，為避免浮渣層，需更長的攪拌時間和攪拌能耗，導(dǎo)致投資和運行成本非常高。另外，反應(yīng)系統(tǒng)的進出料和物料傳送難度高，管道閥門經(jīng)常容易堵塞，需要采用一些化學(xué)的方式進行預(yù)處理，這樣又導(dǎo)致維護費用高，而且容易造成二次污染。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本專利技術(shù)提供了一種新的利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)沼氣的方法。該利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)沼氣的方法，其特征是，這種方法由兼氧發(fā)酵預(yù)處理和厭氧發(fā)酵組成，首先將經(jīng)過粉碎的木質(zhì)纖維素原料加入到動物糞便培養(yǎng)液中，在溫度35~45°C、pH值6~8、曝氣10~40分鐘與停止曝氣10~40分鐘交替進行且曝氣時間彡停止曝氣時間的條件下，進行兼氧發(fā)酵預(yù)處理，預(yù)處理水力停留時間為12~48小時；然后將預(yù)處理后的發(fā)酵料液導(dǎo)入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器進行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的物料水力停留時間通常小于30天。水力停留時間是指待理處物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間，也就是待處理物料與反應(yīng)器內(nèi)微生物作用的平均反應(yīng)時間。水力停留時間是沼氣發(fā)酵工藝中的常用參數(shù)。專利技術(shù)人經(jīng)過大量研究偶然發(fā)現(xiàn)，在通過控制溫度、控制pH值、控制間隔曝氣的方式創(chuàng)造的特定兼氧環(huán)境下，可以從動物糞便培養(yǎng)液中篩選富集大量的水解酸化微生物，并依靠它們實現(xiàn)木質(zhì)纖維素物原料的高效快速水解，水解這步限速反應(yīng)速率提高后，能夠大大提尚木質(zhì)纖維素向沼氣轉(zhuǎn)化的整體反應(yīng)速率，提尚生廣效率。曝氣10~40分鐘與停止曝氣10~40分鐘交替進行的情況下，當曝氣時，世代周期較短的好氧水解微生物將會迅速大量繁殖，同時部分厭氧發(fā)酵性微生物也在該生境下共存。在有足夠代謝底物存在的情況下，好氧水解微生物進行有氧呼吸，可以快速地分泌出大量的分解纖維素和半纖維的水解酶。大量不同類型的水解酶協(xié)同作用，逐步瓦解纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，將聚合的大分子碳水化合物水解為單糖或者二糖等低聚物。但是這些代謝產(chǎn)物的大量存在又會對水解酶的催化作用產(chǎn)生抑制。當停止曝氣時，液相中大量的溶解氧會因好氧微生物的有氧呼吸被快速消耗，反應(yīng)體系中很快處于缺氧狀態(tài)，部分微生物會進入無氧呼吸狀態(tài)，進行厭氧發(fā)酵將好氧水解微生物水解產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物進一步降解為揮發(fā)性脂肪酸VFA，比如乙酸或丙酸等。厭氧過程將之前好氧菌分解纖維素所得的產(chǎn)物進行分解后，消耗了好氧菌產(chǎn)生的水解酶的代謝產(chǎn)物，推動下一輪好氧過程繼續(xù)進行，保證整個水解反應(yīng)單向快速進行。通過間隔曝氣的方式，如此交替進行可以使兼氧發(fā)酵預(yù)處理容器中微生物通過兩種呼吸作用進行不同的代謝作用。曝氣時間大于等于停止曝氣的時間，保證了好氧環(huán)境內(nèi)富集的微生物和酶充分發(fā)揮作用，木質(zhì)纖維素得到充分的水解，縮短該限速步驟的時間。微生物和酶都需要在一定條件下才能達到最佳活性，因此上述溫度、pH值和間隔曝氣時間都需要嚴格控制，其中溫度優(yōu)選36~45°C，更優(yōu)選38~42°C;間隔曝氣方法優(yōu)選曝氣15-30分鐘與停止曝氣15~30分鐘交替進行。作為一種優(yōu)選方案，上述利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)沼氣的方法中，預(yù)處理反應(yīng)器內(nèi)混合料液在曝氣狀態(tài)下的溶解氧濃度不超過1.5毫克/升。溶解氧濃度過高會影響厭氧微生物的生存，降低其在厭氧狀態(tài)下的生物量和活性。作為一種優(yōu)選方案，上述利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)沼氣的方法中，兼氧發(fā)酵預(yù)處理的進出料采用序批的方式，每批次進出料比例不超過預(yù)處理反應(yīng)器內(nèi)混合料液總體積的50%。優(yōu)選每批次進出料比例不超過30%，最佳為20~30%。所述進出料采用序批的方式，是指每次預(yù)處理后導(dǎo)出多少料液，就需要加入多少新原料稀釋液，保持總體系大致不變。連續(xù)性批次進出料，有利于使具有高繁殖效率的有益微生物大量聚集，不需要重新培養(yǎng)糞便微生物菌群，而直接以上一次預(yù)處理完的料液作為種子液即可，不但節(jié)約了預(yù)處理時間，也能夠保證沼氣持續(xù)供應(yīng)。另外進出料比例不能超過預(yù)處理反應(yīng)器內(nèi)混合料液總體積的50%，主要目的是降低對于兼氧預(yù)處理反應(yīng)器內(nèi)微生物的沖擊負荷，盡量不破壞原體系中微生物的生態(tài)環(huán)境。更優(yōu)選地，投入的木質(zhì)纖維素原料采用與厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的回流沼液混合的方法調(diào)整體系物料比。從工藝穩(wěn)定性上講，實際工程中，沼液從發(fā)酵反應(yīng)器中出來的溫度與兼氧發(fā)酵預(yù)處理反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度相近，相對于常溫下的清水，對預(yù)處理反應(yīng)器中的微生物而言，溫度的變化沖擊更小。微生物不喜歡忽冷忽熱。沼液本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于，由兼氧發(fā)酵預(yù)處理和厭氧發(fā)酵組成；首先將經(jīng)過粉碎的木質(zhì)纖維素原料加入到動物糞便培養(yǎng)液中，在溫度35~45℃、pH值6~8、曝氣10~40分鐘與停止曝氣10~40分鐘交替進行且曝氣時間≥停止曝氣時間的條件下，進行兼氧發(fā)酵預(yù)處理，預(yù)處理水力停留時間為12~48小時；然后將預(yù)處理后的發(fā)酵料液導(dǎo)入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器進行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王明明，李旭源，
申請(專利權(quán))人：北京盈和瑞環(huán)保工程有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11
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