專利名稱：木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可再生能源開發(fā)利用與環(huán)境保護領(lǐng)域，具體涉及一種木質(zhì)纖維原料厭氧 發(fā)酵工藝。
背景技術(shù)：
在化石能源漸趨枯竭的今天，能源緊張對全球的影響日益突出，世界開始將目光聚集 到新生能源領(lǐng)域。在太陽能、核能、水能、生物質(zhì)能等諸多新能源中，生物質(zhì)能源是最安 全、最穩(wěn)定的能源，也是目前國家重點鼓勵的新能源領(lǐng)域。世界上生物質(zhì)資源龐大，種類 繁多，包括所有的陸生植物、水生植物、人類和動物的排泄物以及工業(yè)有機物等。在各種 可供人類使用的生物質(zhì)中，木質(zhì)纖維原料占其中的絕大多數(shù)。目前，木質(zhì)纖維原料能源化 利用的途徑主要包括焚燒、氣化、發(fā)酵產(chǎn)乙醇、生物柴油和厭氧產(chǎn)氣等幾種。與其它轉(zhuǎn) 化技術(shù)相比，厭氧產(chǎn)氣具有能耗低、產(chǎn)生的沼氣清潔無污染等特點，且發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣和 沼液可作為有機肥重回土壤，實現(xiàn)物質(zhì)和能量的梯級循環(huán)利用，更符合國家可持續(xù)發(fā)展的 要求。
眾所周知，米草、秸稈等生物質(zhì)資源的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，這3
種成分的質(zhì)量占植物纖維原料總質(zhì)量的80% 92%。纖維素是聚合度為300到15000的線 型高分子化合物，由于氫鍵的作用使很多纖維素分子共同形成結(jié)晶區(qū)。木質(zhì)素是纖維素的 粘合劑，能增加植物體的機械強度。木質(zhì)素本身不易被降解，而且對纖維素的降解有屏蔽 作用，以及纖維素本身的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、半纖維素對纖維素的包覆作用，都導(dǎo)致木質(zhì)纖維素材
料厭氧降解困難。此外，木質(zhì)纖維原料的C/N偏高也是影響其厭氧生物轉(zhuǎn)化的一個因素。 目前，對木質(zhì)纖維原料厭氧產(chǎn)氣的研究主要集中在通過預(yù)處理破壞木質(zhì)纖維原料的木 質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，尤其是破壞原料的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，將被木質(zhì)素包裹的纖維素釋放出來，增加微 生物與原料接觸的機會。目前的預(yù)處理方式主要包括堿處理、酸處理、爆破、濕式氧化技
術(shù)和生物降解處理等，其中，堿處理是目前使用較多的預(yù)處理方式。堿浸泡預(yù)處理可以很 好的破壞木質(zhì)纖維原料的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，將被木質(zhì)素包裹的纖維素裸露出來，增加了微生物與纖維素類物質(zhì)接觸的機會，有利于提高木質(zhì)纖維原料的生物轉(zhuǎn)化率。經(jīng)過預(yù)處理后的 木質(zhì)纖維原料由于木質(zhì)素破壞嚴重，大量有機物溶出轉(zhuǎn)化為厭氧微生物可利用的形態(tài)，在 單相厭氧反應(yīng)器內(nèi)相同的有機負荷下，發(fā)酵過程容易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，影響了反應(yīng)的正常進 行，嚴重的甚至出現(xiàn)反應(yīng)失敗的現(xiàn)象。此外，由于木質(zhì)纖維原料結(jié)構(gòu)蓬松，原料的堿浸泡 預(yù)處理堿的用量很大，預(yù)處理場所的需求以及工作量都很大，且發(fā)酵后的發(fā)酵液中鈉離子 含量偏高，影響了后續(xù)處理，以上問題影響了堿處理的工程應(yīng)用。因此，發(fā)展一種木質(zhì)纖 維原料新工藝以解決以上存在的問題迫在眉睫。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前堿浸泡預(yù)處理存在的堿用量大、預(yù)處理工作量大、發(fā)酵過程 容易酸化等問題，發(fā)明一種不僅方法簡單，而且操作簡便，在保證木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化 率大幅提高的前提下減少堿用量的方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施達到
一種木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，該工藝由木質(zhì)纖維原料預(yù)發(fā)酵、堿處理和二次發(fā) 酵3部分構(gòu)成，具體操作步驟如下
(1) 將木質(zhì)纖維原料粉碎后，加入到單相厭氧反應(yīng)器中，并加入接種物進行接種，
混合；
(2) 向厭氧反應(yīng)器中加水，將TS (總固體)負荷調(diào)節(jié)至2 8%，密封反應(yīng)器，進行 厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣；
(3) 待產(chǎn)氣高峰過后(該階段通常需30天左右)，將厭氧反應(yīng)器內(nèi)的木質(zhì)纖維原料 取出，晾干；
(4) 將步驟(3)所得的木質(zhì)纖維原料用2% 8%的NaOH溶液浸泡處理；其中浸
泡處理的時間優(yōu)選為24h 72h,純氫氧化鈉與木質(zhì)纖維原料的質(zhì)量比為1: 8 1: 12;
(5) 將浸泡處理過的木質(zhì)纖維原料調(diào)節(jié)pH至6.8 7.5，再次接種發(fā)酵，厭氧發(fā)酵反 應(yīng)器內(nèi)TS負荷為2 8%。
本發(fā)明的兩步厭氧發(fā)酵中，本發(fā)明對反應(yīng)溫度要求不高，在15'C 55'C范圍內(nèi)反應(yīng) 均可正常進行，使用較多的是采用中溫(30 37°C)具有更大的能量產(chǎn)投比，最佳的反應(yīng) 溫度是35±1°C。厭氧發(fā)酵的初始TS負荷調(diào)節(jié)至6.0%為最佳。
木質(zhì)纖維原料選自玉米秸、麥秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一種或幾種。可根據(jù)季節(jié)、 地域以及當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況選擇不同的木質(zhì)纖維原料。將收割后的木質(zhì)纖維原料地上部分通 過人工或機械方法切成1 2cm的小段；或者通過秸稈粉碎機進行粉碎，達到使原料均勻的目的。
堿處理的對象為厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣高峰過后的木質(zhì)纖維原料，經(jīng)預(yù)發(fā)酵后的木質(zhì)纖維原料 中的易分解有機物己大部分水解溶出為微生物利用，木質(zhì)纖維原料變得疏松多孔，原本被 易分解有機物包裹的木質(zhì)纖維裸露出來，有利于堿與木質(zhì)纖維的接觸，且發(fā)酵后原料的體
積大幅減少，減少了后續(xù)堿處理堿的用量和工作量。由于預(yù)處理后的木質(zhì)纖維原料中易分 解有機物的含量很少，很大程度上避免了二次發(fā)酵出現(xiàn)酸化的可能；同時，由于木質(zhì)纖維 原料表面所含微生物易分解利用的有機物不多，發(fā)酵過程不易酸化，從而有助于提高預(yù)發(fā) 酵系統(tǒng)的有機負荷，最終提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的處理能力。NaOH溶液的加入量為純氫氧化 鈉木質(zhì)纖維原料(干物質(zhì)比)1: 8 1: 12。
兩步接種中的接種物為選自污水處理廠的厭氧消化污泥、老沼氣池污泥、腐敗河泥、
新鮮牛糞等其中的一種或多種，接種物用量為發(fā)酵物干重的5% 30%。
本發(fā)明的有益效果
1、 工藝簡單，可操作性強。
2、 在保證木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化率大幅提高的前提下，大幅減少了堿的用量，堿用 量不足傳統(tǒng)堿浸泡預(yù)處理用量的二分之一。
3、 在堿處理前將木質(zhì)纖維原料經(jīng)過預(yù)發(fā)酵處理可以避免傳統(tǒng)的堿預(yù)處理后發(fā)酵出現(xiàn)
的酸化現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的處理能力。
4、 該工藝不但大幅提高了木質(zhì)纖維的生物轉(zhuǎn)化率，而且較大程度上破壞了木質(zhì)纖維 原料的結(jié)構(gòu)，有利于沼渣的后續(xù)利用。
5、 該工藝可以大幅降低高鈉離子含量沼液的產(chǎn)量，減少了沼液的后處理費用。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進一步的闡述。 實施例1:
通過機械或人工方法將收割后的木質(zhì)纖維原料切成1 2cm的小段，然后裝入?yún)捬醴?應(yīng)器中，加入接種物進行接種，混合，接種物的加入量為發(fā)酵物干重的5% 30%。封閉 發(fā)酵裝置，發(fā)酵裝置的出氣口通過輸氣管與儲氣裝置連接，反應(yīng)溫度控制在35±1°C，發(fā) 酵過程中通過攪拌裝置對發(fā)酵物進行攪拌，24h內(nèi)即可產(chǎn)生沼氣，當(dāng)產(chǎn)氣高峰過后，產(chǎn)氣 量明顯下降，反應(yīng)即可結(jié)束。將預(yù)發(fā)酵后的木質(zhì)纖維原料取出，晾干，經(jīng)過預(yù)發(fā)酵后的木質(zhì)纖維原料變得疏松多孔，體積降低了 40%以上，質(zhì)量下降了近50%。用2% 8%的NaOH 溶液對預(yù)發(fā)酵后的木質(zhì)纖維原料進行24h 72h的浸泡處理，NaOH溶液的加入量為純氫
氧化鈉木質(zhì)纖維原料(干物質(zhì)比)1: 8 1: 12。由于預(yù)發(fā)酵后的木質(zhì)纖維原料質(zhì)量大
幅降低，因此，堿的用量減少了 50%。堿處理后的木質(zhì)纖維原料為褐色的濃漿狀，木質(zhì) 纖維結(jié)構(gòu)破壞嚴重。將堿處理后的原料投加到厭氧反應(yīng)器中，加入?yún)捬跷勰噙M行接種，接 種物的加入量為發(fā)酵物干重的5% 30%，混勻。向混合料中加水，使反應(yīng)器的系統(tǒng)TS 負荷為6%。封閉發(fā)酵裝置，發(fā)酵裝置的出氣口通過輸氣管與儲氣裝置連接，反應(yīng)溫度控 制在35士1'C,發(fā)酵過程中通過攪拌裝置對發(fā)酵物進行攪拌；24h內(nèi)即可產(chǎn)生沼氣。
本例中，預(yù)發(fā)酵時間為25天，累積產(chǎn)氣量為10794 mL 12373mL， 二次發(fā)酵時間為 30天，累積產(chǎn)氣量為4222mL 5616mL。本工藝木質(zhì)纖維原料的產(chǎn)氣量為312.83 mL/g TS 374.77mL/gTS，發(fā)酵周期總計為58天。 對照例1:
取與上例等量的木質(zhì)纖維原料兩份，通過機械或人工方法切成l 2cm的小段， 一份 用2% 8%的NaOH溶液進行24h 72h的浸泡處理，NaOH溶液的加入量為純氫氧化鈉 木質(zhì)纖維原料(干物質(zhì)比)1: 8 1: 12，另一份未用等量的水浸泡處理。將處理后的原 料分別裝入?yún)捬醴磻?yīng)器中，調(diào)節(jié)pH至6.8 7.5，加入接種物進行接種，混合，接種物的 加入量為發(fā)酵物干重的5% 30%。向反應(yīng)器中加水調(diào)節(jié)TS負荷至6%。封閉發(fā)酵裝置， 發(fā)酵裝置的出氣口通過輸氣管與儲氣裝置連接，反應(yīng)溫度控制在35±1°C，發(fā)酵過程中通 過攪拌裝置對發(fā)酵物進行攪拌，24h內(nèi)即可產(chǎn)生沼氣，經(jīng)過50 65天的發(fā)酵，產(chǎn)氣量明 顯下降，當(dāng)日產(chǎn)氣量低于平均日產(chǎn)氣量的30%時，反應(yīng)即可結(jié)束，進行新一輪發(fā)酵。
本例中，堿浸泡預(yù)處理可以很大程度上破壞木質(zhì)纖維原料的結(jié)構(gòu)，改善原料的厭氧發(fā) 酵特性，但堿的用量較大，其用量是實施例的2倍。堿浸泡預(yù)處理后厭氧發(fā)酵在發(fā)酵初期 出現(xiàn)了明顯的酸化，酸化期間pH低至5.00 5.40, IO天后仍不能恢復(fù)，需人工加堿液或 緩沖液調(diào)節(jié)至7左右才逐漸恢復(fù)產(chǎn)氣。未經(jīng)堿處理的原料厭氧發(fā)酵過程可以正常進行，且 發(fā)酵周期較短，30天后已基本不產(chǎn)氣。實驗結(jié)束時，堿處理和未處理的木質(zhì)纖維原料的 累積產(chǎn)氣量分別為14948 18169mL和10323 13873mL，單位質(zhì)量產(chǎn)氣量分別為 321.42 378.52mL/gTS和215.06 289.02mL/gTS，實驗周期分別為57天和30天。
對比對照例，本工藝在保證木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化率大幅提高的同時(產(chǎn)氣量增加了 12.07% 76.01%)，堿用量減少了50%，發(fā)酵周期與傳統(tǒng)的堿浸泡預(yù)處理相當(dāng)，且發(fā)酵過 程中不會出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。本工藝符合我國節(jié)能減排的要求，具有很好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1、一種木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，其特征在于該工藝由木質(zhì)纖維原料預(yù)發(fā)酵、堿處理和二次發(fā)酵3部分構(gòu)成，具體操作步驟如下(1)將木質(zhì)纖維原料粉碎后，加入到單相厭氧反應(yīng)器中，并加入接種物進行接種，混合；(2)向厭氧反應(yīng)器中加水，將TS負荷調(diào)節(jié)至2～8％，密封反應(yīng)器，進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣；(3)待產(chǎn)氣高峰過后，將厭氧反應(yīng)器內(nèi)的木質(zhì)纖維原料取出，晾干；(4)將步驟(3)所得的木質(zhì)纖維原料用2％～8％的NaOH溶液浸泡處理；(5)將浸泡處理過的木質(zhì)纖維原料調(diào)節(jié)pH至6.8～7.5，再次接種發(fā)酵，厭氧反應(yīng)器內(nèi)TS負荷為2～8％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，其特征在于所述的木質(zhì)纖維原 料選自玉米秸、麥秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一種或幾種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，其特征在于步驟(1)中木質(zhì)纖 維原料粉碎至1.0 2.0cm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，其特征在于歩驟(1)或(5) 中，所述的接種物選自污水處理廠的厭氧消化污泥、老沼氣池污泥、腐敗河泥或新鮮牛糞 中的一種或多種，接種物的加入量為發(fā)酵物干重的5% 30%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，其特征在于步驟(2)或(5) 中，厭氧發(fā)酵的溫度為15'C 55'C。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，其特征在于厭氧發(fā)酵的溫度為 35士1。C。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，其特征在于木質(zhì)纖維原料用 NaOH溶液浸泡處理的時間為24h 72h。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，其特征在于木質(zhì)纖維原料 用NaOH溶液浸泡處理時，純氫氧化鈉與木質(zhì)纖維原料的質(zhì)量比為1: 8 1: 12。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵新工藝，將木質(zhì)纖維原料粉碎后，加入到單相厭氧反應(yīng)器中，并加入接種物進行接種，混合；將TS負荷調(diào)節(jié)至2～8％，密封反應(yīng)器，進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣；待產(chǎn)氣高峰過后，將厭氧反應(yīng)器內(nèi)的木質(zhì)纖維原料取出，晾干；將原料用NaOH溶液浸泡處理；將浸泡處理過的木質(zhì)纖維原料調(diào)節(jié)pH至6.8～7.5，再次加入接種物進行接種發(fā)酵。本發(fā)明將厭氧預(yù)發(fā)酵后的木質(zhì)纖維原料用堿浸泡處理后再次進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，在保證木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化率大幅提高的前提下，堿用量減少了50％，產(chǎn)氣周期與傳統(tǒng)的堿浸泡預(yù)處理相當(dāng)，并避免了厭氧發(fā)酵過程中出現(xiàn)的酸抑制效應(yīng)，具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。
文檔編號C12P5/02GK101475964SQ200910028199
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者琳 倫, 馮景偉, 張繼彪, 方彩霞, 王衛(wèi)平, 燕 羅, 羅興章, 趙國華, 鄒星星, 正 鄭, 陳廣銀, 高順枝 申請人:南京大學(xué)