氢氧化钠湿式固态常温处理提高玉米秸生物气产量的方法

摘要

氢氧化钠湿式固态常温处理提高玉米秸生物气产量的方法属于生物质能源领域。液态化学预处理和固态化学预处理玉米秸均存在NaOH的用量较高，成本高等问题。本发明通过将2％倍于玉米秸干重的氢氧化钠、7.5倍于玉米秸干重的水和粉碎的玉米秸充分混合均匀，达到水饱和状态后，密封保存3天后，出料添加猪粪消化液进行厌氧消化产生生物气。本发明具有节约成本，缩短预处理时间，提高产气量等优点。

说明书

技术领域

本发明属于生物质能源领域，具体涉及一种利用玉米秸进行厌氧消化产生生物气的方法，尤其涉及一种氢氧化钠湿式固态常温处理提高玉米秸生物气产量的方法。

背景技术

我国是世界上最大的农业国家，每年产生各类农作物秸秆总量达7亿吨，其中玉米秸秆占35％。除了部分用作饲料、肥料、农村生活用能和造纸原料外，大量秸秆被露天焚烧，导致严重的空气污染和火灾，影响交通运输的安全，同时也浪费了大量的资源。

通过厌氧消化技术把秸秆转化为清洁能源——生物气，是解决农业废弃物环境污染和实现资源化利用的一条有效途径。

不同于一般的厌氧消化原料如人畜粪便、污泥等，玉米秸的木质纤维素含量较高，而厌氧微生物对木质纤维素的降解能力又较弱，导致常规厌氧消化过程缓慢、消化效率低、产气量少、投入产出效益差等，从而限制了玉米秸用于生物气生产的大规模应用。

通过对玉米秸进行预处理，可以提高其厌氧消化性能。目前的预处理方法有物理、生化和化学方法，其目的都是希望通过预处理改变玉米秸的物理结构或把它降解成简单的成分，以利于随后厌氧菌的消化利用，从而提高生物气产量。物理方法相对简单，但处理效果有限；生物方法效果较为明显，但微生物的培养对设备和技术的要求大多比较高，实验室研究容易，实际应用难度很大。化学处理方法以其处理效果好和操作方便等优点得到广泛应用，而在各种化学试剂中又以NaOH的处理效果最好。传统的NaOH液态化学预处理产气效果较好，但由于其碱含量高，对反应器的设计要求较高，且反应液必须进行良好的回用和处置，否则会造成严重的环境污染，但增加回用装置会导致整个工艺成本的提高。针对这种情况，NaOH固态常温化学处理采用添加0.8倍于干秸秆重的水分，无多余反应液产生，并降低了NaOH的用量。但是NaOH固态常温预处理的时间较长(30天)，且NaOH的用量(6％-8％于秸秆干重)所造成的处理成本相对目前生物气价格来说还是偏高；另一方面秸秆含水率低时，不易搅拌均匀，不仅影响预处理效果，还会增加工程应用的能耗。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供了一种通过少量氢氧化钠，在湿式固态条件下，对玉米秸进行常温化学预处理，以达到进一步降低预处理时的碱用量来降低成本，同时缩短预处理时间和提高玉米秸厌氧消化生物气产量的方法。

本发明所提供的氢氧化钠湿式固态常温处理提高玉米秸生物气产量的方法，包括以下步骤：

1)化学预处理：将2％倍于玉米秸干重的氢氧化钠、7.5倍于玉米秸干重的水和粉碎后的玉米秸充分混合均匀，介于浸泡和固态状态之间，然后放于容器中密封保存3天，出料；

2)厌氧消化产生生物气：向厌氧消化装置中投加预处理后的玉米秸和猪粪消化液，玉米秸的添加量为50～65g干玉米秸/L，猪粪消化液的添加量为加料后整个厌氧消化系统的混合液悬浮固体浓度为MLSS＝15g/L(玉米秸不计在内)，并加水至厌氧消化液的湿基含水率不小于93％，调节整个消化系统的碳氮比20～35:1，调节厌氧消化温度为34～37℃，调整消化液的pH为6.5～7.5，最后卸出沼渣。

其中，步骤1)中添加的NaOH可破坏玉米秸内木质纤维素的结构和改变其化学成分，且2％倍于玉米秸干重的添加量能满足要求，可有效避免现有技术中的使用高浓度碱而造成干物质损失大，成本高，对后续厌氧消化不利等缺陷。添加水能促进玉米秸与NaOH间的反应，缩短处理时间，还可调节后续厌氧消化过程的总固体(TS)含量，无废液产生。混合后玉米秸处在已达到水饱和但是又不存在过多流动水的状态下，这种状态介于“浸泡”和“固态”之间，称之“湿式固态”。

如果步骤2)中玉米秸的加料量过低，消化过程进行快，但不能充分利用厌氧消化菌的处理能力，产气总量不高；加料量过高，则猪粪消化液中厌氧消化菌的含量相对于玉米秸的含量过低，消化过程缓慢且容易因酸积累而停滞，物料利用率较低。猪粪消化液为猪粪厌氧消化过程中产生的消化液，其碱度和氨氮含量较普通污水处理厂的消化污泥要高，能对玉米秸厌氧消化过程中反应液pH值的降低起到很好的缓冲作用，避免酸化现象的出现(一旦出现酸化现象，必须加入碱性物质进行调节)，更易于达到稳定的产气效果。厌氧消化的最优温度为35℃，最优碳氮比为25:1，整个厌氧消化过程需要45～50天。

本发明厌氧消化产生生物气过程中使用的厌氧消化装置为隔绝外界空气、带搅拌和恒温装置的反应器，反应器的顶部设置进料口和生物气出口，底部设置搅拌器及沼渣出口。

经厌氧消化后留存的沼渣富含有机质及氮、磷、钾等多种元素，是农作物生长的优质肥料，也可作为水产养殖的饲料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)相对于液态化学预处理，湿式固态条件下的化学预处理不仅免除了处理液净化回用的能耗，而且大大简化了处理设备，节省成本，更适于规模化生产。

2)相对于固态化学预处理，湿式固态条件下的化学预处理不仅降低了NaOH的添加量约67％，且缩短了预处理时间90％，在实际工程应用中更易于操作。

3)相对于固态化学预处理，湿式固态条件下的化学预处理，易于搅拌均匀，易于操作并节省能耗。

4)相对于接种普通污水处理厂的厌氧消化污泥，猪粪消化液的高碱度和氨氮含量能更好地调节消化系统的pH值，更易于达到稳定的产气效果。

5)相对于未经过预处理的玉米秸，达到相同的累计产气量所需的反应时间缩短40％以上，从而可以显著提高厌氧消化反应器的生产效率。

6)相对于未经过预处理的玉米秸，整个厌氧消化反应周期的平均产气量提高60％～100％。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

具体实施方式

实施例

1)将玉米秸切碎为20目的颗粒后，添加2％倍于玉米秸干重的氢氧化钠和7.5倍于玉米秸干重的水，使玉米秸含水率约为12％，均匀混合，在常温下密封保存3天；

2)向厌氧消化装置中投加预处理后的玉米秸和猪粪消化液，玉米秸的添加量为65g干玉米秸/L，猪粪消化液的添加量为加料后整个厌氧消化系统的混合液悬浮固体浓度为MLSS＝15g/L(玉米秸对MLSS的贡献不计)，并加水至厌氧消化液的湿基含水率不小于93％，添加氯化铵调节整个消化系统的碳氮比25:1，调节厌氧消化温度为35℃，调整消化液的pH为6.5～7.5，充分搅拌。

自厌氧消化开始的第1～3天即可产出大量的生物气，第45天以后，产气量明显减少，表明厌氧消化过程基本结束，此时打开反应器排出沼渣，作下一批次厌氧消化的进料。

整个反应周期生物气产生总量达到40L(65g/L，反应器工作体积为1.5L)，生物气中甲烷的平均含量达到65％，而未经过本技术处理的玉米秸，在同样情况下其生物气产生总量只有21L。