蒸汽爆破预处理提高香蕉茎秆厌氧消化产气潜力的方法

摘要

本发明公开了一种蒸汽爆破预处理提高香蕉茎秆固体剩余物厌氧消化产沼气的方法。其步骤主要包括：（1）备料：将香蕉茎秆横截、纵切，控制含水率20%~50%；（2）蒸汽爆破：通入饱和蒸汽至罐内压力达2.0~3.5MPa维持90s~240s，瞬间释放；（3）收料：收集汽爆处理后的原料，冷却备用；（4）厌氧消化：在预处理后的原料中加入一定量接种污泥,混合均匀，密封发酵。本发明可有效降解香蕉茎秆固体原料中半纤维素和木质素，提高香蕉茎秆原料在厌氧消化过程中转化利用率和产气潜力，具有操作简单，绿色环保等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及固体废弃物处理与资源化利用领域，尤其涉及一种蒸汽爆破技术对香蕉茎秆废弃物预处理，提高厌氧消化产气潜力的方法。

背景技术

我国是世界第二大香蕉生产国，香蕉产业作为我国热带农业的支柱产业对农民增收、农业增效具有重要意义。据FAO 2012年统计数据显示，我国香蕉产量达1055万吨，占全世界总产量的10.3%。随着香蕉产业的蓬勃发展，大量的香蕉茎秆副产物得不到有效处理和利用，堆弃在田间地头，既浪费资源，又污染环境。据统计，我国每年生产的香蕉茎秆废弃物约1800多万吨，回收利用率几乎为零，在热区高温高湿环境下极易腐烂，滋生病菌，造成蕉园的二次污染，严重阻碍了香蕉产业的可持续发展。

香蕉茎秆固体剩余物含丰富的挥发性有机质，占干物质质量的90%以上， 同时富含纤维素、半纤维素、木质素等成分，是厌氧消化的优质碳源材料。但香蕉茎秆中木质素与半纤维素、纤维素相互交联难以降解，使得厌氧微生物无法快速将其进行分解和利用，直接进行厌氧消化会出现启动慢、周期长、效率低等问题，因此需要对香蕉茎秆原料进行一定的预处理，将纤维素、半纤维素、木质素进行分离和降解，打破其复杂结晶结构，提高厌氧微生物对香蕉茎秆原料的降解利用水平，从而提高其厌氧消化效率。

目前，国内报导的用于提高香蕉茎秆固体原料厌氧消化性能的预处理方法主要有机械法，国外利用生物酶法，由于香蕉茎秆本身结构的复杂性，粗纤维含量高，且强度大，半纤维素、木质素含量高等特点，机械法会出现粗纤维缠绕机械刀片，粉碎程度不均等现象，生物酶法主要是预处理周期长，对原料中半纤维素、纤维素、木质素预降解能力低，上述预处理方法效果十分有限。因此，探索一种行之有效的香蕉茎秆预处理方法显得尤为重要，不仅提高香蕉茎秆废弃物回收利用效率，减少环境污染，而且可以生产可再生清洁能源，缓解不可再生能源的日益匮乏，具有重大的社会、环境和经济效益。

蒸汽爆破法预处理香蕉茎秆原料具有操作简单、降解效果好等优点，是一项绿色、高效的预处理手段。郑丽丽等报道蒸汽爆破预处理技术能有效降解香蕉茎秆固体剩余物中的半纤维素和木质素，可明显提高降解率（郑丽丽，热带农业科学，2014（11）：84-88）。本发明提供一种通过蒸汽爆破预处理提高香蕉茎秆原料厌氧消化效率的方法，为香蕉茎秆厌氧消化生产沼气的规模化利用提供技术保障。

发明内容

本发明针对香蕉茎秆形态和结构的复杂性，直接用于厌氧消化产气效率低的问题，提供一种通过蒸汽爆破预处理提高其厌氧消化过程中产气潜力的方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种提高香蕉茎秆厌氧消化性能的蒸汽爆破预处理方法，其特征在于，步骤主要包括：（1）备料，（2）汽爆，（3）收料，（4）厌氧消化。

所述的步骤（1）中将香蕉茎秆横截断至长度5~10cm。

所述的步骤（1）中将横截断的香蕉茎秆根据直径大小纵切1~2刀，即平均分成2~4份。

所述的步骤（1）中将切好的香蕉茎秆含水率控制在20%~50%。

所述的步骤（2）中将香蕉茎秆原料竖直装入汽爆罐，装罐量控制在罐体积的20%~80%。

所述的步骤（2）中汽爆罐内压力维持2.0MPa~3.5MPa。

所述的步骤（2）中汽爆罐内压力维持时间90s~240s。

所述的步骤（3）中将蒸汽爆破处理的香蕉茎秆原料收集到固定容器。冷却到常温，保持含水率10%以下，真空密封置于低温-8℃~-20℃保存。

所述的步骤（4）中厌氧消化是指将汽爆预处理后的香蕉茎秆原料加入接种污泥混合均匀后密封发酵。

所述的步骤（4）中厌氧消化香蕉茎秆原料与接种污泥质量比控制在1:2~2.5:1。

本发明的主要优点在于提供一种绿色、环保、高效的预处理方法，对香蕉茎秆中半纤维素和木质素降解作用显著，有效提高香蕉茎秆厌氧消化效率，经过蒸汽爆破预处理的香蕉茎秆产气潜力远远高于报道的其他香蕉茎秆预处理方法。

具体实施方式

实施例1

蒸汽爆破预处理香蕉茎秆厌氧消化产气的方法为, 将香蕉茎秆假茎截断至10cm，纵切后将每段平均分成4等份，烘干至含水率25%；再将香蕉茎秆原料竖直装入汽爆罐，装罐量为罐体积的50%。汽爆罐内压力维持2.0MPa维压240s,打开放料阀,瞬间减压释放既得汽爆预处理的香蕉茎秆原料，收集汽爆处理后的香蕉茎秆原料，冷却到常温，保持含水率10%以下，真空密封置于低温-20℃保存备用。取一定量的经汽爆处理的香蕉茎秆原料, 加入接种污泥混合均匀后在中温36±1℃下密封发酵30天，蕉茎秆原料与接种污泥干物质质量比为1:2。测得该汽爆后香蕉茎秆原料单位干物质产气量为386ml/g TS（去除接种物产气影响）。同样条件下,未经汽爆处理的香蕉茎秆原料单位干物质产气量为240ml/g TS（去除接种物产气影响）。经过蒸汽爆破处理后,产气率提高60.83%。

实施例2

蒸汽爆破预处理香蕉茎秆厌氧消化产气的方法为, 将香蕉茎秆假茎截断至10cm，纵切后将每段平均分成4等份，烘干至含水率25%；再将香蕉茎秆原料竖直装入汽爆罐，装罐量为罐体积的80%。汽爆罐内压力维持3.0MPa维压240s,打开放料阀,瞬间减压释放既得汽爆预处理的香蕉茎秆原料，收集汽爆处理后的香蕉茎秆原料，冷却到常温，保持含水率10%以下，真空密封置于低温-20℃保存备用。取一定量的经汽爆处理的香蕉茎秆原料, 加入接种污泥混合均匀后在中温36±1℃下密封发酵30天，蕉茎秆原料与接种污泥干物质质量比为1:2。测得该汽爆后香蕉茎秆原料单位干物质产气量为401ml/g TS（去除接种物产气影响）。同样条件下,未经汽爆处理的香蕉茎秆原料单位干物质产气量为240ml/g TS（去除接种物产气影响）。经过蒸汽爆破处理后,产气率提高67.08%。