一种沼液和餐厨垃圾联合预处理木质纤维素生物质厌氧发酵的方法

摘要

本发明提供了一种沼液和餐厨垃圾联合预处理木质纤维素生物质厌氧发酵的方法。是先将木质纤维素生物质粉碎，然后将沼液加入粉碎的木质纤维素生物质中，接着加入特定比例的餐厨垃圾在特定的温度下进行预处理，最后将预处理后的混合物与接种沼液进行厌氧消化。本发明以沼液和餐厨垃圾为预处理生物菌剂，对木质纤维素生物质材料进行预处理，从而使其更易于进行厌氧发酵；同时操作简单，无需额外的设备，成本低，沼气产率高。

说明书

技术领域

本发明属于有机固体废弃物资源化利用领域，更具体地，涉及一种沼液和餐厨垃圾联合预处理木质纤维素生物质厌氧发酵的方法。

背景技术

作为农业大国，我国每年产生大量的畜禽粪便和农作物秸秆等木质纤维素类生物质，将其高效资源化利用利用十分关键，木质纤维素类生物质在沼气制备方面得到广泛的应用，不仅可以减少畜禽粪便和农作物秸秆过剩带来的许多环境污染问题，也可以解决一些地区的沼气原料短缺。然而，木质纤维素类生物质在天然进化过程中形成了多种保护系统，演变出木质纤维素复杂的结构和化学机制，形成严密的结构屏障，以抵御微生物及周围环境对其结构的攻击破坏，因此在利用这类物质前，有效的预处理是必要的。

目前常用的预处理方法主要包括物理，化学和生物三大类，或者其中两种或者三种以上的方法进行联合预处理。如专利CN201210255255.3、专利CN201710830966.1、专利CN201110342696.2采用秸秆制取沼气的过程中都需要对秸秆进行一定的预处理，而在众多木质纤维类生物质利用的工艺过程中，最大的技术障碍是预处理环节的费用过于昂贵，设备要求高，高能耗以及酸碱废水的产生等缺点，这严重制约着秸秆类生物质的工业化广泛应用的进程。

因此，开发一种低成本、环境友好、易于操作的预处理方法对于提高木质纤维素类生物质的利用至关重要。

发明内容

本发明针对目前现有木质纤维素预处理过程中预处理成本高、可操作性较差的问题，旨在提供一种沼液和餐厨垃圾联合预处理木质纤维素生物质厌氧发酵的方法。

本发明的首要目的是提供一种沼液和餐厨垃圾联合预处理木质纤维素生物质厌氧发酵的方法。

本发明的另一目的是提供上述方法在木质纤维素生物质厌氧发酵方面的应用。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种沼液和餐厨垃圾联合预处理木质纤维素生物质厌氧发酵的方法，包括如下步骤：

S1.将木质纤维素生物质粉碎，备用；

S2.将厌氧发酵反应结束后的沼液和沼渣进行固液分离，得到的沼液备用；

S3.向步骤S1粉碎后的木质纤维素生物质中加入步骤S2的沼液混合，使得混合物的TS浓度为8％～35％；

S4.向步骤S3所得混合物中加入餐厨垃圾，在25～55℃条件下预处理1～6天；

S5.向步骤S4预处理后的混合物中按1：0.3～1的VS比接种步骤S2的沼液进行厌氧发酵；

步骤S1所述木质纤维素生物质为畜禽粪便和农作物秸秆按VS比为15～85：15～85混合而成；

步骤S4所述餐厨垃圾为与木质纤维素生物质按VS比为75～90：10～25添加。

本发明上述方法利用沼液联合餐厨垃圾预处理木质纤维素生物质进行厌氧发酵产沼气，其中，沼液作为来自厌氧发酵体系中的物质本身含有大量的木质纤维素降解微生物菌种和氮、磷、钾及有机物等，同时含有大量的微生物，其中不乏可降解木质纤维素的微生物，用作生物预处理菌剂；餐厨垃圾是一类含有大量有机质的固体废物，但是其厌氧发酵过程中，由于碳氮比低，容易酸化。本发明将沼液与餐厨垃圾结合起来预处理畜禽粪便和农作物秸秆，其中沼液和畜禽粪便都含有丰富的菌群，通过加入餐厨垃圾产生的类生物酸进一步处理木质纤维素原料。可减少环境污染，节省预处理成本，又可提高消化系统缓冲能力，进而提高厌氧消化效率，提高沼气产量。

最优选地，步骤S1所述木质纤维素生物质为畜禽粪便和农作物秸秆按照VS比为1：3混合而成。

最优选地，步骤S4所述预处理的温度为37℃。

优选地，所述畜禽粪便为固液分离后的猪粪、牛粪。

优选地，所述农作物秸秆为甘蔗秸秆、油菜秸秆、玉米秸秆。

优选地，步骤S1所述粉碎的目数为5～40目。

优选地，步骤S4所述预处理过程中每0.5～12小时搅拌一次，使菌群和类生物酸与木质纤维素生物质充分接触，加快处理效率。

优选地，步骤S5所述厌氧发酵为将发酵底物密封于25～55℃条件下，每5～60分钟机械搅拌一次，速度为100～200rpm/min，进行厌氧发酵产沼气，直到沼气产量低于总沼气产量的1％停止发酵。

优选地，步骤S5所述厌氧发酵为在序批式的反应器中进行厌氧发酵。

本发明还请求保护上述方法在木质纤维素生物质厌氧发酵方面的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明沼液联合餐厨垃圾预处理木质纤维素生物质的方法，可有效提高木质纤维素生物质可生化性，降低木质纤维素的含量，再利用厌氧发酵将其转化为沼气，提高沼气产量即原料产气率。

本发明的方法简单，易操作，降低预处理的成本同时减少沼气工程的整体运行费用，另外解决畜禽粪便和农作物秸秆综合利用难的问题，为提高木质纤维素类生物质的高效地利用和解决大中型沼气工程中沼液利用难的问题提供技术理论依据和新思路。

附图说明

图1为本发明基于沼液和餐厨垃圾联合预处理木质纤维素生物质进行厌氧发酵产沼气技术的流程示意图；

图2为不同温度及不同餐厨垃圾添加比例的日产沼气及累计产沼气情况；

其中，(a)为不同餐厨垃圾添加比例在55℃预处理下的日沼气产量；(b)为不同餐厨垃圾添加比例在55℃预处理下的累计沼气产量；(c)为不同餐厨垃圾添加比例在37℃预处理下的日沼气产量；(d)为不同餐厨垃圾比例在37℃预处理下的累计沼气产量效果；(e)为不同餐厨垃圾添加比例在25℃预处理下的日沼气产量；(f)为不同餐厨垃圾比例在25℃预处理下的累计沼气产量。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。

图1为本发明基于沼液和餐厨垃圾联合预处理木质纤维素生物质进行厌氧发酵产沼气技术的流程示意图。

实施例1不同比例畜禽粪便与农作物秸秆混合厌氧发酵的产沼气情况

1、实验方法

S1.将固液分离后的牛粪和甘蔗秸秆粉碎，过40目筛网备用，其中牛粪和农作物秸秆分别按VS比为15：85，25：75，35：65，50：50，65：35，75：25，85：15混合粉碎，此外，设单独牛粪、甘蔗秸秆为对照；

S2.将厌氧发酵反应结束后的沼液和沼渣过40目筛网进行固液分离，并将沼液装入密闭的瓶子进行静置直到不再产生沼气，备用；

S3.向步骤S1粉碎后的木质纤维素生物质中加入步骤S2的沼液混合，使得混合物的TS浓度为15％；

S4.向步骤S3所得混合物中加入餐厨垃圾，在37℃条件下预处理5天，并且每0.5小时机械均匀搅拌一次，使菌群和类生物酸与木质纤维素生物质充分接触，加快处理效率；所述餐厨垃圾为与木质纤维素生物质按VS比为15：85添加；

S5.向步骤S4预处理后的混合物中按1：1的VS比接种步骤S2的沼液，装入序批式厌氧发酵装置中，37±1℃的恒温条件下，每5分钟机械搅拌一次，速度为150rpm/min，进行厌氧发酵。直到沼气产量低于总沼气产量的1％停止实验。

2、实验结果

表1不同配比的木质纤维素生物质厌氧发酵沼气产率

实施例2不同温度及不同餐厨垃圾添加比例厌氧发酵的产沼气情况

1、实验方法

S1.将固液分离后的牛粪和甘蔗秸秆按VS比为1：3混合粉碎，过40目筛网，备用；

S2.将厌氧发酵反应结束后的沼液和沼渣过40目筛网进行固液分离，并将沼液装入密闭的瓶子进行静置直到不再产生沼气，备用；

S3.向步骤S1粉碎后的木质纤维素生物质中加入步骤S2的沼液混合，使得混合物的TS浓度为15％；

S4.向步骤S3所得混合物中加入餐厨垃圾，分别在55℃、37℃、25℃条件下预处理4、5、6天，并且每0.5小时机械均匀搅拌一次，使菌群和类生物酸与木质纤维素生物质充分接触，加快处理效率；所述餐厨垃圾为与木质纤维素生物质分别按VS比为10：90，15：85，25：75添加；设不添加餐厨垃圾的为对照；

S5.向步骤S4预处理后的混合物中按1：1的VS比接种步骤S2的沼液，装入序批式厌氧发酵装置中，37±1℃的恒温条件下，每5分钟机械搅拌一次，速度为150rpm/min，进行厌氧发酵。直到沼气产量低于总沼气产量的1％停止实验。

2、实验结果

表2不同温度及不同餐厨垃圾添加比例生产沼气的产率

图2为不同温度及不同餐厨垃圾添加比例的日产沼气及累计产沼气情况。表2为不同温度及不同餐厨垃圾添加比例生产沼气的产率。由表2的数据可知，采用本发明沼液联合餐厨垃圾预处理木质纤维素生物质的生产方法，与未添加餐厨垃圾进行预处理的方法相比，可以提高5.18％～18.47％的沼气产率。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。