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CN110184305A - 一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法 - Google Patents

一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法 Download PDF

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CN110184305A CN201910408373.5A CN201910408373A CN110184305A CN 110184305 A CN110184305 A CN 110184305A CN 201910408373 A CN201910408373 A CN 201910408373A CN 110184305 A CN110184305 A CN 110184305A
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张鸿雁
刘广青
戴壮强
王立功
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Abstract

本发明属于固体废弃物处理与资源化利用技术领域，具体涉及一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法。本发明将预处理后的烟草秸秆、粪便以及接种污泥依次加入反应器中，再加入水至一定工作体积，在37℃条件下进行厌氧共消化。与现有烟草秸秆处理方法相比，本发明通过预处理能有效降解烟草秸秆的木质素，提高烟草秸秆的水解效率，再与粪便共消化制备沼气，不仅能提高烟草秸秆厌氧消化产气性能，实现多种固体废弃物资源化利用，还能断绝堆放和焚烧造成的大气、土壤等污染，具有设备要求低，操作简单，绿色环保等优点。

Description

一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处理与资源化利用技术领域，具体涉及到一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其中，通过化学预处理后的烟草秸秆与粪便厌氧共消化制备沼气。
背景技术
烟草是我国的重要经济作物，在我国各地被广泛种植，中国的烟草产量约占世界总产量的40％。每年烟叶采摘结束后，由于烟草秸秆经济价值低，大量的烟草秸秆被直接丢弃田间或就地焚烧，这样不仅无法有效利用烟草秸秆资源，还会对大气、土壤等造成污染。且田间堆放的处理方式可能会使烟杆中的烟草花叶病毒直接传播到土壤中，影响来年烟叶质量。近年来有报道从烟草秸秆中提取茄尼醇、果胶、烟碱等化合物或利用烟草秸秆制备活性炭等处理方法，但均存在处理量小、产率较低以及能耗高等问题。
厌氧消化是一种经济、环保的高效生物技术，而烟草秸秆中的纤维素含量可达45％，适合用于厌氧消化产沼气。但烟草秸秆中木质纤维素含量较高，且复杂的木质纤维素结构阻碍了微生物对其进行水解作用，降低了厌氧消化的效率。对这类原料进行预处理是解决这一问题的有效方法。而化学预处理是预处理方法中研究最多，也是最普遍使用的一种预处理方法。有报道用臭氧预处理后的烟草废弃物与活性污泥厌氧消化，得出最佳条件是C/N比为24:1，臭氧用量为90mg/g VS，甲烷产量可达203.6mL/g VS，但其存在效率低、成本高等不足。且目前烟草秸秆的其他预处理方法相关报道较少。
联合利用秸秆、禽兽粪便制取沼气工艺是一种既能有效处理多种固体废弃物又能制备清洁能源以实现资源能源化利用的方法。粪便中不仅存在着种类丰富的微生物，还含有大量微生物生长代谢需要的氮源等其他营养物质，且由于粪便的C/N较低，与C/N较高的秸秆进行共消化将对消化反应系统的C/N起着很好的调节作用。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种产气效率较高的利用预处理后的烟草秸秆和粪便厌氧共消化制备沼气的方法，促使烟草秸秆与粪便实现无害化、减量化、资源化。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法，包括以下步骤：
(1)预处理：将粉碎后的烟草秸秆进行化学预处理6-24小时后，沥出备用；
(2)厌氧共消化：取步骤(1)中的预处理后的烟草秸秆放入反应器中，加入粪便和活性污泥，再加入水，并在37℃条件下进行厌氧消化。
优选的，所述步骤(1)具体为：所述步骤(1)中预处理试剂为碱性过氧化氢溶液，所述碱性过氧化氢溶液通过向一定浓度的过氧化氢溶液中加入氢氧化钠调至溶液pH值为11-11.5而制得。
优选的，所述步骤(1)中碱性过氧化氢溶液浓度在1％-7％范围内，预处理反应器内含水率为90％。
优选的，所述步骤(2)中厌氧共消化底物由烟草秸秆和粪便混合物构成，投加量为5-30kg VS/m3，混合底物与接种污泥的投加总挥发性固体VS比例为0.5-2。
优选的，所述步骤(2)中添加的粪便和烟草秸秆的挥发性固体VS比例为1:4-4:1。
优选的，所述烟草秸秆包括烤烟、凉烟、白肋烟、黄花烟中的任意一种或多种；所述粪便包括猪粪、鸡粪、羊粪、牛粪中的任意一种或多种。
本发明所指的VS(Volatile Solids)即挥发性固体含量，表示原料中有机物与原有物料的质量比。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)对烟草秸秆进行化学预处理，能破坏秸秆的木质纤维素结构，降低木质素含量，使烟草秸秆的厌氧消化产气效率提高；
(2)预处理后的烟草秸秆与粪便厌氧共消化，不仅能提高烟草秸秆的产气性能，还能实现烟草秸秆与粪便两种固体废弃物的无害化、减量化、资源化；
(3)本发明操作简单，无需采用高压设备，对设备要求低，能耗低。
附图说明
图1是本发明各实施例中厌氧共消化的日甲烷产量曲线图；
图2是本发明各实施例中厌厌氧共消化的累积甲烷产量曲线图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明提供的提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法进行详细描述。在以下所有实施例中，选取烟草秸秆品种为云烟116，取自云南省昭通市的烤烟种植区，在自然条件下风干后干燥保存备用；猪粪和接种污泥取自北京市东顺义区东华山沼气站，且接种污泥在使用前在室温下静置约20天。
实施例1
1、预处理：在预处理反应器中加入一定浓度的碱性过氧化氢溶液，具体步骤为：先加入1L过氧化氢试剂以及4L水，并通过添加氢氧化钠将溶液pH调至11-11.5；再向反应器中添加0.2kg的烟草秸秆，然后将预处理反应器室温下预处理24小时。烟草秸秆预处理结束后沥出备用。
2、厌氧共消化：将所述的预处理后的烟草秸秆和猪粪的混合底物加入厌氧消化反应器中，添加量为20kg VS/m3，其中烟草秸秆VS：猪粪VS＝4:1；再添加20kg VS/m3的接种污泥于反应器中，并调节初始pH在6.5-7.5范围，最后加入适量水，并将反应器密封，置于37℃的恒温条件下进行厌氧消化。
上述实施例效果为：与未预处理的烟草秸秆甲烷产量(0.178m3/kg VS)、预处理后烟草秸秆单一底物厌氧消化的甲烷产量(0.31m3/kg VS)相比，在预处理后烟草秸秆VS：猪粪VS＝4:1的混合比例下，其厌氧共消化甲烷产气量为提升到0.34m3/kg VS(见图2)。由图1可以看出该实施例在第3天出现第一个日产气高峰，且明显高于两对比组；随后从第20天开始均增长缓慢趋于平缓，说明预处理后的烟草秸秆与猪粪的共消化反应迅速。
实施例2
1、预处理：在预处理反应器中加入一定浓度的碱性过氧化氢溶液，具体步骤为：先加入28L过氧化氢试剂以及106L水，并通过添加氢氧化钠将溶液pH调至11-11.5；再向反应器中添加5kg的烟草秸秆，然后将预处理反应器室温下预处理24小时。烟草秸秆预处理结束后沥出备用。
2、厌氧共消化：将所述的预处理后的烟草秸秆和猪粪的混合底物加入厌氧消化反应器中，添加量为20kg VS/m3，其中烟草秸秆VS：猪粪VS＝3:2；再添加20kg VS/m3的接种污泥于反应器中，并调节初始pH在6.5-7.5范围，最后加入适量水，并将反应器密封，置于37℃的恒温条件下进行厌氧消化。
上述实施例效果为：与未预处理的烟草秸秆甲烷产量(0.178m3/kg VS)、预处理后烟草秸秆单一底物厌氧消化的甲烷产量(0.31m3/kg VS)相比，在预处理后烟草秸秆VS：猪粪VS＝3:2的混合比例下，其厌氧共消化甲烷产气量为提升到0.34m3/kg VS(见图2)。由图1可以看出该实施例在第3天出现第一个日产气高峰，且明显高于两对比组；随后从第20天开始均增长缓慢趋于平缓，说明预处理后的烟草秸秆与猪粪的共消化反应迅速。
实施例3
1、预处理：在预处理反应器中加入一定浓度的碱性过氧化氢溶液，具体步骤为：先加入56L过氧化氢试剂以及212L水，并通过添加氢氧化钠将溶液pH调至11-11.5；再向反应器中添加10kg的烟草秸秆，然后将预处理反应器室温下预处理24小时。烟草秸秆预处理结束沥出备用。
2、厌氧共消化：将所述的预处理后的烟草秸秆和猪粪的混合底物加入厌氧消化反应器中，添加量为20kg VS/m3，其中烟草秸秆VS：猪粪VS＝2:3；再添加20kg VS/m3的接种污泥于反应器中，并调节初始pH在6.5-7.5范围，最后加入适量水，并将反应器密封，置于37℃的恒温条件下进行厌氧消化。
上述实施例效果为：与未预处理的烟草秸秆甲烷产量(0.178m3/kg VS)、预处理后烟草秸秆单一底物厌氧消化的甲烷产量(0.31m3/kg VS)相比，在预处理后烟草秸秆VS：猪粪VS＝2:3的混合比例下，其厌氧共消化甲烷产气量为提升到0.38m3/kg VS(见图2)。由图1可以看出该实施例在第3天出现第一个日产气高峰，日产甲烷量达到0.05m3/kg VS，明显高于两对比组；随后从第20天开始均增长缓慢趋于平缓，说明预处理后的烟草秸秆与猪粪的共消化反应迅速。
实施例4
1、预处理：在预处理反应器中加入一定浓度的碱性过氧化氢溶液，具体步骤为：先加入113L过氧化氢试剂以及424L水，并通过添加氢氧化钠将溶液pH调至11-11.5；再向反应器中添加20kg的烟草秸秆，然后将预处理反应器室温下预处理24小时。烟草秸秆预处理结束后沥出备用。
2、厌氧共消化：将所述的预处理后的烟草秸秆和猪粪的混合底物加入厌氧消化反应器中，添加量为20kg VS/m3，其中烟草秸秆VS：猪粪VS＝1:4；再添加20kg VS/m3的接种污泥于反应器中，并调节初始pH在6.5-7.5范围，最后加入适量水，并将反应器密封，置于37℃的恒温条件下进行厌氧消化。
上述实施例效果为：与未预处理的烟草秸秆甲烷产量(0.178m3/kg VS)、预处理后烟草秸秆单一底物厌氧消化的甲烷产量(0.31m3/kg VS)相比，在预处理后烟草秸秆VS：猪粪VS＝1:4的混合比例下，其厌氧共消化甲烷产气量为提升到0.40m3/kg VS(见图2)，且高于本试验中其他实施例甲烷产量。由图1可以看出该实施例在第3天出现第一个日产气高峰，日产甲烷量达到0.05m3/kg VS，明显高于两对比组；随后从第20天开始均增长缓慢趋于平缓，说明该实施例预处理后的烟草秸秆与猪粪的共消化反应迅速，且能较好提高烟草秸秆的厌氧消化产气性能。
对比例1
1、预处理：在预处理反应器中加入一定浓度的碱性过氧化氢溶液，具体步骤为：先加入113L过氧化氢试剂以及424L水，并通过添加氢氧化钠将溶液pH调至11-11.5；再向反应器中添加20kg的烟草秸秆，然后将预处理反应器室温下预处理24小时。烟草秸秆预处理结束后沥出备用。
2、厌氧共消化：将所述的预处理后的烟草秸秆以及接种污泥依次加入反应器中，添加量均为20kg VS/m3，并调节初始pH在6.5～7.5范围，再加入适量水，并将反应器密封，置于37℃的恒温条件下进行厌氧消化。结果表明预处理后的烟草秸秆单一厌氧消化的累积甲烷产量为0.31m3/kg VS，比未预处理的烟草秸秆甲烷产量提升了42.4％。其日甲烷产量见图1，从图中可以看出两个日产气高峰分别出现第3天和第13天，且日产气量高于未预处理的烟草秸秆对比组，这也说明预处理后能显著提高烟草秸秆厌氧消化的产气性能。
对比例2
将20kg VS/m3未预处理的烟草秸秆，以及20kg VS/m3接种污泥于反应器中，并调节初始pH在6.5～7.5范围，再加入适量水，并将反应器密封，置于37℃的恒温条件下进行厌氧消化。结果表明未预处理的烟草秸秆单一厌氧消化的累积甲烷产量为0.178m3/kg VS。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)预处理：将粉碎后的烟草秸秆进行化学预处理6-24小时后，沥出备用；
(2)厌氧共消化：取步骤(1)中的预处理后的烟草秸秆放入反应器中，加入粪便和活性污泥，再加入水，并在37℃条件下进行厌氧消化。
2.根据权利要求1所述的一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于，所述步骤(1)中预处理试剂为碱性过氧化氢溶液，所述碱性过氧化氢溶液通过向一定浓度的过氧化氢溶液中加入氢氧化钠调至溶液pH值为11-11.5而制得。
3.根据权利要求2所述的一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于，所述步骤(1)中碱性过氧化氢溶液浓度在1％-7％范围内，预处理反应器内含水率为90％。
4.根据权利要求3所述的一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于，所述步骤(2)中厌氧共消化底物由烟草秸秆和粪便混合物构成，投加量为5-30kg VS/m3，混合底物与接种污泥的投加总挥发性固体VS比例为0.5-2。
5.根据权利要求4所述的一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：所述步骤(2)中添加的粪便和烟草秸秆的挥发性固体VS比例为1:4-4:1。
6.根据权利要求1至5中任意一条所述的一种提高烟草秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：所述烟草秸秆包括烤烟、凉烟、白肋烟、黄花烟中的任意一种或多种；所述粪便包括猪粪、鸡粪、羊粪、牛粪中的任意一种或多种。
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