專利名稱：：一種木質(zhì)纖維原料資源化工藝的制作方法
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(hù)領(lǐng)域，涉及一種木質(zhì)纖維原料資源化工藝。具體來說是利用發(fā)酵特性具有互補(bǔ)性的木質(zhì)纖維原料與蚓糞混合厭氧發(fā)酵來提高木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化率，并結(jié)合蚯蚓處理沼渣產(chǎn)生蚓糞，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維原料的最大資源化率。
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。"十一五"規(guī)劃中，國家將可再生能源放在了非常重要的位置，而各種可再生能源中，生物質(zhì)能源是其中非常重要的一部分。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(diǎn)鼓勵的新能源領(lǐng)域。生物質(zhì)是指由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)體。光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在生物質(zhì)中。世界上生物質(zhì)資源龐大，種類繁多。它包括所有的陸生、水生植物，人類和動物的排泄物以及工業(yè)有機(jī)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(diǎn)，且發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣和沼液可作為有機(jī)肥重回土壤，實(shí)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%95%。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(jī)械強(qiáng)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偏髙也杲影響其厭氧生物轉(zhuǎn)化3的一個(gè)因素。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵工藝，該工藝可提高木質(zhì)纖維原料的生物轉(zhuǎn)化率。木質(zhì)纖維原料主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，以及木質(zhì)纖維原料的C/N偏高的特點(diǎn)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)向發(fā)酵物中添加一些多孔性的微生物含量豐富的C/N較低的原料是有效解決這些問題的重要技術(shù)途徑。在相同條件下，提高系統(tǒng)中微生物的種類和數(shù)量將增加微生物與原料接觸的機(jī)會，促進(jìn)原料的水解酸化產(chǎn)氣。頓糞是蚯頓的排泄物，含有大量微生物和酶，并且蚓糞的C/N較低，將之加入?yún)捬跸到y(tǒng)中可提高系統(tǒng)中微生物的活性，調(diào)節(jié)C/N，促進(jìn)木質(zhì)纖維原料的生物轉(zhuǎn)化。同時(shí)，所用蚓糞源自蚯蚓處理木質(zhì)纖維原料發(fā)酵后的沼渣，實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)纖維原料的最大轉(zhuǎn)化率。本發(fā)明的目的是通過下列技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的一種木質(zhì)纖維原料資源化工藝，該工藝包含下列步驟a.將木質(zhì)纖維原料粉碎，按木質(zhì)纖維原料與蚓糞的干物質(zhì)重量比為4:12:3的比例加入蚓糞，混合均勻；b.加入接種物及適量水進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，以干物質(zhì)重量計(jì)，接種物的加入量為木質(zhì)纖維原料干重的530wt%，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、新鮮牛糞中的一種或多種。老沼氣池指已正常運(yùn)行一段時(shí)間的沼氣池。所述的工藝，還包含下列步驟將厭氧發(fā)酵后的沼渣調(diào)節(jié)含水率至6080%，加入蚯蚓處理，取處理所得的部分蚓糞再與粉碎的木質(zhì)纖維原料混合后接種進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，發(fā)酵后的沼渣再用蚯蚓進(jìn)行處理，如此循環(huán)往復(fù)；剩余的頓糞制成有機(jī)肥，養(yǎng)殖的蚯蚓除部分用來處理沼渣，部分作為詞料；蚓糞加入量與上述步驟a相同，接種物的種類及加入量上述步驟b相同。所述的工藝，其中木質(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?shí)際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(jī)械方法切成12cm的小段；或者通過秸稈粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，達(dá)到使原料均勻的目的。所述的工藝，其中蚓糞是將木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵后的沼渣加入蚯蚓處理所得。所述的工藝，其中蚯蚓的加入量為每100克發(fā)酵后的沼渣干物質(zhì)50200只，處理時(shí)間為12周。所述的工藝，其中蚯蚓品種為愛勝屬類(&'w"/a);優(yōu)選為赤子愛勝頓(&wm力/幼Wa)或紅色愛勝蚓(&'^m'amyea)中的一種或多種。愛勝屬蚯蚓本屬近20種，在歐洲、北美分布較廣，在我國各省區(qū)都有發(fā)現(xiàn)。目前世界上養(yǎng)殖最普遍的就是本屬的赤子愛勝蚓和紅色愛勝蚓。愛勝屬類蚯蚓具有適應(yīng)力強(qiáng)、喜吃垃圾和畜禽糞等特點(diǎn)，且繁殖能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的處理沼渣的能力。所述的工藝，其中厭氧發(fā)酵時(shí)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(jìn)行攪拌。所述的工藝，經(jīng)過3050天的厭氧發(fā)酵，當(dāng)日產(chǎn)氣量低于平均日產(chǎn)氣量的30%時(shí)，反應(yīng)即可結(jié)束，進(jìn)行新一輪發(fā)酵。本發(fā)明的有益效果1、工藝簡單，可操作性強(qiáng)。2、將木質(zhì)纖維原料與蚓糞混合厭氧消化產(chǎn)沼氣，從C/N上講這兩種物質(zhì)就是有互補(bǔ)性的，不但提高了木質(zhì)纖維原料的生物轉(zhuǎn)化率，單位木質(zhì)纖維原料沼氣產(chǎn)量最高可提高22.25%。同時(shí)，可將沼渣轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥，最大程度的實(shí)現(xiàn)了廢物的"零排放"。3、將木質(zhì)纖維原料與蚓糞混合發(fā)酵改善了微生物的生存環(huán)境，可以有效的提高系統(tǒng)的緩沖能力，避免發(fā)酵過程中可能出現(xiàn)的酸化，同時(shí)使產(chǎn)氣高峰提前，縮短發(fā)酵周期，提高發(fā)酵裝置的處理能力和處理效率。4、將發(fā)酵后的木質(zhì)纖維原料養(yǎng)殖蚯蚓，可同時(shí)獲得蚓糞和蚯蚓。除少部分蚓糞用于與木質(zhì)纖維原料混合發(fā)酵外，大部分可加工成商品有機(jī)肥出售，產(chǎn)生的蚯蚓是一種很好的高蛋白飼料，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。圖1為實(shí)發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量的變化曲線。圖2為發(fā)酵過程中pH的變化情況。圖3為本發(fā)明的工藝流程圖。具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。通過機(jī)械或人工方法將收割后的木質(zhì)纖維原料切成12cm的小段，然后與頓糞按干物質(zhì)比100:0(C100)、80:20(C80)、60:40(C60)、40:60(C40)、20:80(C20)和0:100(CO)混合均勻后投加到厭氧反應(yīng)器中，加入?yún)捬跷勰?老沼氣池的污泥、腐敗河泥、新鮮牛糞或城市污水處理廠的厭氧消化污泥中的一種或多種)進(jìn)行接種，按干重計(jì)，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，使木質(zhì)纖維原料+蚓糞的反應(yīng)器的系統(tǒng)TS負(fù)荷(指反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物的負(fù)荷率)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±1°C，發(fā)酵過程中通過攪拌裝置對發(fā)酵物進(jìn)行攪拌；24h內(nèi)即可產(chǎn)生沼氣，發(fā)酵過程中的pH變化見圖2。蚓糞與木質(zhì)纖維原料混合發(fā)酵明顯提高了混合物的緩沖能力，混合物中蟲引糞的比例越高pH越高。每天測定儲氣裝置內(nèi)沼氣體積，各處理日產(chǎn)氣量結(jié)果見圖1。累積產(chǎn)氣量的結(jié)果如表1所示，蚓糞在發(fā)酵過程中幾乎不產(chǎn)氣，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)累積產(chǎn)氣量僅為40mL，以木質(zhì)纖維原料與蚓糞干物質(zhì)比3:2的累積產(chǎn)氣量最高，混合物的單位質(zhì)量產(chǎn)氣量達(dá)410.57mL/gTS,相較于木質(zhì)纖維原料單獨(dú)發(fā)酵的單位質(zhì)量產(chǎn)氣量提高了22.25%。蚓糞與木質(zhì)纖維原料混合發(fā)酵不但提高了木質(zhì)纖維原料的產(chǎn)氣能力，產(chǎn)氣高峰明顯提前，CIOO、C80、C60、C40和C20在實(shí)驗(yàn)第20天時(shí)的累積產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的比例分別為52.34%、88.13%、83.37%、86.80%和98.54%，第30天時(shí)分別為84.31%、97.23%、95.40%、96.86%和100%，可以看出混合發(fā)酵改善了微生物的生存環(huán)境，提高了微生物的活性，縮短了產(chǎn)氣周期。表1:<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>經(jīng)過30天的發(fā)酵，產(chǎn)氣量明顯下降，當(dāng)日產(chǎn)氣量低于平均閂產(chǎn)氣量的30%時(shí)，反應(yīng)即可結(jié)束。將發(fā)酵后的沼渣取出，調(diào)節(jié)含水率至60%80%(晾曬或添加少許干秸稈)，加入蚯蚓處理12周，蚯蚓的加入量為每100克沼渣干物質(zhì)50200只。所用蚯頓為愛勝屬類，包括赤子愛勝蚓、紅色愛勝蚓等，可以是其中的一種或多種。愛勝屬蚯頓具有喜食垃圾、糞便的特點(diǎn)，對沼渣具有很強(qiáng)的處理能力。蚯蚓處理后的沼渣質(zhì)量下降30%左右，蚯蚓數(shù)量增加20%左右，蚓糞通過篩網(wǎng)分離，蚯蚓和未被完全分解利用的沼渣位于篩網(wǎng)上方，篩網(wǎng)上的沼渣揮發(fā)性固體含量大幅下降30%左右。所得蚓糞氮含量高達(dá)4.5%，有機(jī)質(zhì)含量為35%37%，且顆粒均勻，帶有少許泥土的氣味，是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥。蚯蚓處理沼渣所得蚓糞除部分用于與木質(zhì)纖維原料混合發(fā)酵外，大部分可加工成有機(jī)肥出售。蚯蚓是一種優(yōu)質(zhì)的高蛋白飼料，隨著蚯蚓數(shù)量的不斷增加，除部分蚯蚓用于沼渣處理外，多余的蚯蚓可作為飼料出售。本工藝在處理木質(zhì)纖維原料的同時(shí)，可獲得清潔的能源——沼氣，優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料——蚓糞，優(yōu)質(zhì)的蛋白飼料——蚯蚓，以及少量液態(tài)肥——沼液，實(shí)現(xiàn)了資源的最大利用率，符合我國可持續(xù)發(fā)展的要求，具有很好的應(yīng)用前景。權(quán)利要求1、一種木質(zhì)纖維原料資源化工藝，其特征在于該工藝包含下列步驟a.將木質(zhì)纖維原料粉碎，按木質(zhì)纖維原料與蚓糞的干物質(zhì)重量比為4∶1～2∶3的比例加入蚓糞，混合均勻；b.加入接種物及適量水進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，以干物質(zhì)重量計(jì)，接種物的加入量為木質(zhì)纖維原料干重的5～30wt％，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、新鮮牛糞中的一種或多種。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于該工藝還包含下列步驟將厭氧發(fā)酵后的沼渣調(diào)節(jié)含水率至6080%，加入蚯蚓處理，取處理所得的部分蚓糞再與粉碎的木質(zhì)纖維原料混合后接種進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，發(fā)酵后的沼渣再用蚯蚓進(jìn)行處理，如此循環(huán)往復(fù)；剩余的蚓糞制成有機(jī)肥，養(yǎng)殖的蚯蚓除部分用來處理沼渣，部分作為飼料；蚓糞加入量、接種物的種類及加入量均與權(quán)利要求1相同。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征是所述木質(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。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于蚓糞是將木質(zhì)纖維原料厭氧發(fā)酵后的沼渣加入蚯蚓處理所得。5、根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的工藝，其特征在于蚯蚓的加入量為每100克發(fā)酵后的沼渣干物質(zhì)50200只，處理時(shí)間為12周。6、根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的工藝，其特征是蚯蚓品種為愛勝屬類。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的工藝，其特征是蚯蚓為赤子愛勝蚓或紅色愛勝蚓中的一種或多種。8、根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的工藝，其特征在于厭氧發(fā)酵時(shí)溫度控制在35irC，發(fā)酵過程中通過攪拌裝置對發(fā)酵物進(jìn)行攪拌。9、根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的工藝，其特征在于經(jīng)過3050天的厭氧發(fā)酵，當(dāng)曰產(chǎn)氣量低于平均日產(chǎn)氣量的30%時(shí)，反應(yīng)即可結(jié)束，進(jìn)行新一輪發(fā)酵。全文摘要本發(fā)明屬于可再生能源開發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，公開了一種木質(zhì)纖維原料資源化工藝。該工藝將木質(zhì)纖維原料粉碎，按適當(dāng)比例加入蚓糞，混合均勻，再加入接種物進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。本發(fā)明利用蚯蚓處理木質(zhì)纖維原料發(fā)酵后的沼渣，沼渣處理后的蚓糞與木質(zhì)纖維原料混合發(fā)酵產(chǎn)沼氣，提高了木質(zhì)纖維原料的厭氧轉(zhuǎn)化效率，縮短了產(chǎn)氣周期，并可獲得高品質(zhì)的有機(jī)肥和高蛋白飼料，實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)纖維原料的有效利用。文檔編號C12P5/02GK101481710SQ20091002885公開日2009年7月15日申請日期2009年1月22日優(yōu)先權(quán)日2009年1月22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)