本發(fā)明屬于生物質(zhì)固體廢棄物高效資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高禾本科植物秸稈厭氧消化產(chǎn)氣效率的方法。

背景技術(shù)：

我國作為農(nóng)業(yè)大國，年產(chǎn)各類作物秸稈超過6億噸，秸稈資源豐富。但秸稈的綜合利用率較低，大部分還田或焚燒，這不僅浪費(fèi)資源，還會帶來諸多社會危害。玉米秸稈作為一種主要的農(nóng)作物秸稈，在我國北方地區(qū)十分豐富，是一種很好的可再生生物質(zhì)資源。利用厭氧消化技術(shù)將玉米秸稈轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)熱值的沼氣具有巨大的開發(fā)潛力和利用價(jià)值，可以在一定程度上替代化石能源，因此農(nóng)業(yè)廢棄秸稈的資源化利用一直是研究熱點(diǎn)。

玉米秸稈中含有可降解生物質(zhì)，但作為厭氧消化的原料卻存在著發(fā)酵啟動時間長、厭氧消化周期長、原料利用率低等問題。這主要是由于玉米秸稈中的纖維素成分具有很高的聚合度和結(jié)晶性能，并且被木質(zhì)素和半纖維素包裹著，這都影響厭氧消化微生物分泌的纖維素酶將其降解。所以，預(yù)處理技術(shù)在提高纖維素類原料厭氧消化產(chǎn)氣中起著重要作用。

目前，國內(nèi)外對秸稈厭氧消化前的預(yù)處理方法主要有物理法(蒸汽爆破、切割、研磨等)、化學(xué)法(酸法、堿法、熱處理、臭氧處理等)和生物法(白腐真菌接種、發(fā)酵菌液浸泡、纖維素酶等)及不同預(yù)處理方法的組合使用。物理預(yù)處理通過減小物料粒徑、改變物料晶體結(jié)構(gòu)、使微生物酶與底物有效接觸而促進(jìn)消化進(jìn)程?；瘜W(xué)預(yù)處理可以促進(jìn)復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谏锝到獾男》肿游镔|(zhì)，從而提高產(chǎn)氣效率。生物預(yù)處理是利用微生物對秸稈先進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，以縮短隨后的厭氧消化時間。

相關(guān)的專利有：公開號為CN101851124A的一種以汽爆為預(yù)處理的農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化工藝，將作物秸稈和畜禽糞便按合適的比例混合后進(jìn)行汽爆處理后進(jìn)行厭氧消化處理。公開號為CN104593432A的堿與鹽聯(lián)合預(yù)處理提高玉米秸稈厭氧消化甲烷產(chǎn)量的方法，利用氫氧化鉀和金屬鹽類對粉碎后的玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理再進(jìn)行厭氧發(fā)酵。公開號為CN103060387A的一種堿聯(lián)合預(yù)處理、黑液循環(huán)利用的纖維素類生物質(zhì)厭氧消化工藝，利用氫氧化鈣對纖維素類生物質(zhì)進(jìn)行堿聯(lián)合預(yù)處理；然后固液分離，固態(tài)物料作為后續(xù)厭氧消化過程的原料。公開號為CN102586335A的一種氨-生物聯(lián)合處理小麥秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法。通過將小麥秸稈依次進(jìn)行氨預(yù)處理、生物預(yù)處理后進(jìn)行完全混合式厭氧消化來產(chǎn)沼氣。公開號為CN105506030A的一種木質(zhì)纖維素厭氧產(chǎn)沼氣預(yù)處理及發(fā)酵工藝，采用纖維素酶對木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，并促進(jìn)厭氧發(fā)酵過程中木質(zhì)纖維素的水解。

以上發(fā)明對秸稈進(jìn)行了預(yù)處理后進(jìn)行厭氧消化處理，在一定程度上提高了厭氧消化處理的生物轉(zhuǎn)化率，縮短了厭氧消化周期，提高了厭氧消化沼氣產(chǎn)量，一定程度上解決了秸稈廢棄物厭氧消化產(chǎn)氣困難的問題。但是，上述發(fā)明均是對農(nóng)作物秸稈整株預(yù)處理后進(jìn)行厭氧消化，整體來說預(yù)處理方法較為粗放單一，因此，對現(xiàn)有的秸稈預(yù)處理方法進(jìn)行改良以進(jìn)一步使秸稈厭氧消化產(chǎn)氣效率得到最大程度的釋放仍是本領(lǐng)域研究人員的追求和呼聲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種提高禾本科植物秸稈厭氧消化產(chǎn)氣效率的預(yù)處理方法。經(jīng)由本發(fā)明的預(yù)處理方法預(yù)處理后的秸稈進(jìn)行厭氧消化生產(chǎn)沼氣，能夠縮短厭氧消化的周期，降低經(jīng)濟(jì)成本，同時增加沼氣產(chǎn)量，更大程度地實(shí)現(xiàn)秸稈的優(yōu)化利用。

本發(fā)明提供一種提高禾本科植物秸稈厭氧消化產(chǎn)氣效率的預(yù)處理方法，其是將整株植物秸稈分離成莖皮、莖髓、葉片和秸稈的其余部分，然后對莖髓采用酸處理、對葉片和秸稈的其余部分均采用堿處理、對莖皮不進(jìn)行處理。

其中，所述的將整株植物秸稈分離成莖皮、莖髓、葉片和秸稈的其余部分是本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本領(lǐng)域的常規(guī)知識和技能即可進(jìn)行的常規(guī)操作。

按照本領(lǐng)域常規(guī)，在進(jìn)行上述預(yù)處理之后，一般來說，再將經(jīng)過預(yù)處理的植物秸稈的不同部位混合后進(jìn)行厭氧消化，生產(chǎn)沼氣。

優(yōu)選地，在將整株植物秸稈分離成莖皮、莖髓、葉片和秸稈的其余部分之后，還對各部分分別進(jìn)行機(jī)械破碎。

更優(yōu)選地，在進(jìn)行所述機(jī)械破碎后，還對各部分分別進(jìn)行過篩，所述過篩優(yōu)選過30-50目篩，最優(yōu)選過40目篩。

優(yōu)選地，所述禾本科植物是玉米、小麥、大麥、高粱或水稻。

其中，所述禾本科植物為玉米時，所述秸稈的其余部分為玉米芯。

其中，所述酸處理可以使用鹽酸、硫酸或硝酸進(jìn)行處理，優(yōu)選使用鹽酸進(jìn)行處理，所述鹽酸更優(yōu)選濃度為10％的稀鹽酸。

所述堿處理可以使用氨水、氫氧化鈉或氫氧化鉀進(jìn)行處理，優(yōu)選使用氨水進(jìn)行處理，所述氨水更優(yōu)選濃度為10％的氨水。

所述酸處理和所述堿處理的處理時間優(yōu)選8～12天，更優(yōu)選10天。

所述酸處理和所述堿處理中，原料和處理液的固液比優(yōu)選1:5。

本發(fā)明還提供上述種提高禾本科植物秸稈厭氧消化產(chǎn)氣效率的預(yù)處理方法在生物質(zhì)資源化處理工程中的應(yīng)用。

本發(fā)明具有下述有益效果：

本發(fā)明針對秸稈不同部位的組成成分和組織結(jié)構(gòu)存在很大差異，而不同預(yù)處理方法對不同成分的作用原理不同這一特性，分別采用適合不同部位特點(diǎn)的預(yù)處理方法處理后再混合進(jìn)行厭氧消化生產(chǎn)沼氣，與秸稈整株不分離且采用任一預(yù)處理方法處理后再厭氧消化相比，達(dá)到縮短厭氧消化周期，降低經(jīng)濟(jì)成本，同時提高沼氣產(chǎn)量，更大程度地實(shí)現(xiàn)玉米秸稈的優(yōu)化利用。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1玉米秸稈不同部位采用不同方法預(yù)處理后厭氧消化沼氣產(chǎn)量圖。

圖2為實(shí)施例1玉米秸稈不同部位采用本發(fā)明的預(yù)處理方法處理后混合厭氧消化與整株采用單一預(yù)處理方法處理后混合厭氧消化沼氣產(chǎn)量比較圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例以玉米秸稈為處理對象，利用本發(fā)明的方法對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，同時進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，預(yù)處理完后進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)：

1、選取10棵植株完整的玉米秸稈自然風(fēng)干后經(jīng)人工剝離、分選為葉片、莖皮、莖髓、玉米芯四部分，與整株對照樣品分別粉碎過40目篩；

2、分別稱取玉米秸稈各部位原料：莖皮37.68g，莖髓38.65g，葉片36.47g，玉米芯36.42g，整株36.96g(均含有相同的干物質(zhì)質(zhì)量：34.78g)各三份，置于廣口瓶內(nèi)，并分別進(jìn)行不處理、用10％的稀鹽酸浸泡處理和10％的氨水浸泡處理三個實(shí)驗(yàn)組，原料與處理液固液比為1:5，于25℃室溫下密封保存，預(yù)處理時間為10天；

3、厭氧消化接種物由實(shí)驗(yàn)室以前秸稈厭氧消化后剩余的沼液富集得到，pH為7.9，加入葡萄糖營養(yǎng)液培養(yǎng)馴化10天；

4、將上述預(yù)處理后原料進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)，基質(zhì)內(nèi)依次加入接種物、水和定量的NH₄HCO₃試劑，調(diào)節(jié)接種量為40％，實(shí)驗(yàn)料液TS濃度約為6％，C/N比為25:1，分別用NaOH溶液和稀HCl溶液調(diào)節(jié)基質(zhì)pH為7，最后將裝有混合發(fā)酵料液的發(fā)酵瓶置于37℃恒溫水浴鍋內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)厭氧消化實(shí)驗(yàn)，每個實(shí)驗(yàn)組重復(fù)三次，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行30天；

5、采用排水法測沼氣的體積，并每天用量筒測量氣體體積，每5天取一次氣樣檢測其甲烷的含量。

6、未經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈不同部位厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣情況：玉米芯、莖皮、整株、葉片、莖髓分別為23970ml、23721ml、21750ml、21161ml、18576ml。

7、經(jīng)過鹽酸預(yù)處理后的整株、莖髓、玉米芯部分產(chǎn)氣量有明顯增加，分別達(dá)到23219ml、23807ml、25324ml，葉片變化不大(21463ml)，增長幅度分別為6.7％、28.2％、5.7％、1.4％，莖皮產(chǎn)氣量減少了10.4％(21257ml)。

8、用氨水預(yù)處理的玉米秸稈不同部位的產(chǎn)氣情況，除莖皮的產(chǎn)氣量與未預(yù)處理時持平外，其余部分的產(chǎn)氣量均有所增加，其中玉米芯的產(chǎn)氣量更是高達(dá)27276ml，其次是莖皮(24432ml)、整株(23157ml)、葉片(22338ml)、莖髓(21499ml)，分別比未經(jīng)預(yù)處理產(chǎn)氣量增加了13.8％、0.3％、6.5％、5.6％、15.7％。

9、綜合以上數(shù)據(jù)得到圖1(其中縱坐標(biāo)表示產(chǎn)氣量，單位為mL)，可以更直觀的比較厭氧消化沼氣產(chǎn)量，莖髓在兩種化學(xué)方法預(yù)處理后產(chǎn)氣量均有較大漲幅，其中效果更佳的是鹽酸法預(yù)處理；莖皮采用酸法預(yù)處理產(chǎn)氣量不增反降，采用氨水預(yù)處理后產(chǎn)氣量基本不變；玉米芯、葉片在兩種化學(xué)方法預(yù)處理后產(chǎn)氣量均有較大漲幅，其中效果更佳的是氨水法預(yù)處理。

10、按照玉米秸稈不同部位在整株中所占重量比，稱量12.24g莖皮、5.69g莖髓、16.97g葉片、2.10g玉米芯(總重37.00g)分別經(jīng)過上述適宜的預(yù)處理方法處理后混合厭氧消化，沼氣產(chǎn)量為24773ml。

11、由圖2可見，玉米秸稈不同部位分別采用適宜的預(yù)處理方法處理后混合厭氧消化產(chǎn)沼氣量與整株未預(yù)處理后厭氧消化的產(chǎn)沼氣量相比提高了13.9％，與整株鹽酸預(yù)處理和整株氨水預(yù)處理后厭氧消化的產(chǎn)沼氣量相比分別提高了6.7％和6.72％。這樣的提高程度將為生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)施例2

按實(shí)施例1同樣的方法對高粱秸稈的不同部位進(jìn)行機(jī)械破碎、過篩。然后對高粱秸稈的莖髓采用硫酸進(jìn)行處理、對葉片和秸稈的其余部分均采用氫氧化鈉處理，對莖皮不處理。預(yù)處理過后進(jìn)行厭氧發(fā)酵，與整株未預(yù)處理后進(jìn)行厭氧消化及與整株硫酸預(yù)處理和整株氫氧化鈉預(yù)處理后厭氧消化的產(chǎn)沼氣量進(jìn)行比較。

結(jié)果表明，與實(shí)施例1中所示結(jié)果類似地，對各部位分別進(jìn)行預(yù)處理后，再進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，沼氣產(chǎn)量有大幅提升，發(fā)酵周期縮短，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

需要說明的是，本發(fā)明中，所述酸處理以鹽酸和硫酸為例，其中鹽酸濃度更優(yōu)選10％的稀鹽酸，但其他濃度的酸試劑也適用于本發(fā)明，氨水作為優(yōu)選堿試劑，特別優(yōu)選10％氨水，但是其他濃度的堿試劑同樣適用于本發(fā)明。

以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。