阅读说明：本技术 一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法 (Method for preparing methane by utilizing straw anaerobic fermentation ) 是由 孟祥汇 曲京博 刘昱英男 李楠 王智 曲斌 孙勇 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法,涉及甲烷制备技术领域,所述利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法包括以下步骤：将秸秆切割成2-3cm的小段后,将其放置在装有造纸废水的密封的发酵反应器中,在50-55℃的温度下混合,并保持密封状态3-4天后,向发酵反应器中加入沼液作为接种物,并继续向发酵反应器中加入酸性溶液,使混合溶液的pH值范围为6.8-7.5；继续向发酵反应器中通入氮气,进行厌氧发酵,获得甲烷。本发明用造纸废水预处理秸秆,对秸秆内部的木质素进行了破坏,在厌氧发酵的过程中使水分子进入秸秆内部,提高了秸秆的沉降性,解决了浮渣结壳层的问题,促进厌氧发酵的进程,增加甲烷气体的产量。(The invention provides a method for preparing methane by utilizing straw anaerobic fermentation, which relates to the technical field of methane preparation, and comprises the following steps: cutting straws into 2-3cm segments, placing the segments in a sealed fermentation reactor filled with papermaking wastewater, mixing at 50-55 ℃, keeping the sealed state for 3-4 days, adding biogas slurry serving as an inoculum into the fermentation reactor, and continuously adding an acidic solution into the fermentation reactor to ensure that the pH value of the mixed solution is within the range of 6.8-7.5; and continuously introducing nitrogen into the fermentation reactor for anaerobic fermentation to obtain methane. The invention pretreats the straws with the papermaking wastewater, destroys lignin in the straws, and enables water molecules to enter the straws in the anaerobic fermentation process, thereby improving the settleability of the straws, solving the problem of scum shell-forming layer, promoting the anaerobic fermentation process and increasing the yield of methane gas.)

一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法

技术领域

本发明涉及甲烷制备技术领域，具体而言，涉及一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法。

背景技术

我国是农业大国，在大量农产品生长和生产的过程中每年会产生8亿多吨秸秆，其中玉米秸秆的产量占据了总秸秆产量的25％以上。自2014年以来，国家颁布了秸秆禁烧令后，秸秆综合利用率得到了大幅提升，但仍有大量秸秆没有得到利用，造成严重的环境污染和极大地资源浪费。

现有技术中，广泛使用秸秆作为沼气工程的原料，通过厌氧发酵的形式获得清洁能源沼气，这种方式在一定程度上解决了秸秆的后续处理和资源化利用的问题，获得一定的经济效益，并且生产的沼气作为清洁能源可以替代的石油、煤等传统燃料，且在使用过程中也不会造成环境污染。但目前在沼气的生产阶段，厌氧发酵的过程中秸秆中的木质素将纤维素和半纤维素包裹起来，使水分子很难能够进入，致使秸秆的吸水性变差，沉降性也降低，直接导致了秸秆漂浮在厌氧发酵系统上层，从而累积形成浮渣层，进一步影响了厌氧发酵过程的成功，最终导致了沼气产率的降低。

发明内容

本发明解决的问题是如何利用秸秆厌氧发酵制取高产率的甲烷的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法，包括如下步骤：

步骤一，将秸秆切割成2-3cm的小段后，将所述秸秆放置在装有造纸废水的密封的发酵反应器中，在50-55℃的温度下混合，并保持密封状态3-4天后得到第一混合溶液；

步骤二，向所述发酵反应器中加入沼液作为接种物，得到第二混合溶液；

步骤三，向所述发酵反应器中加入酸性溶液，得到第三混合溶液，并使所述第三混合溶液的pH值范围为6.8-7.5；

步骤四，向所述发酵反应器中通入氮气，进行厌氧发酵，获得甲烷。

可选地，步骤一中所述秸秆与所述造纸废水的混合比例为每100-150g所述秸秆需要2000-3000ml所述造纸废水。

可选地，步骤一中所述秸秆与所述造纸废水的混合比例为每100g所述秸秆需要2000ml所述造纸废水。

可选地，步骤一中所述混合的条件为每天晃动所述发酵反应器2-3次，且每次持续时间为4-6分钟。

可选地，步骤二中所述沼液为经过10目滤网过滤后的有机物质经发酵后制得。

可选地，步骤二中所述第二混合溶液的总固体含量范围为6-8％。

可选地，步骤三中所述酸性溶液为醋酸、硫酸或盐酸。

可选地，步骤四中所述通入氮气的时间为3-5min。

可选地，步骤四中所述厌氧发酵是在恒温条件下进行的，且所述厌氧发酵的温度范围为34-36℃。

可选地，所述厌氧发酵的时间为20-25天。

与现有技术比较，本发明所述的利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法具有如下有益效果：

1)用造纸废水预处理秸秆可以降低秸秆预处理的成本，且预处理的过程简单，对于设备的损耗较小，节约时间和操作成本。

2)在相同规模等条件下利用传统厌氧发酵制取甲烷气体的方法相比，通过本发明的方法制取甲烷气体的总产量提高了20％-30％，并且厌氧发酵过程中浮渣层厚度减少了25％-40％，使用成本低，环境友好，提高了社会和经济效益。

3)通过本发明的方法使造纸废水的BOD及COD指标均降低30％-40％，减少了后续对环境的污染。

附图说明

图1为本发明实施例中利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。术语“一些具体实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

我国造纸过程中的废水大多数为蒸煮废液，为pH值处于11-13之间的强碱性液体，因其具有高BOD值、高COD值和强污染性，需要对其进行处理后，才能进行排放，极大地提高了企业的生产成本，并对环境造成一定的危害。而在现有技术中，广泛使用秸秆作为沼气工程的原料，通过厌氧发酵的形式获得清洁能源沼气，但目前在沼气的生产阶段，厌氧发酵的过程中秸秆中的木质素将纤维素和半纤维素包裹起来，使水分子很难能够进入，致使秸秆的吸水性变差，沉降性也降低，直接导致了秸秆漂浮在厌氧发酵系统上层，从而累积形成浮渣层，进一步影响了厌氧发酵过程的成功，最终导致了沼气产率的降低。因此，针对这造纸废水与秸秆这两种废弃物的特点，使其处理方式便捷、成本降低、并制取高品质的清洁能源甲烷，获得一定的经济效益是十分必要的。

如图1所示，本发明实施例提供了一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法，包括如下步骤：

步骤一，将秸秆切割成2-3cm的小段后，将所述秸秆放置在装有造纸废水的密封的发酵反应器中，在50-55℃的温度下混合，并保持密封状态3-4天后得到第一混合溶液；

步骤二，向所述发酵反应器中加入沼液作为接种物，得到第二混合溶液；

步骤三，向所述发酵反应器中加入酸性溶液，得到第三混合溶液，并使所述第三混合溶液的pH值范围为6.8-7.5；

步骤四，向所述发酵反应器中通入氮气，进行厌氧发酵，获得甲烷。

优选地，步骤一中所述秸秆与所述造纸废水的混合比例为每100-150g所述秸秆需要2000-3000ml所述造纸废水，使得秸秆能够完全浸泡在造纸废水中。

优选地，步骤一中所述秸秆与所述造纸废水的混合比例为每100g所述秸秆需要2000ml所述造纸废水。由此，既节省原料，又能够使得秸秆完全浸泡在造纸废水中，混合更加充分。

优选地，步骤一中所述充分混合的条件为每天晃动所述发酵反应器2-3次，且每次持续时间为4-6分钟。由此，使造纸废水对秸秆进行充分处理，对秸秆的内部结构造成破坏，即破坏了秸秆中木质素的结构，使其不再包裹纤维素和半纤维素，有利于后期甲烷的生产。

优选地，步骤二中所述沼液为经过10目滤网过滤后的有机物质经发酵后制得。制备简单，容易获得，且原料来源丰富。

优选地，步骤二中所述第二混合溶液的总固体含量范围为6-8％，此范围能够避免有机负荷过高，更有利于厌氧反应的开启。

优选地，步骤三中所述酸性溶液为醋酸、硫酸或盐酸，能够中和造纸废水的碱性，更有利于构建生产甲烷的环境，有利于后期甲烷的生产。

优选地，步骤四中所述通入氮气的时间为3-5min，确保生产甲烷的厌氧环境。

优选地，步骤四中所述厌氧发酵是在恒温条件下进行的，且所述厌氧发酵的温度范围为34-36℃，此范围更适合厌氧发酵的温度，且经济性能较好。

优选地，所述厌氧发酵的时间为20-25天，保证厌氧发酵过程的完全进行。

在一些具体的实施例中，一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法，包括如下步骤：

步骤一，将秸秆切割成2-3cm的小段后，并按照每100-150g所述秸秆需要2000-3000ml所述造纸废水的比例，将所述秸秆放置在装有造纸废水的密封的透明的发酵反应器中，在50-55℃的温度下混合，保持密封状态3-4天后得到第一混合溶液；且每天晃动所述发酵反应器2-3次，每次持续时间为4-6分钟，使造纸废水对秸秆进行充分处理；此步骤一方面用造纸废水预处理秸秆，对秸秆内部的木质素进行了破坏，在厌氧发酵的过程中使水分子能够进入秸秆内部，提高了秸秆的沉降性，从而一定程度上解决了浮渣结壳层的问题，促进了厌氧发酵的进程，增加了甲烷气体的产量，另一方面，发酵反应器为密封透明，便于厌氧发酵的进行且能够时刻观察发酵反应器内的反应情况；

步骤二，向所述发酵反应器中加入沼液作为接种物，得到第二混合溶液，并确保所述第二混合溶液的总固体含量范围为6-8％；

步骤三，向所述发酵反应器中加入酸性溶液，得到第三混合溶液，并使所述第三混合溶液的pH值范围为6.8-7.5；

步骤四，向所述发酵反应器中通入氮气，持续3-5min，在温度范围为34-36℃的条件下进行厌氧发酵20-25天，获得甲烷。

本实施例所述的利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法用造纸废水预处理秸秆，对秸秆内部的木质素进行了破坏，在厌氧发酵的过程中使水分子能够进入秸秆内部，提高了秸秆的沉降性，从而一定程度上解决了浮渣结壳层的问题，促进了厌氧发酵的进程，增加了甲烷气体的产量，在相同规模等条件下利用传统厌氧发酵制取甲烷气体的方法相比，通过本发明的方法制取甲烷气体的总产量提高了20％-30％，并且厌氧发酵过程中浮渣层厚度减少了25％-40％，使用成本低，环境友好，提高了社会和经济效益，同时可以降低秸秆预处理的成本，且预处理的过程简单，对于设备的损耗较小，节约时间和操作成本。另外，通过本实施例的方法使造纸废水的BOD和COD均降低30％-40％，减少了后续对环境的污染。

实施例1

本实施例中提供的一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法，包括如下步骤：

步骤一，将秸秆切割成2cm的小段后，并按照每100g所述秸秆需要2000ml所述造纸废水的比例，将所述秸秆放置在装有造纸废水的密封的透明的发酵反应器中，在50℃的温度下混合，保持密封状态3天后得到第一混合溶液；且每天晃动所述发酵反应器2次，每次持续时间为4分钟，使造纸废水对秸秆进行充分处理；

步骤二，向所述发酵反应器中加入沼液作为接种物，得到第二混合溶液，并确保所述第二混合溶液的总固体含量范围为6％；

步骤三，向所述发酵反应器中加入酸性溶液，得到第三混合溶液，并使所述第三混合溶液的pH值范围为6.8；

步骤四，向所述发酵反应器中通入氮气，持续3min，在温度范围为34℃的条件下进行厌氧发酵20天，获得甲烷。

本实施例所述的利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法用造纸废水预处理秸秆，对秸秆内部的木质素进行了破坏，在厌氧发酵的过程中使水分子能够进入秸秆内部，提高了秸秆的沉降性，从而一定程度上解决了浮渣结壳层的问题，促进了厌氧发酵的进程，增加了甲烷气体的产量，在相同规模等条件下利用传统厌氧发酵制取甲烷气体的方法相比，通过本发明的方法制取甲烷气体的总产量提高了22％，并且厌氧发酵过程中浮渣层厚度减少了28％，使用成本低，环境友好，提高了社会和经济效益，同时可以降低秸秆预处理的成本，且预处理的过程简单，对于设备的损耗较小，节约时间和操作成本。另外，通过本实施例的方法使造纸废水的BOD及COD指标均降低32％，减少了后续对环境的污染。

实施例2

本实施例中提供的一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法，包括如下步骤：

步骤一，将秸秆切割成3cm的小段后，并按照每130g所述秸秆需要2600ml所述造纸废水的比例，将所述秸秆放置在装有造纸废水的密封的透明的发酵反应器中，在53℃的温度下混合，保持密封状态3天后得到第一混合溶液；且每天晃动所述发酵反应器3次，每次持续时间为5分钟，使造纸废水对秸秆进行充分处理；

步骤二，向所述发酵反应器中加入沼液作为接种物，得到第二混合溶液，并确保所述第二混合溶液的总固体含量范围为7％；

步骤三，向所述发酵反应器中加入酸性溶液，得到第三混合溶液，并使所述第三混合溶液的pH值范围为7；

步骤四，向所述发酵反应器中通入氮气，持续4min，在温度范围为35℃的条件下进行厌氧发酵23天，获得甲烷。

本实施例所述的利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法用造纸废水预处理秸秆，对秸秆内部的木质素进行了破坏，在厌氧发酵的过程中使水分子能够进入秸秆内部，提高了秸秆的沉降性，从而一定程度上解决了浮渣结壳层的问题，促进了厌氧发酵的进程，增加了甲烷气体的产量，在相同规模等条件下利用传统厌氧发酵制取甲烷气体的方法相比，通过本发明的方法制取甲烷气体的总产量提高了20％，并且厌氧发酵过程中浮渣层厚度减少了30％，使用成本低，环境友好，提高了社会和经济效益，同时可以降低秸秆预处理的成本，且预处理的过程简单，对于设备的损耗较小，节约时间和操作成本。另外，通过本实施例的方法使造纸废水的BOD及COD指标均降低30％，减少了后续对环境的污染。

实施例3

本实施例中提供的一种利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法，包括如下步骤：

步骤一，将秸秆切割成3cm的小段后，并按照每150g所述秸秆需要3000ml所述造纸废水的比例，将所述秸秆放置在装有造纸废水的密封的透明的发酵反应器中，在55℃的温度下混合，保持密封状态4天后得到第一混合溶液；且每天晃动所述发酵反应器3次，每次持续时间为6分钟，使造纸废水对秸秆进行充分处理；

步骤二，向所述发酵反应器中加入沼液作为接种物，得到第二混合溶液，并确保所述第二混合溶液的总固体含量范围为8％；

步骤三，向所述发酵反应器中加入酸性溶液，得到第三混合溶液，并使所述第三混合溶液的pH值范围为7.5；

步骤四，向所述发酵反应器中通入氮气，持续5min，在温度范围为36℃的条件下进行厌氧发酵25天，获得甲烷。

本实施例所述的利用秸秆厌氧发酵制取甲烷的方法用造纸废水预处理秸秆，对秸秆内部的木质素进行了破坏，在厌氧发酵的过程中使水分子能够进入秸秆内部，提高了秸秆的沉降性，从而一定程度上解决了浮渣结壳层的问题，促进了厌氧发酵的进程，增加了甲烷气体的产量，在相同规模等条件下利用传统厌氧发酵制取甲烷气体的方法相比，通过本发明的方法制取甲烷气体的总产量提高了30％，并且厌氧发酵过程中浮渣层厚度减少了35％，使用成本低，环境友好，提高了社会和经济效益，同时可以降低秸秆预处理的成本，且预处理的过程简单，对于设备的损耗较小，节约时间和操作成本。另外，通过本实施例的方法使造纸废水的BOD及COD指标均降低35％，减少了后续对环境的污染。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。