一种利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法
阅读说明：本技术 一种利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法 (Method for improving biogas yield of straw anaerobic fermentation by using straw freeze-thaw cycle pretreatment ) 是由 裴占江 刘杰 李鹏飞 史风梅 王粟 于秋月 张文静 于 2021-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及秸秆发酵技术领域,公开了利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法,包括以下步骤：1)将秸秆粉碎至1-3cm长度；2)用水浸泡秸秆；3)将浸泡后的秸秆密封,防止风化；4)在平均温度-20至-35℃及以下环境中,将秸秆静置冻胀8-15天；5)将完成冻胀处理的秸秆解冻；以及6)将冻融循环预处理后的秸秆混合均匀,以发酵料液总体积计,加入活性厌氧菌种,并以发酵料液总重量计,加水将秸秆干物质(TS)含量调整为不高于8％后,并将发酵料液pH值调节至6-8,进行中温联合厌氧发酵。与未经冻融循环预处理的秸秆厌氧发酵产沼气相比,本发明的方法能够显著缩短厌氧消化的发酵周期,产气效率明显提高。(The invention relates to the technical field of straw fermentation, and discloses a method for improving the yield of straw anaerobic fermentation biogas by using straw freeze-thaw cycle pretreatment, which comprises the following steps: 1) crushing the straws to 1-3cm in length; 2) soaking the straws in water; 3) sealing the soaked straws to prevent weathering; 4) standing and frost-swelling the straws for 8-15 days in an environment with the average temperature of-20 to-35 ℃ and below; 5) unfreezing the frozen and swelled straws; and 6) uniformly mixing the straws subjected to freeze-thaw cycle pretreatment, adding an active anaerobic strain according to the total volume of the fermentation liquid, adding water according to the total weight of the fermentation liquid to adjust the content of dry matters (TS) of the straws to be not higher than 8%, adjusting the pH value of the fermentation liquid to 6-8, and performing medium-temperature combined anaerobic fermentation. Compared with the method for producing the biogas by the anaerobic fermentation of the straws which are not subjected to freeze-thaw cycle pretreatment, the method provided by the invention can obviously shorten the fermentation period of anaerobic digestion and obviously improve the biogas production efficiency.)
技术领域
本发明涉及秸秆厌氧发酵技术领域，具体涉及一种提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法。
背景技术
以农作物秸秆为代表的木质纤维素类生物质在厌氧发酵过程中会出现木质素抑制。木质素抑制的主要机理包括两点：形成物理屏蔽阻止水解酶的接近和利用自身的疏水性与水解酶发生无效吸附。在厌氧发酵过程中木质素的以上两个抑制途径协同作用，共同导致了木质素纤维素类生物质厌氧转化效率低的问题。
在厌氧发酵之前，对底物进行预处理被认为是有效的打破木质素抑制的手段。目前较常见的底物预处理方法有物理预处理法(蒸气爆破、机械研磨粉碎等)、化学预处理法(酸、碱预处理)以及生物法(白腐菌预处理)。这些预处理方法均能在一定程度上破坏木质素的物理屏障，达到提高厌氧发酵沼气产率的目的。然而，现有的物理、化学及生物预处理技术的实施会造成工程成本增加和二次污染问题。
因此，本领域亟需克服木质素抑制，提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种对秸秆进行冻融循环预处理，来克服木质素抑制提高秸秆厌氧发酵沼气产率的环境友好的方法，从而解决现有秸秆发酵中由于木质素抑制而降低沼气产率的技术问题，有效缓解木质素抑制带来的危害和现有技术的二次污染问题，同时兼顾经济性和可行性。
本发明的目的及其技术问题的解决，可以采用以下技术方案来实现。
本发明提供了利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法，包括以下步骤：
1)将秸秆粉碎至1-3cm长度；
2)用水浸泡秸秆；
3)将浸泡后的秸秆密封，防止风化；
4)在平均温度-20至-35℃及以下环境中，秸秆静置冻胀8-15天；
5)将完成冻胀处理的秸秆解冻；以及
6)将冻融循环预处理后的秸秆混合均匀，以发酵料液总体积计，加入活性厌氧菌种，并以发酵料液总重量计，加水将所述秸秆干物质(TS)含量调整为不高于8％后，将发酵料液pH值调节至6-8，进行中温联合厌氧发酵。
本发明的目的及其技术问题的解决还可以通过以下实施方案来实现。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，水与秸秆干物质(TS)的质量比为1:5-30。在具体实施方案中，水与秸秆干物质(TS)的质量比为1:10，优选1:15，更优选1:20。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，在步骤4)中，在平均温度-20℃及以下环境中，将秸秆静置冻胀15天；优选，在平均温度-30℃及以下环境中，将秸秆静置冻胀10天；更优选的在平均温度-35℃及以下环境中，将秸秆静置冻胀8天。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，在步骤6)中，以发酵料液总体积计，所述活性厌氧菌种的量为30-50％。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，在步骤6)中，发酵时的温度为30-35℃。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，在步骤6)中，将pH值调节为7。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，在步骤6)中，以发酵料液总体积计，加入40％的活性厌氧菌种。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，在步骤6)中，加水稀释至秸秆干物质(TS)含量为8％后进行联合厌氧发酵。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，在步骤6)中，以发酵料液总体积计，加入40％的所述活性厌氧菌种，并以发酵料液总重量计，加水将秸秆干物质(TS)含量调整为8％，并将发酵料液pH值调节为7.0后，进行联合厌氧发酵。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，在步骤6)中，活性厌氧菌种为35℃条件下玉米秸秆干物质(TS)浓度为8％，厌氧发酵正常产气30天后的含有丰富的活性较高的厌氧微生物菌群的沼液。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，与未经过冻融循环预处理的秸秆相比，该方法能够将发酵周期缩短至少30天。
在本发明的利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法中，与未经过冻融循环预处理的秸秆相比，该方法能够将沼气产率提高至少48％。
与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：本发明的方法通过对秸秆进行冻融循环预处理克服木质素抑制，从而提高秸秆厌氧发酵沼气产率，在农作物秸秆经过多次的冻融循环后，秸秆细胞内水分体积膨胀，从而破坏秸秆的物理结构，缓解木质素的物理屏蔽作用，避免现有技术的二次污染问题；另一方面，多次冻融后木质素大分子的疏水性降低，有效解除了木质素对水解酶的无效吸附抑制。本发明的方法降低了木质素在厌氧发酵过程中的抑制作用，缩短了发酵周期，提高了沼气产率，是一种经济上、技术上可行的预处理模式。
附图说明
图1显示了本发明方法的实施方案所用的试验装置(10L广口瓶作为发酵装置+10L广口瓶作为集气装置+5000mL量筒测量沼气产量)。
具体实施方式
下面将结合具体实施方案对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领域技术人员应当理解，下文所述的实施方案仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种利用秸秆冻融循环预处理提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法，包括以下步骤：
1)将秸秆粉碎至1-3cm长度；
2)用水浸泡秸秆；
3)将浸泡后的秸秆密封，防止风化；
4)在平均温度-20至-35℃及以下环境中，秸秆静置冻胀8-15天；
5)将完成冻胀处理的秸秆解冻；以及
6)将冻融循环预处理后的秸秆混合均匀，以发酵料液总体积计，加入30-40％的所述活性厌氧菌种，并以发酵料液总重量计，加水将秸秆干物质(TS)含量调整为不高于8％后，并将发酵料液pH值调节6-8，进行中温联合厌氧发酵。
在本发明方法的实施方案中，秸秆可以是玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆等农作物秸秆，或者是其混合物。
在本发明的一个实施方案中，为了增加秸秆的吸水性及冻融效果，可以将秸秆粉碎为1-3cm的长度，例如将秸秆粉碎为1cm、1.5cm、2.0cm、2.5cm、3cm，以及任意两个数值之间的任何数值，例如1.2cm、1.3cm等。秸秆粉碎后在用水浸泡时，可以充分吸收水分。
在本发明的实施方案中，在浸泡过程中，水与秸秆干物质(TS)的质量比可以为1至5-25。在具体的实施方案中，水与秸秆的质量比为1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14、1:15、1:6、1:17、1:18、1:19、1:20、1:21、1:22、1:23、1:24、1:25，优选1:10，更优选1:15，最优选1:20。浸泡时间可以为2-3天，例如2天、2.5天或者3天，以保证秸秆充分吸收水分。
在本发明的实施方案中，在秸秆静置冻胀期间，静置冻胀可以在超低温冰箱中进行。在本发明的具体实施方案中，静置冻胀在MDF—U32V超低温冰箱中进行。在本发明的另一实施方案中，静置冻胀可以利用自然条件进行，例如利用冬季的自然气候进行，例如东北地区的自然气候，从而节省能源。
静置冻胀时间受到静置冻胀期间温度的影响，通常平均温度越低，静置冻胀时间越少。因此，在本发明的实施方案中个，在平均温度-20℃及以下环境中，将秸秆静置冻胀15天；优选，在平均温度-30℃及以下环境中，将秸秆静置冻胀10天；更优选的在平均温度-35℃及以下环境中，将秸秆静置冻胀8天。
在本发明的实施方案中，静置冻胀处理后的秸秆的解冻可以在0℃以上的自然条件下进行，也可以通过加热来进行。在本发明的优选实施方案中，解冻通过0℃以上的自然条件来进行，从而达到节省能源的目的。在本发明进一步优选的实施方案中，在20℃-30℃自然条件下解冻3-6天。
在本发明的实施方案中，预处理后的秸秆的pH通常为5-7之间。为了充分进行厌氧发酵，提供沼气产率，应当在厌氧发酵时，将秸秆物料混合均匀，并将其pH值调节为6-8。在本发明的具体实施方案中，在步骤6)中，将秸秆pH值调节为6、6.5、7、7.5、8，以及任意两个数值之间的数值，例如6.2、6.4、7.4、7.6、7.7、7.8、7.9。
在本发明的实施方案中，所述活性厌氧菌种为35℃条件下玉米秸秆干物质(TS)浓度为8％，厌氧发酵正常产气30天后的含有丰富的活性较高的厌氧微生物菌群的沼液。活性厌氧菌种含有大量活性产甲烷菌群，添加到系统后可迅速提高有效产甲烷菌群数量和活性，可以大幅度缩短启动时间，大大提高产气效率。
在本发明的实施方案中，为了去除活性菌种中石头、沙子、木质素等难降解的大颗粒物质，可以将活性厌氧菌种过40目筛。
在本发明的实施方案中，发酵料液是指秸秆、水以及活性厌氧菌种组成的混合物。在步骤6)中，以发酵料液总体积计，加入30-50％的活性厌氧菌种。在本发明的具体实施方案中，所加入的活性厌氧菌种的量可以为发酵料液总体积的30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％。
在本发明的实施方案中，在加入活性厌氧菌种后，以发酵料液总重量计，通过添加水将秸秆干物质(TS)含量调整为不高于8％。在本发明的具体实施方案中，可以将秸秆干物质(TS)含量调整为5％、5.5％、6％、6.1％、6.2％、6.3％、6.4％、6.5％、6.6％、6.7％、6.8％、6.9％、7.0％、7.1％、7.2％、7.3％、7.4％、7.5％、8％，优选将秸秆干物质(TS)含量调整为8％。
在本发明的实施方案中，与未经过冻融循环预处理的秸秆相比，在相同的条件下，本发明的方法能够将发酵周期缩短至少30天，例如将发酵周期缩短31天、32天、33天、34天、35天、36天及以上。
在本发明的实施方案中，与未经过冻融循环预处理的秸秆相比，在相同的条件下，本发明的方法能够将沼气产率提高至少48％，例如提高48％、48.5％、49％、49.5％、50％、51％、51.5％、52％、52.5％、53％、54％、54、5％、55％、55.5％、56％、56.5％、57％、57.5％、58％、58.5％、59％、59.5％、60％及以上。
在不受理论限制的情况下，据信，农作物秸秆经过多次的冻融循环后，细胞内水分体积膨胀，从而破坏秸秆的物理结构，缓解厌氧发酵过程中木质素的物理屏蔽作用。另一方面，多次冻融后木质素大分子的疏水性降低，有效解除了木质素对水解酶的无效吸附限制，从而提高秸秆厌氧发酵沼气产率，缩短发酵周期。
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用来限制本发明的保护范围。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换，所有这些修改和替换都落入了本发明权利要求书请求保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。
实施例1
在本实施例中，提供了一种利用玉米秸秆冻融循环预处理克服木质素抑制提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将干燥的玉米秸秆粉碎至1-3cm，按照水量与玉米秸秆干物质(TS)质量比1:10进行浸泡2-3天，以保证玉米秸秆充分吸水；
步骤二、将浸泡后的玉米秸秆放入易封袋中，防止风化；
步骤三、在MDF—U32V的超低温冰箱中，在平均温度-20℃及以下环境中，秸秆静置冻胀15天；
步骤四、将完成冻胀处理的玉米秸秆移至预处理间，在20℃条件下自然解冻，自然解冻时间为6天；
步骤五、称取3份冻融循环预处理后的玉米秸秆6g左右，用高温干燥箱和马弗炉测量玉米秸秆干物质(TS)及VS(挥发性固体)含量。秤取240g(以TS计)冻融循环预处理玉米秸秆，加入1200mL过40目的活性厌氧菌种(30％)，加水稀释到4000mL(按水的比重为1计算，以总质量计)，调节pH值至6.5，进行中温(35℃)厌氧发酵，此时发酵料液中，玉米秸秆干物质(TS)含量为6％。
此外，秤取240g(以TS计)未处理的玉米秸秆加入1200mL过40目的活性厌氧菌种，加水稀释到4000mL，调节pH值至6.5，进行中温(35℃)厌氧发酵，此时玉米秸秆干物质(TS)含量为6％，作为对照(CK)。
本试验采用10L广口瓶作为发酵装置，采用10L广口瓶作为集气装置，采用5000mL量筒测量沼气产量(见图1)。沼气产量采用排饱和食盐水方法测定。
经过预处理后再发酵的方法60天内共产沼气146000mL，未处理的对照(CK)产沼气量为98000mL。由此可见，经过冻融循环预处理后，与CK相比，实施例1的方法将沼气产率提高48.98％；处理比CK多产沼气48000mL，按照CK平均产气量1600mL/d，仍需30天产气量才能达到48000mL，因此可缩短产气发酵周期30天。
实施例2
在本实施例中，提供了另一种利用玉米秸秆冻融循环预处理克服木质素抑制提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将干燥的玉米秸秆粉碎至1-3cm，按照水量与玉米秸秆干物质(TS)质量比1:15进行浸泡2-3天，以保证玉米秸秆充分吸水；
步骤二、将浸泡后的玉米秸秆放入易封袋中，防止风化；
步骤三、利用东北气候条件，在冬季平均温度-25℃及以下环境中，秸秆静置冻胀10天；
步骤四、将完成冻胀处理的玉米秸秆移至预处理间，在24℃条件天自然解冻，自然解冻时间为5天；
步骤五、秤取3份冻融循环预处理后的玉米秸秆6g左右，用高温干燥箱和马弗炉测量玉米秸秆干物质(TS)及挥发性固体含量(VS)含量。秤取280g(以TS计)预处理玉米秸秆，加入1600mL过40目的活性厌氧菌种(40％)，加水稀释到4000mL，调节pH值至中性(pH7.0)，进行中温(35℃)厌氧发酵，此时玉米秸秆干物质(TS)含量为7％。
另外秤取280g(以TS计)未处理的玉米秸秆加入1600mL过40目的活性厌氧菌种，加水稀释到4000mL，调节pH值至中性(pH7.0)，进行中温(35℃)厌氧发酵，玉米秸秆干物质(TS)含量7％，作为对照(CK)。
本试验采用10L广口瓶作为发酵装置，采用10L广口瓶作为集气装置，采用5000mL量筒测量沼气产量(见图1)。沼气产量采用排饱和食盐水方法测定。
经过预处理后再发酵的方法60天内共产沼气154000mL，未处理的对照(CK)的产沼气量为99850mL。由此可见，与对照相比，实施例2的方法将沼气产率提高54.23％，处理比CK多产沼气54150mL，按照CK平均产气量1664mL/d，仍需32天产气量才能达到54150mL，因此可缩短产气发酵周期32天。
实施例3
本实施例提供了另一种利用玉米秸秆冻融循环预处理克服木质素抑制提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将干燥的玉米秸秆粉碎至1-3cm，按照水量与玉米秸秆质量(TS)比1:20进行浸泡2-3天，以保证玉米秸秆充分吸水；
步骤二、将浸泡后的玉米秸秆放入易封袋中，防止风化；
步骤三、在平均温度-35℃及以下环境中，玉米秸秆静置冻胀8天；
步骤四、将完成冻胀处理的玉米秸秆移至预处理间，在30℃条件下自然解冻，自然解冻时间为3天；
步骤五、秤取3份冻融循环预处理后的玉米秸秆6g左右，用高温干燥箱和马弗炉测量玉米秸秆干物质(TS)及挥发性固体(VS)含量。秤取320g(以TS计)预处理玉米秸秆，加入2000mL过40目的活性厌氧菌种(50％)，加水稀释到4000mL，调节pH值至7.5，进行中温(35℃)厌氧发酵，此时玉米秸秆干物质(TS)含量为8％；秤取320g(以TS计)未处理的玉米秸秆，加入2000mL过40目的活性厌氧菌种(50％)，加水稀释到4000mL，调节pH值至7.5，进行中温(35℃)厌氧发酵，玉米秸秆干物质(TS)含量为8％，作为对照(CK)。
本试验采用10L广口瓶作为发酵装置，采用10L广口瓶作为集气装置，采用5000mL量筒测量沼气产量(见图1)。沼气产量采用排饱和食盐水方法测定。
经过预处理后再发酵的方法60天内共产沼气166400mL，未处理的产沼气量为100860mL。由此可见，与对照相比，实施例3的方法将沼气产率提高64.98％，处理比CK多产沼气65540mL，按照CK平均产气量1681mL/d，仍需39d产气量才能达到65540mL，因此可缩短产气发酵周期39天。
实施例4
本实施例提供了另一种利用水稻秸秆冻融循环预处理克服木质素抑制提高秸秆厌氧发酵沼气产率的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将干燥的水稻秸秆粉碎至1-3cm，按照水量与水稻秸秆干物质(TS)质量比1:10进行浸泡2-3天，以保证水稻秸秆充分吸水；
步骤二、将浸泡后的水稻秸秆放入易封袋中，防止风化；
步骤三、在平均温度-20℃及以下环境中，水稻秸秆静置冻胀15天；
步骤四、将完成冻胀处理的水稻秸秆移至预处理间，在20℃条件下自然解冻，自然解冻时间为6天；
步骤五、秤取3份冻融循环预处理后的水稻秸秆6g左右，用高温干燥箱和马弗炉测量水稻秸秆干物质(TS)及挥发性固体(VS)含量。秤取320g(以TS计)预处理水稻秸秆，加入1600mL过40目的活性厌氧菌种(40％)，加水稀释到4000mL，调节pH值至中性(pH7.0)，进行中温(35℃)厌氧发酵，此时水稻秸秆干物质(TS)含量为8％；秤取320g(以TS计)未处理的水稻秸秆，加入1600mL过40目的活性厌氧菌种，加水稀释到4000mL，调节pH值至中性(pH7.0)，进行中温(35℃)厌氧发酵，水稻秸秆干物质(TS)含量为8％，作为对照(CK)。
本试验采用10L广口瓶作为发酵装置，采用10L广口瓶作为集气装置，采用5000mL量筒测量沼气产量(见图1)。沼气产量采用排饱和食盐水方法测定。
经过预处理后再发酵的方法60天内共产沼气144400mL，未处理的产沼气量为96860mL。由此可见，与对照相比，实施例4的方法将沼气产率提高49.08％，处理比CK多产沼气47540mL，按照CK平均产气量1614mL/d，仍需30天产气量才能达到47540mL，因此可缩短产气发酵周期30天。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。