[发明专利]一种微反应热爆秸秆发酵产沼气的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及利用秸杆等生物质发酵产沼气的方法，具体地说是一种微反应热爆秸杆发酵产沼气的方法。

二、背景技术

农作物使用后的废弃物(秸秆、稻壳、玉米芯、甘蔗渣)、山林杂草、林木及其加工产品、废纸和锯末等都可作为木质纤维素原料，通过生物法水解产糖从而进行后续发酵制乙醇、丁醇、丁酸及乳酸等化工产品。目前，人们的注意力主要集中在纤维素乙醇等生物能源的开发，使用树木、秸秆及其他植物所含的纤维素生产乙醇燃料，释放的温室气体与汽油相比可减少82％～85％。

事实上，秸秆等生物质经厌氧发酵产生的沼气是一种更清洁的能源，它可以在较小规模和较少资本投入的情况下实现秸秆等生物质资源的高品质利用【可再生能源，2008，26(1)：50～54】，尤其适合于农村和小城镇对清洁能源的需求。但是，因秸秆中具有木质素的保护且含有微生物毒性的物质使得直接以秸秆为发酵原料生产沼气时，其中的纤维素几乎不被利用，产气效率低，且产气后出料困难，甚至导致沼气池停止产气。

闫志英等【四川农业大学学报，2009，27(2)：176～179】采用经复合菌剂堆沤4天预处理的秸秆产沼气，纤维素的利用率仅约14％，故而依然没有解决出料难的问题。叶小梅等【CN101338273，申请日2008.08.15】利用堆腐后的秸秆发酵产沼气，并通过沼液回流系统解决了秸秆干法发酵中质流与物质交换困难的问题，但没有从更本上解决湿式厌氧发酵产沼气后的排渣难题。

Van Groenestijn等人【WO/2008/044929A1】发明了采用高温(150-220℃)蒸煮木质纤维素类秸秆制备沼气的方法，该方法提高了纤维素的利用率，但其过程中采用高温的方法仍需要消耗大量的能量。

郑正等人【CN101519668】发明了利用汽爆木质纤维类秸秆发酵制备沼气的方法，该方法改善了木质纤维类秸秆厌氧发酵结构抑制问题，秸秆纤维素的利用率大幅度提高，生物气中甲烷含量高达65％～75％，解决了产沼气后的排渣难题。该方法将秸秆切碎后装入汽爆设备中进行汽爆，得到粉末状和丝状汽爆秸秆物料，再将汽爆秸秆物料在厌氧生物反应器中进行厌氧发酵产出生物气。宋永民和陈洪章【环境工程学报，2008，11(2)：1564-1570】利用纤维素酶酶解解经汽爆预处理的秸秆，然后发酵产甲烷，产气量达153.0mL/g，是未汽爆秸秆的2.9倍。但该法同样受到高压蒸汽和高压设备等条件的制约。

三、发明内容

本发明针对秸杆发酵产沼气方法中排渣难的缺陷，旨在提供一种利用秸杆和山林废弃生物质发酵产沼气的新方法，所要解决的技术问题是防止秸杆发酵产沼气生成沼渣。

解决这一问题的方法是秸杆等生物质进行预处理并遴选适宜的厌氧发酵条件。所述的预处理就是用微反应热爆法处理秸杆等生物质，具体内容是：用稀释的三氧化硫气体扩散至秸秆内部与木质素、纤维素和半纤维素等的基团反应并在原位放热，通过此微反应热爆破坏木质素与纤维素之间的紧密结合力和其中纤维素的结晶结构，消除了木质素等有毒物质对秸秆和山林废弃生物质厌氧发酵产沼气过程的抑制，秸秆纤维素的利用率高，产气量大，几乎无沼渣排放。这一方法申请人已申请了中国发明专利，申请号：200910116615.X。

本发明的技术方案以农作物秸杆和林业及木材加工废弃物(下简称秸杆)为原料，包括秸杆的微反应热爆预处理和厌氧发酵，所述的厌氧发酵就是预处理后的秸杆和产甲烷菌在厌氧发酵池中于40～50℃下发酵14～15天，产甲烷菌的接种量为秸杆的10～20％(v/m)。

优选：预处理后的秸杆先接种木霉菌，常温下固态有氧发酵7天后再接种产甲烷菌，于40～50℃下厌氧发酵8～10天，木霉菌和产甲烷菌的接种量各自为秸杆的10～20％(v/m)。

最佳：预处理后秸杆先接种木霉菌，常温下固态有氧发酵7天后再接种产甲烷菌和铜绿假单胞菌于40～50℃下厌氧下发酵7～8天，木霉菌、产甲烷菌和铜绿假单胞菌的接种量各自为秸杆的10～20％(v/m)。

木霉菌的作用是以预处理后的秸杆为底物发酵生成纤维素酶进而酶解纤维素。铜绿假单胞菌的作用是降解秸杆中的酚类物质。

也可以直接加入纤维素酶代替木霉菌，但纤维素酶要先加入，并于40～50℃下，酶解15～20小时，然后再加入产甲烷菌或/和铜绿假单胞菌于40～50℃下厌氧发酵7～8天。

本发明所称的秸秆为稻草秸秆、麦秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆、山芋藤和大豆秸秆等农作物秸秆，以及山林杂草、杂木以及木材加工废弃物等含木质纤维素的生物质。