[发明专利]一种碱联合预处理、黑液循环利用的纤维素类生物质厌氧消化工艺

说明书

技术领域

本发明属于纤维素类生物质高效资源化利用技术领域，特别一种碱联合预处理、黑液循环利用的纤维素类生物质厌氧消化工艺。

背景技术

纤维素类生物质是指主要由纤维素，半纤维素以及木质素组成的植物原料，包括木材（如杨树、桉树、松树等）、林产加工废弃物、农业废弃物（如玉米秸秆、麦秸、稻秆、稻壳等）以及能源草（如柳枝稷、荻、芦竹等）等。作为一种资源，纤维素类生物质含有丰富的营养和可利用的化学成分，是地球上最丰富的可再生有机物质。中国农业统计资料中的统计数据显示，2010年中国仅农作物秸秆、皮壳，就可达8亿多吨。除了用作饲草、造纸和建筑原料等工、农业生产的生产资源外，其余大部分被丢弃或露天焚烧，造成资源浪费、环境污染、妨碍正常交通等严重问题。能源草具有耐旱、耐盐碱、耐瘠薄、适应性强等特点，可用作饲料、固体燃料、造纸和工业纤维原料等。但是因为分布分散，密度小，收获成本高等弱点，能源草的开发和利用一直僵持在探索阶段。

利用厌氧消化技术处理利用纤维素类生物质，产生高效、清洁的高品位生物质能源——生物气是纤维素类生物质资源化利用的有效途径。但是，纤维素类生物质的三大主要成分纤维素、半纤维素和木质素互相缠结，不易降解，限制了纤维素类生物质用于生物气生产方面的大规模应用。

通过预处理可以有效提高纤维素类生物质的可生物降解性能和产气量。其目的是降低纤维素结晶度，改变及去除木质素，增加纤维素的可及表面积，破坏纤维素―木质素―半纤维素之间的连接，从而改善原料的厌氧消化性能。目前的预处理的方法主要有生物法、物理法和化学法等。物理法操作简单，但能耗较大，成本较高。生物法无污染，条件温和，可是处理周期长，效率低。化学法处理效率高，尤其是氢氧化钠湿式预处理具有较强的脱除木质素和降低纤维素结晶度的能力，能有效地改善秸秆厌氧消化性能。但实际应用中通常会投加过量的氢氧化钠以保证达到预期处理效果，这使得预处理后的物料中含有大量碱性黑液，这些黑液若直接排放会产生碱液浪费并造成严重的环境污染；若将其与处理后的物料混合后直接进行厌氧消化，液体中钠离子浓度过高又可能导致产甲烷菌活性抑制作用，影响厌氧消化产气效率，加上氢氧化钠本身成本很高，增加了运行的困难性和运行费用。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明通过采用碱联合预处理技术，利用成本较低的氢氧化钙部分替代氢氧化钠，在常温条件下，对纤维素类生物质进行碱联合预处理；并对预处理后的物料进行固液分离，固态物料作为后续厌氧消化过程的原料，碱性黑液中添加部分新鲜碱液后作为新的预处理剂，再次利用于纤维素类生物质预处理。如此反复循环对预处理后黑液进行重复利用。以pH为监测指标，寻找碱联合预处理纤维素类生物质的平衡点，确定平衡点上新鲜碱液的添加量，最后形成一整套系统、稳定、连续的预处理工艺，以达到降低碱用量，节约成本，改善纤维素类生物质的生物降解性，显著提高厌氧消化沼气产量的效果，同时有效降低预处理过程对环境的影响。

本发明的技术方案如下：

（1）碱联合预处理：将混合碱和水加入纤维素类生物质中，混合碱的加入量为纤维素类生物质干重的4~10wt%，充分混合，调节含水率为88~92wt%，测定预处理前物料的pH值，20~25℃密封保存10~15小时，然后出料；

（2）黑液循环利用：

a.将步骤（1）中预处理后的物料进行固液分离，固态物料用于厌氧消化，回收的碱性黑液加入新的纤维素类生物质中，新的纤维素类生物质的量与步骤（1）使用的纤维素类生物质的量相同，并补充混合碱和水，混合均匀，调节物料pH值为步骤（1）中预处理前物料的pH值，调节含水率与步骤（1）中的含水率相同，与步骤（1）相同温度下密封保存同样时间，然后出料；

b.对步骤（2）a的出料继续进行固液分离与黑液回收利用，按步骤（2）a循环进行；

c.黑液循环利用5~10次后，达到碱联合预处理纤维素类生物质的平衡点，在此平衡点上，补充的混合碱量为固定值，混合均匀后的物料pH值即达到步骤（1）中预处理前物料的pH值；之后继续循环利用黑液，定量添加在平衡点上确定的混合碱量，其余条件不变，形成一整套系统、稳定、连续的碱联合预处理、黑液循环利用的纤维素类生物质厌氧消化工艺。

所述的混合碱为质量比为(1:1)~(6:1)的氢氧化钠和氢氧化钙。

所述的纤维素类生物质为揉搓或粉碎成0.25~1.0mm的玉米秸秆、柳枝稷和稻壳中的一种或几种。