[发明专利]氢氧化钠和氨水联合低温预处理玉米秸秆提高厌氧消化产气性能的方法

说明书

氢氧化钠和氨水联合低温预处理玉米秸秆提高厌氧消化产气性能的方法属于玉米秸秆高效资源化利用技术领域。利用氢氧化钠和氨作为预处理试剂对玉米秸秆在‑20℃—20℃条件进行预处理，密封保存3天；预处理试剂为氢氧化钠和氨水；加水使之与氨水中的水和玉米秸秆中所含的水的总质量为玉米秸秆干重的六倍，充分搅拌后，封口膜封口；‑20℃冰箱内密封保存3天后厌氧发酵；厌氧发酵过程需要活性污泥，加入活性污泥后，再加入自来水至反应装置总体积的80％，充入氮气，然后用橡胶塞密封，并将反应器固定在摇床中，摇床温度恒定在35±2℃之间，摇动。本发明操作条件温和，对反应器的抗压和抗腐蚀性要求不高，添加的氨水可以作为微生物的营养，具有环境友好性，二次污染少。

技术领域

本发明属于玉米秸秆高效资源化利用技术领域，是一种氢氧化钠及氨联合预处理玉米秸秆的厌氧消化工艺。

背景技术

玉米秸秆属于纤维素类生物质，含有丰富的营养和易利用的化学成分，是丰富的可再生有机物质，但是其中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。

玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大成份组成，而利用厌氧消化技术处理利用玉米秸秆，产生高效、清洁的高品质生物质能源——生物气，是玉米秸秆资源化利用的有效途径。但是半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触，导致木质纤维素原料难以被微生物降解，限制了玉米秸秆用于生物气生产方面的大规模应用。

对玉米秸秆进行预处理方法是玉米秸秆转化利用关键环节之一。通过预处理可以降低纤维素结晶度，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，从而改善玉米秸秆的厌氧消化性能，有效提高玉米秸秆的可生物降解性能和产气量。

目前预处理玉米秸秆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，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。化学法主要是氢氧化钠预处理，氢氧化钠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，有效地改善玉米秸秆厌氧消化性能。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液，这些碱液直接排放会产生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。

厌氧发酵开始时由于大量有机物质降解产生小分子挥发性脂肪酸，导致酸化阶段结束时pH偏低，同时产甲烷菌活性较低，需要用碱调节pH使厌氧发酵体系呈中性，恢复产甲烷菌活性。因此较低的pH延长了酸化阶段的时间，导致厌氧发酵时间偏长。而文献：马淑勍等.氨化预处理对玉米秸秆厌氧消化产气性能影响，农业工程学报,2011,27(6):294-299.中使用氨化(NH₃·H₂O)预处理方法对麦秸进行预处理，预处理温度为30℃，预处理时间为7天，晾晒2天，预处理时间共计9天。消化周期为70天，该方法当与未经氨化预处理的方法相比累计产气量提高了8～38％，该方法相对于氢氧化钠预处理方法相比，不会造成二次污染，同时不需要调节碳氮比，但是其不足之处是预处理时间较长，并没有对甲烷总产量做出具体研究，且该方法是在中温条件下进行秸秆预处理，未考虑低温条件下对玉米秸秆进行预处理。

鉴于以上厌氧发酵过程存在的问题，迫切需要寻找一种新的预处理方法以获得较短的预处理时间、较高的产甲烷体积和缩短酸化阶段的方法。本发明通过利用氨部分替代氢氧化钠，采用氢氧化钠及氨联合预处理技术，在低温条件下，对玉米秸秆进行碱联合预处理，以总甲烷产量为产气性能指标，确定氢氧化钠和氨的最佳添加量。

本发明操作条件温和，对反应器的抗压和抗腐蚀性要求不高，可以改善玉米秸秆的生物降解性，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，弥补酸化阶段时间过长，为玉米秸秆的充分利用开辟了新途径。

发明内容