N、P、K复合营养型预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法技术

N、P、K复合营养型预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法属于有机固体废弃物厌氧消化领域。本发明专利技术是利用氨水、KOH和磷酸对木质纤维素不同组分的选择性不同有针对性的分别对原料中木质素、纤维素和半纤维进行破坏，同时为预处理及厌氧全过程提供丰富的营养，具体步骤：将秸秆粉碎，与配好的KOH和氨水溶液预处理试剂混合均匀后置于密闭容器内，35℃预处理3d；加H3PO4后，接种厌氧消化污泥，调节pH，加水定容后进行中温厌氧发酵。结果显示：预处理后秸秆中木质素降解率达到61.17%，比现有技术提高2.15倍；厌氧发酵周期T80比未预处理缩短13.51%‑59.46%；甲烷产量比未预处理提高了30.96%‑55.35%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于有机固体废弃物厌氧消化领域，具体涉及N、P、K复合营养型预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能。
技术介绍
我国是传统的农业大国，年产农作物秸秆量达8亿多吨，其中玉米秸秆产量达2.84亿吨。因不能及时有效利用，绝大多数玉米秸秆被露天焚烧或野外堆放，严重污染大气环境，同时浪费了资源。厌氧消化技术已被证明为有效获取生物质能源的重要方法，具有低能耗、高产能等优点，目前在我国已经得到广泛的工业化应用和规模化示范。以秸秆为原料进行厌氧发酵，产量低、周期长。其主要原因为：(1)秸秆的主要组成成分(纤维素、半纤维素和木质素)结构复杂，难以被微生物直接利用；(2)厌氧发酵过程中N、P、K元素等营养不均衡，C/N比过高，影响厌氧发酵甲烷产率。在厌氧消化前，一般通过对秸秆进行预处理来提高其可生物降解性，这是解决秸秆组成成分结构复杂，难以被微生物利用问题的简单而有效的方法。木质纤维素原料预处理的方法主要有物理法、化学法和生物法等。物理法不能从根本上改变其化学结构，预处理效果有限；生物法预处理需要对菌种进行培养，对人员和设备条件的要求比较高，因此实际应用难度较大；化学法主要有酸化法和碱化法两种。化学方法具有条件要求低、时间短、处理效率高等优点。其不足之处也有很多，包括：化学法通常采用单一的酸或碱，但是由于半纤维素、纤维素、木质素的分子结构非常复杂，单一酸、碱处理很难达到理想的效果；另外，化学法大多采用酸、碱浸泡，产生大量的化学残液，残留的酸、碱会迁移到沼渣沼液中，从而使沼渣沼液难以回收利用，如果作为肥料施用到土壤中时，会引起土壤污染(如NaOH处理时的Na+)等二次污染问题。目前，厌氧发酵三阶段理论是被科研工作者公认的一种厌氧消化理论，分别为水解、发酵阶段，酸化阶段和产甲烷阶段。除了碳源和能源，产甲烷菌等厌氧消化微生物还需要N、P、K元素等其它营养物质。N、P、K元素的缺乏会减少微生物的活性，使细胞增长减少，适量添加N、P、K元素会刺激细菌的繁殖，增加厌氧消化体系中的微生物数量，提高厌氧消化产气性能。然而，玉米秸秆原料自身N、P、K元素含量均较低，其中有44.40％的碳、0.92％的N、0.15％的P和1.18％的K。因此，厌氧发酵过程中N、P、K等营养成分不足，C/N、C/P过高，不能满足长期运转需要，影响厌氧发酵甲烷产率。文献：马淑勍等.氨化预处理对稻草厌氧消化产气性能影响(农业工程学报,2011,27(6):294-299)的研究发现：使用氨水将稻草预处理7d，晾晒2d，在50gTS/L负荷下，4％氨化预处理效果最好，稻草产气累积产气量比未预处理提高了24.3％，甲烷总产量比未预处理提高了17.8％，产气周期比未预处理提前了16.7％。其不足之处是氨化预处理时间太长，甲烷总产量较低。文献：何艳峰.用于提高稻草厌氧消化性能的固态氢氧化钠化学预处理方法与机理研究(2008，博士毕业论文)的研究发现：6％NaOH固态预处理有效改善了稻草的可生物降解性能。与未预处理稻草相比，50gTS/L下的总产气量提高了32.5％，木质素降解率为28.4％。其不足之处是木质素降解率较低，沼渣沼液受Na+污染，难以回收利用。中国专利CN104593429A采用氢氧化钠和氨水作为预处理剂，对秸秆进行预处理，然而该方法中氢氧化钠溶液的投加使得预处理后的物料中含有大量碱液，这些碱液影响了沼渣沼液的再利用，如果直接排放也会造成二次污染。中国专利CN102827879B采用纯氨湿式浸泡常温预处理，对稻草进行预处理，但是该方法没有对木质素的降解做出具体分析，并且沼渣沼液中营养成分单一，回收利用效益较低。
技术实现思路
针对厌氧发酵过程中难降解和营养不均衡的缺陷，提出本专利技术。本专利技术的目的在于提供一种N、P、K复合营养型预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法，具有以下特点：(1)操作简单、降解速率快、预处理时间短、发酵速率快；(2)发酵底物N、P、K营养成分均衡，能够为厌氧发酵阶段的产酸和产甲烷菌提供营养；(3)沼渣沼液N、P、K营养成分丰富，提高了沼渣沼液的回收利用价值。本专利技术技术方案包含如下内容：(1)秸秆原料准备取风干的玉米秸秆，先切成3～4厘米，再用带20目筛网的粉碎机粉碎干燥保存备用。(2)预处理试剂、用量本专利技术所采用的预处理试剂包括氢氧化钾、质量分数为25％的氨水和磷酸三种。氢氧化钾(以纯氢氧化钾分子计算)使用量为玉米秸秆干重的1％—4％，氨(以纯氨分子计算)和磷酸(以纯磷酸分子计算)使用量均为玉米秸秆干重的2％。(3)预处理所有溶液的配置预处理过程分两步：第一步是氢氧化钾和氨的预处理，第二步是磷酸的添加。第一步：对玉米秸秆进行氢氧化钾和氨的复合预处理，总水量(包括玉米秸秆含的水、25％氨水中的水和总添加水量)为玉米秸秆干重的6倍。预处理之前将氢氧化钾和氨配成氢氧化钾溶液(溶液A)和氨溶液(溶液B)作为预处理试剂。溶液A中氢氧化钾(以纯氢氧化钾分子计算)添加量为玉米秸秆干重的1％—4％，溶液B中氨(以纯氨分子计算)添加量为玉米秸秆干重的2％。溶液A中的水(配溶液A时加入的水)和溶液B中的水(配溶液B时加入的水和25％氨水中的水)质量相等。具体计算公式如下：溶液AKOH添加量＝玉米秸秆干重×(氢氧化钾使用浓度，为1％-4％)；水添加量＝[(玉米秸秆干重×6)－(玉米秸秆含水)]÷2；溶液B25％氨水添加量＝玉米秸秆干重×(氨使用浓度，为2％)÷25％；水添加量＝[(玉米秸秆干重×6)－(玉米秸秆含水)]÷2－25％氨水添加量×75％；第二步：对混合预处理之后的玉米秸秆做磷酸的添加，磷酸添加时将磷酸试剂按玉米秸秆干重的2％(以纯磷酸分子计算)添加。磷酸添加量＝玉米秸秆干重×(磷酸使用浓度，为2％)。(4)预处理方法根据氨水对木质素选择性较强，强碱KOH对纤维素作用更大，酸对半纤维素效果更好的特点，本方法将预处理过程分为两部分，首先进行氢氧化钾和氨水两种碱的预处理，对玉米秸秆的木质素和纤维素进行降解的同时为厌氧消化体系提供N、K营养元素；然后在此基础上添加磷酸，在厌氧过程酸化阶段强化对半纤维素的降解，同时提供P元素作为厌氧发酵体系的营养支持。具体预处理操作方法如下：第一步：称取玉米秸秆若干份分别置于密封容器中，预处理试剂为氢氧化钾和质量分数为25％的氨水。预处理之前将氢氧化钾和氨配成氢氧化钾溶液(溶液A)和氨溶液(溶液B)作为预处理试剂。对玉米秸秆进行氢氧化钾和氨的复合预处理，总含水量(包括秸秆含的水、25％氨水中的水和总添加水量)为玉米秸秆干重的6倍。溶液A中氢氧化钾(以纯氢氧化钾分子计算)添加量为玉米秸秆干重的1％—4％，溶液B中氨(以纯氨分子计算)添加量为玉米秸秆干重的2％。溶液A中的水(溶液A时加入的水)和溶液B中的水(配溶液B时加入的水和25％氨水中的水)质量相等。将配好的预处理试剂分别按先氢氧化钾、后氨，先氨、后氢氧化钾以及氨和氢氧化钾同时添加的顺序添加，充分搅拌后，密封，35℃恒温箱内密封保存1-5d。第二步：将磷酸试剂按玉米秸秆干重的2％添加到已完成第一步的玉米秸秆中，搅拌均匀。(5)不同预处理试剂添加时间的确定方法预处理第一步中，为了确定不同预处理试剂添加时间的确定方法，称取一定质量的玉米秸秆，置于密封容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种N、P、K复合营养型预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)秸秆原料准备取风干的玉米秸秆，先切成3‑4厘米，再用带20目筛网的粉碎机粉碎干燥保存备用；(2)预处理试剂的配制预处理过程分两步：第一步是氢氧化钾和氨的预处理，第二步是磷酸的添加；以下涉及的百分比没有特别说明均为重量百分比；第一步：对玉米秸秆进行氢氧化钾和氨的复合预处理，为玉米秸秆干重的6倍；总水量为玉米秸秆含的水、25％氨水中的水和总添加水量；预处理之前将氢氧化钾和氨配成氢氧化钾溶液即溶液A和氨溶液即溶液B作为预处理试剂；溶液A中氢氧化钾以纯氢氧化钾分子计算添加量为玉米秸秆干重的1％‑4％，溶液B中氨以纯氨分子计算添加量为玉米秸秆干重的2％；溶液A中的水即配溶液A时加入的水和溶液B中的水即配溶液B时加入的水和25％氨水中的水质量相等；具体计算公式如下：溶液AKOH添加量＝玉米秸秆干重×(氢氧化钾使用浓度)；水添加量＝[(玉米秸秆干重×6)－(玉米秸秆含水)]÷2；溶液B25％氨水添加量＝玉米秸秆干重×(氨使用浓度)÷25％；水添加量＝[(玉米秸秆干重×6)－(玉米秸秆含水)]÷2－25％氨水添加量×75％；第二步：对混合预处理之后的玉米秸秆做磷酸的添加，磷酸添加时将磷酸试剂以纯磷酸分子计算按玉米秸秆干重的2％添加；磷酸添加量＝玉米秸秆干重×(磷酸使用浓度)；(3)预处理第一步：将配好的预处理试剂分别按先氢氧化钾处理1天后加入氨水处理2天，先氨水处理2天后加入氢氧化钾处理1天以及氨水和氢氧化钾同时添加处理3天的顺序添加，充分搅拌后，密封，处理温度均为35℃恒温箱；第二步：将磷酸溶液按玉米秸秆干重的2％添加到已完成第一步处理的玉米秸秆中，搅拌均匀；(4)厌氧消化在预处理所得的玉米秸秆中加入正常运行污水处理厂厌氧消化池污泥接种物15gMLSS/L，该厌氧消化池污泥接种物pH在7.0—8.0，氨氮在200—1500mg/L，碱度在2000—6000mg/L；用氢氧化钙调节pH至6.8—7.2，加水稀释至体积为反应器总体积的80％后密封，在35±1℃的恒温水浴箱中进行中温厌氧消化过程50d，每天摇动一次。...

【技术特征摘要】
1.一种N、P、K复合营养型预处理提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)秸秆原料准备取风干的玉米秸秆，先切成3-4厘米，再用带20目筛网的粉碎机粉碎干燥保存备用；(2)预处理试剂的配制预处理过程分两步：第一步是氢氧化钾和氨的预处理，第二步是磷酸的添加；以下涉及的百分比没有特别说明均为重量百分比；第一步：对玉米秸秆进行氢氧化钾和氨的复合预处理，为玉米秸秆干重的6倍；总水量为玉米秸秆含的水、25％氨水中的水和总添加水量；预处理之前将氢氧化钾和氨配成氢氧化钾溶液即溶液A和氨溶液即溶液B作为预处理试剂；溶液A中氢氧化钾以纯氢氧化钾分子计算添加量为玉米秸秆干重的1％-4％，溶液B中氨以纯氨分子计算添加量为玉米秸秆干重的2％；溶液A中的水即配溶液A时加入的水和溶液B中的水即配溶液B时加入的水和25％氨水中的水质量相等；具体计算公式如下：溶液AKOH添加量＝玉米秸秆干重×(氢氧化钾使用浓度)；水添加量＝[(玉米秸秆干重×6)－(玉米秸秆含水)]÷2；溶液B25％氨水添加量＝玉米秸秆干重×(氨使用浓度)÷25％；水添加量＝[(玉米秸秆干重×6)－(玉米秸秆含水)]÷2－25％氨水添加量×75％；第二步：对混合预处理之后的玉米秸秆做磷酸的添加，磷酸添加时将磷酸试剂以纯磷酸分子计算按玉米秸秆干重...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀金，朱嘉琳，袁海荣，兰艳艳，刘研萍，邹德勋，管若琳，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11