一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法及其条件优化方法技术

本发明专利技术提供了一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法，包括以下步骤：首先对玉米秸秆风干并粉碎过筛，然后进行预处理沼液和接种沼液的制备，接着通过预处理沼液对玉米秸秆进行预处理，最后将预处理后的玉米秸秆与接种沼液进行厌氧消化。本发明专利技术还提供了对制沼方法的条件优化方法，也就是以预处理沼液用量、预处理温度以及预处理时间作为条件优化的单因素，通过响应面试验设计及结果得到预处理过程的最优条件。本发明专利技术通过以沼液为促进剂，对木质素和纤维素含量较高的玉米进行预处理，从而使预处理后的玉米易于进行厌氧发酵；同时在操作过程中无需格外的设备，成本较低；且通过响应面法得到预处理的最佳条件19.08％TS，29.78℃和5.42天，得到理论产气量为4786.3mL。

【技术实现步骤摘要】
一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法及其条件优化方法
本专利技术涉及生物能源
，具体为一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法及其条件优化方法。
技术介绍
我国的秸秆产量很大，秸秆的利用十分关键，其中生物处理制沼气不仅可以减少秸秆过剩带来的许多环境污染问题，也可以解决一些地区的沼气原料短缺，因此生物处理制沼气得到广泛的应用。但由于秸秆自身特殊的结构，表面的硅氧蜡质层，纤维素多以结晶态存在，微生物无法有效进行降解。因此需要对秸秆类原料进行预处理。目前常用的预处理方法主要包括物理，化学和生物三大类。然而由于现有的预处理方法存在的设备要求高，高能耗以及酸碱废水的产生等缺点，目前尚未在工业上得到应用。生物预处理的方法是筛选一些细菌、真菌、放线菌等，或采用复合菌剂，例如黑曲霉(Aspergillus)、木霉(Trichoderma)、草酸青霉(Penicillium)和白腐真菌组成的HK-4及白腐菌和木霉，利用微生物分泌多种生物酶协同作用下发生的酶催化反应，破坏秸秆的大分子物质。生物预处理因其化学及能源的使用量低，环境友好得到更多的关注，但目前集中于在各种特定微生物菌剂对木质纤维素降解和产气量的影响。沼液作为来自厌氧发酵体系中的物质本身带有大量的微生物其中不乏可降解木质纤维素的微生物，但当前沼液作为厌氧发酵后的废物其处理也有一定的难度，若可将沼液作为厌氧发酵预处理的原料可减少其排放同时降低预处理的成本。楚莉莉等以小麦秸秆为原料经沼液预处理6天后VS产气量可达到149.4mL/g。Hu等用玉米秸秆为原料对沼液预处理对预处理时间和沼液TS含量进行优化，得到结果为经30.5g/L的沼液预处理3天，达到80％累积产气量(t80)的时间可缩短33.3％。李平等经研究发现，经沼液预处理水稻秸秆其TS产气率达到333.9mL/g，TS产甲烷率达到180.7mL/g，可较空白提高27.9％和21.2％，同时产气周期缩短至19d。但是目前大部分研究仅集中在确定沼液预处理可提高产气量，具体的预处理方法以及预处理方法中的最优条件依然值得探究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法及其条件优化方法，本方法条件温和，过程简单，通过沼液对玉米秸秆预处理后再使用接种沼液与预处理后的玉米秸秆厌氧消化，能够有效提高产气量，并使用响应面法对制沼过程的预处理条件进行优化，得到最优的预处理条件。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法，包括以下步骤：步骤1、玉米秸秆原料准备将玉米秸秆风干并粉碎，保存备用；步骤2、沼液制备预处理沼液：将序批式干发酵产生的沼液静置沉降3～7天至不再产气，然后混合均匀至TS浓度为0.37％±0.11％，pH为7.2，得到预处理沼液，备用；接种沼液：将连续搅拌釜反应器中的沼液静置沉降7～8天至不再产气得到接种沼液，所述接种沼液的TS浓度为4.36％±0.04％，pH为7.1；步骤3、预处理方法称取玉米秸秆若干份分别置于密封容器中，分别加入步骤2得到的预处理沼液并混合，使得混合物的TS浓度为10％～30％，搅拌均匀后于20～50℃恒温条件下预处理2～10天；步骤4、厌氧消化将步骤3中预处理的玉米秸秆与步骤2得到的接种沼液按照1:4的质量比混合均匀，并加水稀释至TS浓度为8％，密封于35±1℃的恒温条件下进行厌氧消化。优选的，步骤1中玉米秸秆粉碎后过3mm筛。优选的，步骤3中玉米秸秆与预处理沼液的质量比为1：1.82～7.66。优选的，步骤4中厌氧消化的反应器包括由两个1L的蓝盖试剂瓶和一个1L的量筒用乳胶管连接组成的一套气体连通装置，两个1L的蓝盖试剂瓶分别作为原料的消化瓶、沼气集气瓶，1L的量筒作为集水量筒。本专利技术中的沼液预处理玉米秸秆制沼方法的条件优化方法，包括以下步骤：S1、确定单因素，并对其进行编码变换将预处理沼液用量、预处理温度以及预处理时间作为条件优化的单因素，然后分别改变单因素按照沼液预处理玉米秸秆制沼方法进行制沼，收集得到的沼气并统计各单因素的产气量，得到产气量最大的各个单因素数值，建立试验因素水平编码表；S2、采用中心组合设计CCD原则确定试验方案根据S1得到的试验因素水平编码表，选择预处理沼液用量、预处理温度以及预处理时间三个单因素为自变量，以产气量为响应值，运用中心组合设计CCD原则，进行响应面试验设计；S3、按照试验方案完成试验根据S2设计的响应面试验方案中进行玉米秸秆的预处理，使用预处理后的玉米秸秆制沼，收集得到的沼气，并统计；S4、建立响应面模型，分析试验结果将S3得到的试验数据输入响应面软件进行回归分析，根据软件分析结果，获得单因素与响应值的回归关系式，得到响应面三维图并判断各因素对响应值的影响情况，最终确定各因素优化后的水平参数组合。S4中响应面软件为Design-Expert8.06软件。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术提供的沼液预处理玉米秸秆制沼的方法操作简单，以沼液为促进剂，对木质素和纤维素含量较高的玉米进行预处理，从而使预处理后的玉米易于进行厌氧发酵；同时在操作过程中无需格外的设备，成本较低；2、本专利技术提供的方法能够有效增加产气量，产气效率明显提高；3、本专利技术通过响应面法对制沼方法中的预处理条件进行优化，得到预处理的最佳条件为预处理沼液用量19.08％TS，预处理温度29.78℃，预处理时间5.42天，理论产气量为4786.3mL。附图说明图1为本专利技术实施例1-实施例5中预处理前后玉米秸秆的木质纤维素的含量图；图2为本专利技术实施例4、实施例6、实施例7、实施例8以及实施例9中预处理前后玉米秸秆的木质纤维素的含量图；图3为本专利技术为实施例4、实施例10、实施例11、实施例12以及实施例13中预处理前后玉米秸秆的木质纤维素的含量图；图4为本专利技术实施例1-实施例13以及对比例中不同预处理条件的产气量；图5为本专利技术中预处理沼液加入量和预处理温度对沼气产量影响的等高线；图6为本专利技术中预处理沼液加入量和预处理温度对沼气产量影响的响应面图；图7为本专利技术中预处理温度和预处理时间对沼气产量影响的等高线；图8为本专利技术中预处理温度和预处理时间对沼气产量影响的响应面图；图9为本专利技术中验证试验的产气量。具体实施方式下面通过具体实施方式例对本专利技术进行详细描述。本专利技术的范围并不受限于该具体实施方式。本专利技术中使用的玉米秸秆来自北京郊区，参考APHA方法测定玉米秸秆中VS的浓度，根据VanSoest纤维素测定原理，将样品粉碎后过40目筛，用FOSS纤维素测定仪对玉米秸秆中纤维素、半纤维素及木质素的含量进行测定；得到玉米秸秆的TS浓度为90.39％±0.18％，VS浓度为83.79％±0.47％，纤维素的含量为33.40％±0.62％，半纤维素的含量为22.89％±0.63％，木质素的含量为9.41％±0.43％。实施例1本实施例提供了一种沼液预处理玉米秸秆制沼的方法，包括以下步骤：步骤1、玉米秸秆原料准备将玉米秸秆风干并粉碎，过3mm筛，保存备用；步骤2、沼液制备预处理沼液：取自实验室进行的序批式干发酵产生的沼液，将序批式干发酵产生的沼液静置沉降7天至不再产气，然后混合均匀至TS浓度为0.37％±0.11％，pH为7.2，得到预处理沼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、玉米秸秆原料准备将玉米秸秆风干并粉碎，保存备用；步骤2、沼液制备预处理沼液：将序批式干发酵产生的沼液静置沉降3～7天至不再产气，然后混合均匀至TS浓度为0.37％±0.11％，pH为7.2，得到预处理沼液，备用；接种沼液：将连续搅拌釜反应器中的沼液静置沉降7～8天至不再产气得到接种沼液，所述接种沼液的TS浓度为4.36％±0.04％，pH为7.1；步骤3、预处理方法称取玉米秸秆若干份分别置于密封容器中，分别加入步骤2得到的预处理沼液并混合，使得混合物的TS浓度为10％～30％，搅拌均匀后于20～50℃恒温条件下预处理2～10天；步骤4、厌氧消化将步骤3中预处理的玉米秸秆与步骤2得到的接种沼液按照1:4的质量比混合均匀，并加水稀释至TS浓度为8％，密封于35±1℃的恒温条件下进行厌氧消化。

【技术特征摘要】
1.一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、玉米秸秆原料准备将玉米秸秆风干并粉碎，保存备用；步骤2、沼液制备预处理沼液：将序批式干发酵产生的沼液静置沉降3～7天至不再产气，然后混合均匀至TS浓度为0.37％±0.11％，pH为7.2，得到预处理沼液，备用；接种沼液：将连续搅拌釜反应器中的沼液静置沉降7～8天至不再产气得到接种沼液，所述接种沼液的TS浓度为4.36％±0.04％，pH为7.1；步骤3、预处理方法称取玉米秸秆若干份分别置于密封容器中，分别加入步骤2得到的预处理沼液并混合，使得混合物的TS浓度为10％～30％，搅拌均匀后于20～50℃恒温条件下预处理2～10天；步骤4、厌氧消化将步骤3中预处理的玉米秸秆与步骤2得到的接种沼液按照1:4的质量比混合均匀，并加水稀释至TS浓度为8％，密封于35±1℃的恒温条件下进行厌氧消化。2.根据权利要求1所述的一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法，其特征在于，所述步骤1中玉米秸秆粉碎后过3mm筛。3.根据权利要求1所述的一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法，其特征在于，所述步骤3中玉米秸秆与预处理沼液的质量比为1：1.82～7.66。4.根据权利要求1所述的一种沼液预处理玉米秸秆制沼方法，其特征在于，所述步骤4中厌氧消化的反应器包括由两个1L的蓝盖试剂瓶和一个1L的量筒用乳胶管连接组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏志，王坤，赵婧，王英琪，
申请(专利权)人：黑龙江八一农垦大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23