[发明专利]一种湿式常温处理提高杨树废料沼气产量的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质能源领域，具体涉及一种利用杨树废料进行厌氧发酵产生沼气的方法，尤其涉及一种湿式常温处理杨树废料，提高杨树废料沼气产量的方法。

背景技术

杨树是杨柳科(Salicaceae)杨属(populus)植物的统称^[1]。因其生长快、适应性强、繁殖容易、木材用途广、易于更新等成为人工林中的一种优良速生树种^[2]，是我国重要的速生丰产林和短周期工业用材林首选树种，也是世界人工林三大速生树种之一。我国处于杨树中心分布区域，世界杨树天然种类100余种，我国就有53种^[3,4]。据估计，我国杨树人工林面积已经达到800万hm^2[5,6]。无论是杨树种植面积还是蓄积量均居世界首位^[1]。目前，发展杨树主要是为了满足我国日益短缺的木材需求，培育方向为用材林和纸浆林，相关研究主要集中在这两方面^[1,8]。

杨树主要被利用的部分是树干，但是杨树周身都是宝，过去人们对其缺乏研究，特别是杨树的叶、皮、枝均被抛弃或作燃料。随着生物医药、畜牧科技与木材加工技术的蓬勃发展，人们对杨树全树的开发利用进行了全方位研究，取得了卓有成效的进展^[9]。在杨树木材加工过程中产生大量的树皮，可以达到木材材积的10~15％，其利用途径有：生产树皮人造板、建筑材料和作为燃料^[9]。在能源日益紧张的现在，将杨树皮作为生物质能源加以利用是处理和利用杨树皮的有效途径，也已经越来越受到人们的重视。树皮燃烧可以产生蒸汽，用来发电，就其热效而言，大约5.5 kg湿树皮相当于1 kg柴油^[10]。目前，直接燃烧仍是生物质能利用的主要方式之一，是最简单的热化学转化工艺^[11]，但这种方式热转换效率低下，严重浪费了生物质资源，也污染了环境，本发明将通过杨树皮、杨树边材等杨树废料作为沼气发酵的原料，生产沼气，既提高生物质资源利用率，也减少污染，实现循环经济。

总纤维素（纤维素和半纤维素）作为沼气发酵的主要成分，其含量越高，越有利于沼气发酵，是评价一种材料是否适合于沼气发酵的一个非常重要的指标。同农作物小麦玉米秸秆相比，杨树木材中的木质纤维素含量较高，其中，纤维素占杨树木材全量的40~50%以上，总纤维素占杨树木材全量约80%。并且，大多数阔叶材偏酸性，而杨树木材以偏碱性或者中性为主^[12]。这可以一定程度上防止厌氧发酵过程中因酸化而导致产气量降低甚至终止的现象。而且杨树木材的多孔性^[12]，会增大发酵菌与底物的接触面积，从而加速其降解，利于沼气的产生。根据上述特点，杨树废料可以作为一种理想的沼气发酵底物加以利用，可一定程度满足农村能源不足的现状，其发酵之后的沼渣可用作有机肥使用。但是，杨树木材中含有较农作物秸秆更高的木质素，发酵菌对木质素的降解能力又较弱，从而导致了厌氧发酵过程放缓、产气量减少和效益不高。很大程度上限制了杨树废料的生物质能的转化和利用。

目前对于木质纤维素材料的处理方法有物理、生物和化学方法，其目的是希望通过预处理改变木质纤维素材料的物理结构或者把它降解成简单的成分，以利于随后厌氧菌的消化利用，从而提高沼气产量。物理方法相对简单，但只是改变了原材料的尺寸，并没有使其结构得以改变，因此处理效果有限；生物方法效果较为明显，但处理时间长，在实际应用中较少使用。化学处理方法以其处理效果好，时间短等优点得到广泛的应用。化学处理方法中，又以NaOH的处理效果最好。传统的NaOH液态化学处理虽然产气效果较好，但由于其碱含量高，对反应器的设计要求也较高；而且为了避免环境污染，反应液还必须进行回收处理，从而导致整个工艺成本较高。

为了解决NaOH液态化学处理法存在的问题，本发明提供了两种碱性物质（氢氧化钠和氨水）的组合，对杨树废料进行常温预处理，通过改变其物理结构，将它降解为成分简单，便于厌氧菌群消化利用的发酵底物，不但降低了对设备的要求，而且也减少了对环境的污染。

传统的发酵工艺中需要在厌氧发酵过程中实时添加氮源满足微生物生长，从而提高生物气的产量，但在应用过程中会带来诸多不方便，增加了劳动成本和劳动作业量。本发明中氨水的添加一方面提高了化学处理的效果，另一方面在厌氧发酵过程中为厌氧微生物补充适量的氮源，不但降低了成本，而且缩短了化学处理时间，提高了沼气产量。

 

[1] 徐维英．杨树[M]．哈尔滨：黑龙江人民出版社，1988．