【摘要】：高含水率生物質(zhì)廢棄物對環(huán)境造成了日益嚴重的污染,通過微生物厭氧發(fā)酵制取氫氣和甲烷是極具潛力的生物質(zhì)能源化利用方式。本文探究了生物質(zhì)中蛋白質(zhì)降解的典型氨基酸發(fā)酵產(chǎn)氫的競爭反應途徑,采用水熱降解微藻巨藻和餐廚垃圾,混合調(diào)控碳氮比維持氫菌代謝平衡,顯著促進了生物質(zhì)厭氧發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷。研究了生物質(zhì)中蛋白質(zhì)降解的典型氨基酸發(fā)酵產(chǎn)氫機理,明晰了氨基酸在暗發(fā)酵產(chǎn)氫過程中的競爭反應途徑。氨基酸經(jīng)暗發(fā)酵降解轉化為大量的液相可溶性代謝產(chǎn)物,其中丙氨酸和絲氨酸的碳元素轉化率分別達到85.3%和94.1%。丙氨酸和絲氨酸經(jīng)暗光耦合發(fā)酵的氫氣產(chǎn)率分別提高到418.6 mL/g和270.2 mL/g,能量轉化效率分別達到25.1%和21.2%。調(diào)控培養(yǎng)節(jié)旋藻生物質(zhì)成分并通過水熱降解促進了發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷。采用煙氣15%CO2曝氣造成的相對氮缺乏,以及高鹽度引起的滲透壓升高促進了細胞內(nèi)碳水化合物的積累。微觀表征顯示節(jié)旋藻經(jīng)蒸汽水熱稀酸處理后的細胞一節(jié)一節(jié)分離破碎,釋放出碳水化合物在水熱稀酸作用下降解成小分子還原糖。節(jié)旋藻生物質(zhì)暗光耦合發(fā)酵的氫氣產(chǎn)率達到429 mL/gVS,聯(lián)產(chǎn)甲烷后的整體能量產(chǎn)率提高到10.51 kJ/gVS。研究了水熱、水熱稀酸以及酶水解等多種處理方式對典型巨藻生物質(zhì)降解以及后續(xù)發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的影響規(guī)律。巨藻在水熱條件下解聚產(chǎn)生許多孔洞和小碎片,不易降解的成分則僅剩絲狀骨架。稀硫酸催化了水熱解聚后生物質(zhì)的進一步降解轉化,總碳水化合單體含量比未處理巨藻提高了 2.48倍,暗發(fā)酵氫氣產(chǎn)率提高了 60.8%,而5-羥甲基糠醛等副產(chǎn)物則抑制了發(fā)酵過程,降低了產(chǎn)氫尾液聯(lián)產(chǎn)甲烷效果。單純水熱處理促進巨藻生物質(zhì)解聚提高發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的效果最佳,整體能量轉化效率達到了 66.0%。將富含蛋白質(zhì)的微藻與富含碳水化合物的巨藻混合,調(diào)控生物質(zhì)原料的碳元素和氮元素質(zhì)量比為20:1,促進暗發(fā)酵階段的生物質(zhì)降解,使氫氣產(chǎn)率提高了 21.6～27.1%,通過聯(lián)產(chǎn)甲烷使混合藻類生物質(zhì)的整體能量轉化效率提高到57.1～76.6%。長達32周的連續(xù)流實驗表明:在總水力停留時間較短(16 d)條件下,當H2反應器有機負荷為6.0 gVS/L/d時混合藻類生物質(zhì)得到有效降解,平均氫氣產(chǎn)率達到55.3 mL/gVS;對應CH4反應器的有機負荷為2.0 gVS/L/d,聯(lián)產(chǎn)甲烷產(chǎn)率為245.0 mL/gVS,微藻和巨藻的混合生物質(zhì)整體能量產(chǎn)率達到9.4 kJ/gVS。混合藻類生物質(zhì)兩步法連續(xù)流聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷系統(tǒng)在能量轉化和發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性方面均顯著優(yōu)于一步法單產(chǎn)甲烷系統(tǒng)。采用水熱降解餐廚垃圾促進厭氧發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷。研究了餐廚垃圾降解產(chǎn)物隨水熱條件變化的演變規(guī)律,蛋白質(zhì)隨水熱溫度升高而逐漸降解為溶解性的小分子蛋白、多肽和氨基酸;溶解性糖含量隨水熱溫度升高先增加在140℃C達到峰值,然后由于小分子糖繼續(xù)降解以及糖與氨基酸之間的美拉德反應而逐漸降低。餐廚垃圾水熱降解后發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的產(chǎn)率分別達到43.0mL/gVS和511.6mL/gVS,整體能量轉化效率達到78.6%,比未經(jīng)水熱降解的餐廚垃圾能量轉化效率大幅提高了 31.7%。分析了餐廚垃圾和污水污泥的微觀理化特性及其混合發(fā)酵對聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的影響。將富含碳水化合物和油脂成分的餐廚垃圾與富含蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)的污水污泥混合調(diào)控碳氮比,通過強化厭氧菌群與原料之間的有效接觸促進了有機質(zhì)降解,使餐廚垃圾和污水污泥混合發(fā)酵的氫氣產(chǎn)率比其單獨發(fā)酵的加權平均值提高了 49.9%。餐廚垃圾和污水污泥混合發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的整體能量產(chǎn)率提高到11.3 kJ/gVS。通過長達21周的餐廚垃圾連續(xù)流發(fā)酵實驗,發(fā)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷可有效縮短水力停留時間,在高負荷下比單產(chǎn)甲烷具有更強的緩沖能力和穩(wěn)定性。以水熱降解后的餐廚垃圾作為發(fā)酵原料,在總水力停留時間縮短至18天后,聯(lián)產(chǎn)甲烷產(chǎn)率仍保持在400mL/gVS以上未受抑制,在能量轉化和發(fā)酵過程穩(wěn)定性兩方面均顯著優(yōu)于未處理餐廚垃圾。設計了餐廚垃圾480m3發(fā)酵罐產(chǎn)氫酸化系統(tǒng)的示范工程改造技術方案:通過建立產(chǎn)氫酸化系統(tǒng),促進餐廚垃圾降解,提高后續(xù)聯(lián)產(chǎn)甲烷效果,將產(chǎn)甲烷的水力停留時間從30天縮短到20天;將富含厭氧菌群且呈弱堿性的產(chǎn)甲烷沼液回流到產(chǎn)氫酸化罐中,補充產(chǎn)氫菌群并維持pH值在5.5,避免產(chǎn)氫抑制。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ116.2;TQ221.11;TQ929
【圖文】：

能源年消費量（３０．５億噸石油當量）占全球總消費量的２３．０％，年增長量更是占逡逑據(jù)了全球凈增長的２７．５％，中國仍然是世界上最大的能源消費國⑴。２０１６年全球逡逑和中國的能源消費結構對比如圖１．１所示。在我國能源結構中，傳統(tǒng)化石燃料占逡逑比達到了邋８７．０％，單單煤炭就占據(jù)了邋６１．８％，而包括風能、地熱、太陽能、生物逡逑質(zhì)能等在內(nèi)的可再生能源則僅占比２．８％，仍低于世界平均的３．２％［１］。對傳統(tǒng)化逡逑石燃料的過度依賴以及我國“富煤、貧油、少氣”的能源結構現(xiàn)狀，不但會造成逡逑嚴重的環(huán)境污染問題，還對我國的能源安全和經(jīng)濟發(fā)展造成了嚴重的威脅。因此，逡逑《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要２００６－２０２０年》、《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》逡逑和《國家能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（２０１４－２０２０年）》等重要文件中均明確指出要改逡逑善我國的能源消費結構，大力發(fā)展生物質(zhì)能和氫能等新能源，力爭到２０２０年可逡逑再生能源占能源消費總量的比例提高到１５邐。逡逑W石油□~T氣■麟逡逑［Ｉ□核能Ｍｌ水電１邐ｉ可再生能源單位：百萬噸石油當量逡逑３２０４．１邋（２４．１３％）邐１８８７．６（６１．８３％）逡逑ｐ９，，４６％）邋ＭｈｉＭＬ逡逑ｌｌ０．３邋（６．８６％）邐（８．６２％）逡逑４４１８．２邋（３３．２８％）邐４１９．６邋（３．１６％）邐５７８．７邋（１８＿９６％）邋８６．１邋（２邋８２％）逡逑圖１．１世界（左）與中國（右）一次能源消費結構對比⑴逡逑生物質(zhì)能是世界上一種十分重要的可再生能源，在應對能源供需矛盾和保護逡逑生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用

浙江大學博士學位論文邐邐１緒侖逡逑ＣｂＨｎ０６邋—２ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ邋＋邋２Ｃ０２邐（公式邋１．３）逡逑Ｃ６Ｈｕ０６＾２ＣＨ３ＣＨ（０Ｈ）Ｃ００Ｈ邐（公式邋１．４）逡逑

圖２．１邋水熱反應備（ＰａｒｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ４５００）邋［６４］逡逑氣系統(tǒng)逡逑生物發(fā)酵產(chǎn)氣實驗采用了三套實驗系統(tǒng)，包括批序式酵產(chǎn)氣系統(tǒng)和５Ｌ連續(xù)流發(fā)酵產(chǎn)氣系統(tǒng)，具體如下：逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2774867