【摘要】：木質(zhì)纖維素是最主要的一類生物質(zhì)資源,富含纖維素、半纖維素,其碳、氫含量高,可轉(zhuǎn)化為清潔的可燃?xì)饽茉�。我國木質(zhì)纖維素生物質(zhì)廢棄物(Lignocellulosic biomass waste, LCBW)年產(chǎn)量大,其中農(nóng)作物廢棄物約7.29億噸,可供能源化利用的林業(yè)剩余物和能源植物每年約3.5億噸。但目前我國的LCBW主要以田間堆棄、直接焚燒等方式處理,資源化利用率不高,不僅浪費(fèi)了其蘊(yùn)藏的巨大生物質(zhì)能,而且造成嚴(yán)重環(huán)境污染。厭氧消化可在溫和的條件下將LCBW轉(zhuǎn)化為清潔甲烷,副產(chǎn)的消化殘?jiān)捎米鬓r(nóng)業(yè)肥料。其中干法消化能夠節(jié)省大量水資源,在實(shí)現(xiàn)LCBW資源化利用的同時(shí)減少廢棄物排放及其造成的環(huán)境污染,但目前國內(nèi)尚未形成成熟的干法消化技術(shù)。本研究針對(duì)干法消化過程中存在的底物水解緩慢、消化停留時(shí)間長、傳質(zhì)困難等問題展開研究,通過調(diào)控干法消化關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)而解決前述問題。選取高粱稈、楊樹葉、青草為研究對(duì)象,首先對(duì)其進(jìn)行不同方式預(yù)處理,找到適合干法消化的預(yù)處理方法,進(jìn)而考察了初始固含量、接種率、共消化對(duì)干法消化的影響,以提高干法消化的降解效率和沼氣產(chǎn)量并縮短消化停留時(shí)間,最后建立10 L干法消化裝置,開展干法消化傳質(zhì)強(qiáng)化的研究。具體研究內(nèi)容和主要結(jié)論如下：1、預(yù)處理研究。對(duì)LCBW分別進(jìn)行水熱預(yù)處理、堿預(yù)處理、酸預(yù)處理,考察了預(yù)處理前后底物的纖維素、半纖維素含量和結(jié)晶度等結(jié)構(gòu)組成的變化,并對(duì)沼氣產(chǎn)量較高的預(yù)處理方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià),從而得出適合干法消化的預(yù)處理工藝。結(jié)果表明：由于高粱稈、楊樹葉、青草中的木質(zhì)纖維素含量、以及結(jié)晶度等結(jié)構(gòu)存在較大差異,其適宜的預(yù)處理方式不同。高粱稈的最佳預(yù)處理方式為4%的堿預(yù)處理,其累積沼氣產(chǎn)量達(dá)535 mL/g VS;楊樹葉的最佳預(yù)處理方式為4%的堿預(yù)處理,累積沼氣產(chǎn)量為322 mL/g VS;青草的最佳預(yù)處理方式為180℃水熱預(yù)處理,累積沼氣產(chǎn)量為320 mL/gVS。預(yù)處理后,底物的木質(zhì)素含量及結(jié)晶度發(fā)生變化。對(duì)于高結(jié)晶度底物,纖維素的晶型結(jié)構(gòu)是影響干法消化效果的主要因素；而低結(jié)晶度底物,木質(zhì)素是阻礙干法消化的主要因素。對(duì)包括預(yù)處理的干法消化過程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià),結(jié)果表明：堿預(yù)處理的能耗最低并且經(jīng)濟(jì)效益較好,在工業(yè)化應(yīng)用中具有可行性以及較好的環(huán)境效應(yīng)。2、干法消化影響因素研究。系統(tǒng)研究了不同初始固含量、接種率對(duì)楊樹葉、高粱稈的干法消化沼氣產(chǎn)量、pH值、COD、氨氮濃度、VFA以及產(chǎn)甲烷菌群落的影響。在保證干法消化效果的同時(shí)提高處理能力,最大化經(jīng)濟(jì)效益。初始固含量、接種率對(duì)高粱稈、楊樹葉的干法消化過程影響類似。低初始固含量、高接種率能夠縮短干法消化的啟動(dòng)時(shí)間,提高初始階段沼氣中的甲烷含量以及最終的累積沼氣產(chǎn)量。在干法消化穩(wěn)定階段及末期,初始固含量和接種率對(duì)體系中的微生物群落、甲烷含量影響不大。此外,在接種率低時(shí),纖維素含量較高、結(jié)晶度較低的高粱稈在發(fā)酵過程中易積累大量乙酸,導(dǎo)致干法消化停滯,并且不容易從酸化狀態(tài)恢復(fù)；而纖維素含量相對(duì)較低的楊樹葉在出現(xiàn)酸化現(xiàn)象時(shí),可通過調(diào)節(jié)pH值恢復(fù)產(chǎn)氣。3、牛糞共消化研究。通過高粱稈、楊樹葉、青草分別與牛糞混合進(jìn)行共消化,得到了與牛糞混合的最佳碳氮比。高粱稈、楊樹葉、青草單獨(dú)消化時(shí)沼氣產(chǎn)量分別為327 mL/g VS、312 mL/g VS、257 mL/g VS當(dāng)高粱稈、楊樹葉、青草與牛糞混合的碳氮比分別為25、26、20時(shí),累積沼氣產(chǎn)量分別達(dá)到478 mL/g VS、431 mL/g VS、 331 mL/g VS。由于高粱稈、楊樹葉、青草中可生物降解組分含量不同,共消化的碳氮比存在較大差異。共消化的沼氣產(chǎn)量受底物的碳元素含量、纖維素含量、木質(zhì)素含量及結(jié)晶度的影響。與木質(zhì)纖維素生物質(zhì)廢棄物單獨(dú)進(jìn)行的干法消化相比,加入牛糞實(shí)施共消化大大提高了底物的沼氣產(chǎn)量,增強(qiáng)了干法消化過程系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比較牛糞、高粱稈共消化和利用尿素調(diào)節(jié)高粱稈碳氮比的干法消化,結(jié)果表明碳氮比僅在一定程度上解釋了共消化對(duì)干法消化的促進(jìn)作用,牛糞中豐富的微量元素可能是共消化取得較好發(fā)酵效果的重要原因。4、放大實(shí)驗(yàn)研究。綜合基礎(chǔ)研究結(jié)果,將反應(yīng)器放大至10L(內(nèi)徑200 mm,高400 mm),考察了機(jī)械攪拌和水力攪拌兩種傳質(zhì)方式對(duì)干法消化的沼氣產(chǎn)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在直葉形雙層攪拌槳反應(yīng)器中(攪拌槳尺寸長140 mm×寬40 mm×厚度5mm,攪拌軸直徑為15mm),攪拌槳末端線速度為88 cm/s時(shí)顯著強(qiáng)化了傳質(zhì),反應(yīng)器的累積沼氣產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)量達(dá)到最高。對(duì)直葉形槳的雙層攪拌進(jìn)行CFD模擬表明,勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中攪拌軸附近的剪切力最大。攪拌促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì),從而提高水解階段的反應(yīng)速率。攪拌也影響污泥顆粒的狀態(tài)進(jìn)而影響產(chǎn)甲烷階段。干法消化過程中,啟動(dòng)階段需要降低攪拌強(qiáng)度；而在正常運(yùn)行階段可適當(dāng)提高攪拌強(qiáng)度,以促進(jìn)底物水解,提高干法消化速率。在滲濾液回流促進(jìn)傳質(zhì)的反應(yīng)器中,物料堆積高度與反應(yīng)器直徑比為3：2時(shí)得到了較高的沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量。結(jié)合機(jī)械攪拌與水力攪拌可極大地促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì),顯著提高沼氣產(chǎn)量。
【圖文】：

物被直接焚燒，該處理方式的能源利用率不足１０％Ｐ２１，同時(shí)焚燒處理會(huì)造成±壤板逡逑結(jié)、釋放可吸入顆粒物Ｗ及破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等惡劣影響。每年約１．４７億噸的農(nóng)作逡逑物稻桿被用作畜牧業(yè)的飼料，但僅占總量的２３％（圖１．４）。此外，約１／５的農(nóng)作物枯逡逑軒被丟棄、自然腐敗，造成地下水污染和空氣污染等環(huán)境問題。逡逑雖然我國正積極研發(fā)各種先進(jìn)生物質(zhì)能利用技術(shù)，如農(nóng)作物稻軒氣化、制各生物逡逑活性炭、液化生物質(zhì)制備生物柴油等等，但總體而言，我國在木質(zhì)纖維素生物質(zhì)廢棄逡逑物利用方面，技術(shù)裝備落后、能量轉(zhuǎn)換效率低；新的生物質(zhì)能源利用技術(shù)尚處于研發(fā)逡逑階段，缺乏大規(guī)模應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的實(shí)例。逡逑１．３厭氧消化技術(shù)逡逑厭氧消化是在無氧環(huán)境下由微生物群體降解有機(jī)物的生化過程ｐｓｊ。厭氧消化在自逡逑然界中普遍存在于缺氧環(huán)境中，例如河道沉積物、沼澤地、哺乳動(dòng)物的腸道等。逡逑厭氧消化在處理廢棄物的過程中具有高負(fù)荷和低污泥產(chǎn)率，這是其他生物處理工逡逑藝所不具備的。并且厭氧消化產(chǎn)生的沼氣可Ｗ作為燃料

都是一段式，在中溫或高溫Ｋ運(yùn)行，系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量在化３－０．５邋ｍ３／ｋｇＶＳ［９３ｌ逡逑（１）法國Ｖａｌｏｒｇａ工藝逡逑Ｖａｌｏｒｇａ由法國Ｓｔｅｉｎｍｕｅｌｌｅｒ邋Ｖａｌｏｒｇａ邋Ｓａｒｉ公司開發(fā)（圖１．９），主要適用于生活垃圾逡逑和工業(yè)有機(jī)廢物的處理，進(jìn)料需經(jīng)６０邋ｍｍ篩分。王藝采用直立的圓柱形罐體，中央逡逑的隔板延伸到罐體的蘭分之二處。物料必須通過隔板從入口移動(dòng)到另一面的出口，，從逡逑而在反應(yīng)器內(nèi)形成活塞流，該工藝采用的滲濾液部分回流與沼氣壓縮攬拌結(jié)合的技術(shù)，逡逑Ｉ逡逑沼氣回流攬拌的壓力為５個(gè)大氣壓，約２００個(gè)噴氣孔，每１５分鐘沼氣循環(huán)注射一次。逡逑工藝可在固含量２５－３５％之間運(yùn)行，消化溫度為３７邋°Ｃ，也可在５５邋°Ｃ運(yùn)行。停留時(shí)間逡逑１４－２８天，產(chǎn)氣量８０－１８０邋Ｎｍ３／ｔ。消化殘?jiān)冢矗板?#176;Ｃ下經(jīng)過１４天的好氧堆肥達(dá)到穩(wěn)定。逡逑該工藝不需要利用消化殘?jiān)♂屝迈r垃圾，但由于機(jī)械限制，容積固定，并且氣體噴逡逑嘴容易堵塞
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK6


本文編號(hào)：2670412