【摘要】：稻草和互花米草都屬于木質(zhì)纖維素。稻草的廢棄與焚燒,以及互花米草的瘋長(zhǎng),帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染與生態(tài)問題和重大的經(jīng)濟(jì)損失。合理利用稻草和互花米草成了一個(gè)亟待解決的新問題。稻草和互花米草的干消化生產(chǎn)清潔的沼氣,不僅解決其污染和危害,而且給當(dāng)?shù)鼐用駧斫?jīng)濟(jì)的收益和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)；從而激發(fā)當(dāng)?shù)鼐用竦姆e極性,積極參與禁止稻草焚燒和控制互花米草瘋長(zhǎng)的活動(dòng)。 本論文考察石灰預(yù)處理和干消化稻草過程中組分和結(jié)構(gòu)的變化,揭示復(fù)雜的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)是限制微生物利用、降低稻草產(chǎn)氣率的根本原因；試圖通過高溫、同時(shí)石灰處理與干消化工藝和兩相工藝來強(qiáng)化木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞、提高木質(zhì)纖維素的水解效率,增加干消化互花米草的產(chǎn)氣,以期為提高干消化木質(zhì)纖維素的產(chǎn)氣效率提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。主要結(jié)果如下： 1.中溫、干消化稻草的結(jié)構(gòu)變化及產(chǎn)氣特性。木質(zhì)纖維素復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了干消化的低水解速率,造成了低的生物轉(zhuǎn)化效率和低的產(chǎn)氣效率。60天干消化稻草的累積產(chǎn)氣量達(dá)到278.1mL/g VS,產(chǎn)氣轉(zhuǎn)化率僅為39.9%;纖維素和半纖維相對(duì)含量分別降低22.4%和13.1%,而木質(zhì)素相對(duì)含量增加了59%。石灰預(yù)處理導(dǎo)致乙�；湐嗔�,致使木質(zhì)素和多糖的去除；預(yù)處理過程中結(jié)晶區(qū)氫鍵的重組導(dǎo)致結(jié)晶指數(shù)的增加；發(fā)酵階段主要通過p-1,4糖苷鍵斷裂實(shí)現(xiàn)脫聚、結(jié)晶區(qū)氫鍵改變實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)破壞,最終實(shí)現(xiàn)多糖的降解。預(yù)處理和干消化顯著影響稻草的熱解特性。一級(jí)熱解動(dòng)力學(xué)很好的模擬了原稻草、預(yù)處理與干消化后稻草熱解的主失重階段,活化能在42.27-47.82KJ/mol之間變化。 2.高溫強(qiáng)化互花米草的產(chǎn)氣效率。高溫強(qiáng)化干消化的產(chǎn)氣速率和木質(zhì)素纖維素降解,產(chǎn)氣率從181.2mL/g VS(中溫)增加到283.9mL/g VS(高溫),生物轉(zhuǎn)化率從32.2%(中溫)提高到50.4%(高溫),VS去除率從57.3%(中溫)提高到69%(高溫)。 3.同時(shí)石灰處理與干消化工藝強(qiáng)化干消化互花米草的產(chǎn)氣效率。同時(shí)石灰處理與干消化工藝厭氧發(fā)酵木質(zhì)纖維素在技術(shù)上是可行的,有最高的初始產(chǎn)氣速率(k=0.023d-1)和最大的VS去除率(71.9%),厭氧發(fā)酵的前40天的產(chǎn)氣率達(dá)到192.7mL/g VS,但干消化過程存在著抑制。Na+、K+和Ca2+陽(yáng)離子并不是導(dǎo)致同時(shí)石灰處理與干消化工藝產(chǎn)氣抑制的根本原因。 4.高溫強(qiáng)化互花米草結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理。高溫強(qiáng)化了木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞,同時(shí)石灰處理與干消化工藝實(shí)現(xiàn)了最大的結(jié)構(gòu)破壞和組分去除。木質(zhì)素去除主要出現(xiàn)在預(yù)處理階段,主要通過乙酰基鏈斷裂、羧基碳、芳碳和酚碳的脫除來實(shí)現(xiàn)。干消化去除多糖,主要通過p,1-4糖苷鍵斷裂、多糖碳和乙縮醛碳的脫除。石灰預(yù)處理對(duì)木質(zhì)纖維素素結(jié)構(gòu)破壞有限,需要強(qiáng)化預(yù)處理,提高木質(zhì)纖維素的生物降解性。預(yù)處理和干消化顯著影響互花米草的熱解特性。一級(jí)熱解動(dòng)力學(xué)很好的模擬了原、預(yù)處理與干消化后互花米草的主失重階段,預(yù)處理增加活化能而干消化降低活化能。 5.兩相工藝強(qiáng)化木質(zhì)纖維素的水解效率,增加干消化互花米草的產(chǎn)氣效率。補(bǔ)加尿素調(diào)節(jié)碳氮比,創(chuàng)造更適宜生存環(huán)境、試圖增加水解效率,但導(dǎo)致氣相甲烷菌的氨抑制;FA抑制產(chǎn)甲烷反應(yīng),其值高于55mg/L就會(huì)對(duì)高溫產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制。兩相干消化互花米草的產(chǎn)氣量為98.6mL/g VS,轉(zhuǎn)化率僅為17.5%。木質(zhì)纖維素復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了低的水解效率,需要大幅度地強(qiáng)化預(yù)處理效果,增加木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞,才能明顯提高干消化木質(zhì)纖維素的產(chǎn)氣量。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TQ352;X712

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2629833