【摘要】： 提出了通過堿預(yù)處理顯著改善和提高麥秸的可生物降解性能,然后通過厭氧消化方法把麥秸轉(zhuǎn)化成沼氣(biogas)這一生產(chǎn)生物能源新的技術(shù)途徑。開展了如下多方面的試驗和機(jī)理研究,并對研究結(jié)果進(jìn)行了工程應(yīng)用。 1.不同堿預(yù)處理劑對麥秸厭氧消化性能影響的試驗研究。選擇氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)和尿素(CO(NH2)3)為預(yù)處理劑,采用四個不同添加量(1%,2%,4%,6%)對麥秸進(jìn)行預(yù)處理,然后在四個有機(jī)負(fù)荷率(35,50,65和80 g·L-1)下對預(yù)處理麥秸進(jìn)行了厭氧消化產(chǎn)氣性能試驗。發(fā)現(xiàn)NaOH預(yù)處理麥秸在65 g·L-1有機(jī)負(fù)荷率下取得了最好的厭氧消化產(chǎn)氣效果,因此選擇NaOH作為適宜麥秸的預(yù)處理劑。 2. NaOH預(yù)處理參數(shù)試驗研究及其優(yōu)化參數(shù)確定。研究了不同NaOH預(yù)處理參數(shù)對麥秸厭氧消化性能的影響,這些參數(shù)包括NaOH添加量、預(yù)處理時間、預(yù)處理溫度、物料含水率、物料粒度、接種物等。研究發(fā)現(xiàn)：①與未處理麥秸相比,在各種添加水平下,預(yù)處理麥秸的產(chǎn)氣率、平均甲烷含量、TS和VS降解率都得到了明顯提高,其中2%、4%NaOH預(yù)處理麥秸的產(chǎn)氣率提高的最為顯著,分別提高了44.0%、48.0%,兩者之間無顯著區(qū)別。因此,從經(jīng)濟(jì)效益上考慮,選用2%作為最佳NaOH預(yù)處理添加量。②經(jīng)過不同溫度預(yù)處理后,麥秸的產(chǎn)氣率、平均甲烷含量、TS和VS降解率并無顯著差異,但10℃的消化時間(dT80)比30℃的縮短了4天,且在大多數(shù)情況下,10℃在室溫下即可達(dá)到,因此,確定10℃為適宜預(yù)處理溫度。③NaOH添加到麥秸后,只需3天時間即可被基本利用完。試驗結(jié)果表明,3天和6天預(yù)處理對麥秸的厭氧消化產(chǎn)氣性能沒有明顯影響,更長的預(yù)處理時間沒有實際意義。因此,確定3天預(yù)處理時間為宜。④與600%含水率相比,900%預(yù)處理含水率的產(chǎn)氣率和TS/VS降解率上分別提高了6.1%、5.1%／4.9%,消化時間(dT80)縮短了2天,說明900%含水率有利于NaOH對麥秸結(jié)構(gòu)的破壞和組分的降解。⑤麥秸的產(chǎn)氣率、TS和VS降解率隨著物料粒度的減小而增大,但不呈線性關(guān)系。磨碎麥秸的產(chǎn)氣率只比粉碎的提高2.6%,但磨碎卻要消耗更多的電能；揉搓的產(chǎn)氣率稍低,但與粉碎相比,產(chǎn)氣率相差不大,而能耗卻明顯降低,因此揉搓是比較實用的選擇。⑥污泥消化液作為接種物,厭氧消化效果最差,豬糞消化液和麥秸消化液接種效果較好；與豬糞消化液相比,麥秸消化液的產(chǎn)氣率、TS和VS降解率略高,且可就地取材,應(yīng)是首要選擇。 綜上所述,確定NaOH的最佳預(yù)處理參數(shù)為：添加量2%、預(yù)處理溫度10℃、預(yù)處理時間3天、有機(jī)負(fù)荷率65 g·L-1、搓揉處理、以麥秸消化液為接種物。 3. NaOH預(yù)處理麥秸的機(jī)理研究。采用掃描電鏡(SEM)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、X-射線衍射(XRD)等先進(jìn)的分析手段,對NaOH預(yù)處理提高麥秸厭氧消化產(chǎn)氣性能的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了探討。發(fā)現(xiàn)：①在微觀物理結(jié)構(gòu)上。經(jīng)預(yù)處理后,麥秸的表面物理結(jié)構(gòu)變得疏松、碎裂,出現(xiàn)了明顯的分層脫落現(xiàn)象。這種破壞有利于釋放包裹在木質(zhì)素和半纖維素中的纖維素,使之變得更容易被消化利用。經(jīng)厭氧消化后,預(yù)處理麥秸完整的表面被徹底破壞,出現(xiàn)了明顯的裂片、凹凸不平的溝槽和微孔,證實了NaOH預(yù)處理的有效性。②在化學(xué)結(jié)構(gòu)上。預(yù)處理使得麥秸中纖維素中的重要連接鍵發(fā)生部分?jǐn)嗔押推茐?纖維素被降解成了小分子物質(zhì)成分；木質(zhì)素與碳水化合物之間的酯鍵發(fā)生了斷裂,使得纖維素發(fā)生了部分降解,并被更多地從木質(zhì)素的包裹中釋放了出來。③在化學(xué)組分上。預(yù)處理后,麥秸的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和木質(zhì)纖維素含量分別由原來的30.6%、28.1%、12.4%和71.1%降低到25.6%、21.9%、10.8%和58.3%；冷水抽出物、熱水抽出物和1%NaOH抽出物的百分比含量分別提高了92.3%、83.1%和20.0%；苯-醇抽出物百分比含量降低了37.8%；總糖百分比含量提高了106.7%�？梢钥闯�,預(yù)處理麥秸厭氧消化性能的提高并不是某一因素作用的結(jié)果,而是麥秸表面微觀物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分變化綜合作用的結(jié)果。 4.工程應(yīng)用研究�；谡n題試驗研究確定的氫氧化鈉預(yù)處理方法,并通過與厭氧消化、沼氣凈化貯存、沼氣輸配和沼渣沼液利用系統(tǒng)的集成,建成了秸稈沼氣示范工程。對工程項目中的關(guān)鍵單元和設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計計算,對反應(yīng)器內(nèi)外溫度、沼氣產(chǎn)量、甲烷含量、pH值等主要性能參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測,獲得了較好的實際應(yīng)用效果。證明NaOH預(yù)處理方法和整個生產(chǎn)系統(tǒng)可以完全滿足實際生產(chǎn)的要求。 本研究發(fā)明的NaOH預(yù)處理方法,突破了利用纖維素材料生產(chǎn)沼氣的核心關(guān)鍵技術(shù),開辟了完全利用麥秸為原料生產(chǎn)清潔能源新的技術(shù)途徑。對減少秸稈的環(huán)境污染、開發(fā)新能源具有重要意義,在我國具有十分廣闊的推廣應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：X703
【圖文】：

GC一789011氣相色譜儀:上海天美科學(xué)儀器有限公司。2.1.2.2試驗裝置厭氧消化試驗裝置如圖2一1所示，主要由ZL錐形瓶、lL廣口瓶和lL燒杯三部分組成。厭氧消化試驗時，ZL錐形瓶作為厭氧反應(yīng)器，置于空氣浴恒溫振蕩器中，提供消化反應(yīng)所需空間，產(chǎn)生的生物氣通過乳膠管導(dǎo)入盛有自來水的lL廣口瓶中;廣口瓶相當(dāng)于一個氣體計量器，收集從錐形瓶中產(chǎn)生的生物氣，使用排水法計量氣體圖2一1厭氧消化試驗裝置Fig.2一 1Sehematicdiagramofthelaboratorysealeanaerobiedigester

每種堿預(yù)處理劑都按麥秸干重1%、2%、4%、6%的添加量分別秤取，然后溶于900%的水中配制成溶液。將配制好的堿溶液與揉搓后的麥秸均勻混合，裝入ZL的廣口瓶中。密封后在常溫下放置3天即可。步驟如圖2一2。l)麥秸原料2)搓揉后的麥秸4)分裝于燒杯中密封5)在常溫下放置圖2一2預(yù)處理步驟Fig·2一 2ExPerimentalProeessofPretrea(2)麥秸的厭氧消化試驗將堿預(yù)處理后的麥秸，添加適量的氯化按以調(diào)節(jié)反應(yīng)

合液的pH值，若pH<6.8，滴加NaOH飽和溶液并不斷攪拌，直至消化液pH值為7.2左右，若pH>8，滴加稀HZSo4溶液并不斷攪拌，直至消化液pH值為7.2左右;最后將排氣管路接好，反應(yīng)器(錐形瓶)放入空氣浴恒溫振蕩器中(圖2一3)，溫度設(shè)定為35℃、轉(zhuǎn)數(shù)為 120rmin一1，啟動振蕩箱，進(jìn)行中溫厭氧消化試驗。運行過程中，記錄每組試驗的日產(chǎn)氣量，并用GC分析甲烷含量。圖2一運行中的厭氧消化反應(yīng)器Fig.2一 3AnaerobiedigestorsinamesoPhllieshaker2.1.2.5分析方法(l)原料TS、VS的測量試驗原料麥秸、接種污泥和殘料需要進(jìn)行TS和VS的測量。取約1/2~2/3的樣品(液體樣品取4OmL)，放入潔凈干燥的柑禍(已稱重G)中稱重(Gl)，然后置于烘箱中，在ros℃烘干24h，將柑禍取出，冷卻30mln，稱重，再移入烘箱繼續(xù)烘干lh

【引證文獻(xiàn)】

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1 牛明芬;王賽月;王昊;葛安東;徐文迪;;不同堆漚處理對玉米秸稈厭氧發(fā)酵的影響[J];環(huán)境科學(xué)與技術(shù);2012年06期

2 顧禹;;接種物對農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵的影響研究[J];安徽農(nóng)業(yè)科學(xué);2013年02期

3 馬淑R

本文編號：2749113