本文關(guān)鍵詞：水熱液化—兩階段發(fā)酵轉(zhuǎn)化纖維類生物質(zhì)高效制氫烷的研究

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【摘要】：我國(guó)秸稈等纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富,將其用于生物質(zhì)能源的生產(chǎn)對(duì)解決我國(guó)所面臨的能源危機(jī)以及環(huán)境污染等問(wèn)題有很重要的意義。纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物在常規(guī)厭氧沼氣發(fā)酵過(guò)程中存在木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)穩(wěn)定降解難、厭氧發(fā)酵反應(yīng)器效率低、單純甲烷發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵周期長(zhǎng)、能量回收效率低的問(wèn)題。針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題,本研究利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的上流式污泥床反應(yīng)器(up-flow anaerobic sludge blanket,UASB)和填充床反應(yīng)器(packed blanket reactor,PBR)搭建了兩階段產(chǎn)氫烷發(fā)酵系統(tǒng)。耦合水熱液化處理對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了能源化轉(zhuǎn)化,重點(diǎn)研究了兩階段系統(tǒng)中產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷代謝機(jī)理,為該轉(zhuǎn)化途徑的進(jìn)一步優(yōu)化和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。主要結(jié)果如下:高效反應(yīng)器不同構(gòu)型對(duì)產(chǎn)氫效率以及微生物種群多樣性有重要的影響。UASB中的產(chǎn)氫微生物種群豐度要高于PBR,PBR中則分布了更多的乙醇和乳酸代謝菌種。PBR耗氫產(chǎn)甲烷代謝活動(dòng)更為活躍。通過(guò)縮短水力停留時(shí)間(hydraulic retention time,HRT)的方法可以抑制UASB和PBR內(nèi)產(chǎn)甲烷和同型產(chǎn)乙酸等耗氫反應(yīng),從而提高氫氣產(chǎn)率。UASB中產(chǎn)甲烷耗氫的比例從12.1%降至3.1%,在PBR從66.9%降至31.4%。當(dāng)UASB和PBR中的HRT分別縮短至8h和4h可完全抑制同型產(chǎn)乙酸代謝。然而通過(guò)調(diào)控HRT的方法并不能完全的淘汰高效反應(yīng)器中的耗氫的微生物。此外,過(guò)低的HRT促進(jìn)了非產(chǎn)氫代謝微生物種群的繁殖,使得高效反應(yīng)器從產(chǎn)氫代謝途徑向不產(chǎn)氫的產(chǎn)乳酸代謝途徑轉(zhuǎn)變,進(jìn)而降低了氫氣產(chǎn)率。UASB和PBR中的產(chǎn)甲烷菌主要由乙酸營(yíng)養(yǎng)型甲烷菌組成,其在UASB和PBR的相對(duì)豐度達(dá)到90.0%和92.5%。UASB和PBR反應(yīng)器最適宜的產(chǎn)甲烷發(fā)酵HRT為12 h,此時(shí)兩反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)率分別為5.18±0.19L/L/d和4.90±0.18L/L/d。8h的HRT將引起反應(yīng)器過(guò)載的情況。修正后的厭氧發(fā)酵1號(hào)模型(anaerobicdigestionmodelNo.1,ADM1)可用于高效反應(yīng)器的厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵模擬。模型可對(duì)高效反應(yīng)器中pH值,甲烷濃度進(jìn)行定性模擬。模型對(duì)于產(chǎn)甲烷速率可以做到準(zhǔn)確的定量模擬(相對(duì)誤差10%),但無(wú)法預(yù)測(cè)高效反應(yīng)器過(guò)載的情況。兩階段發(fā)酵系統(tǒng)與單獨(dú)甲烷發(fā)酵比較試驗(yàn)說(shuō)明,兩階段系統(tǒng)的COD去除率和能量回收效率更高。在單獨(dú)甲烷發(fā)酵系統(tǒng)向兩階段系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中,PBR中COD去除率從74.0%升至97.3%,能量回收率從54.2%上升至67.1%。兩系統(tǒng)中的產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的微生物種群分布呈現(xiàn)顯著的差別,具體表現(xiàn)在兩階段發(fā)酵系統(tǒng)中的甲烷反應(yīng)器中較低的產(chǎn)酸菌分布,和較高的產(chǎn)乙酸菌、乙酸氧化菌分布。微生物多樣性分布以及產(chǎn)氣結(jié)果說(shuō)明,在兩階段系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷反應(yīng)器產(chǎn)乙酸途徑和乙酸氧化途徑被強(qiáng)化,因此產(chǎn)甲烷過(guò)程效率更高。水熱液化與兩階段發(fā)酵耦合系統(tǒng)的碳回收率和能量回收率分別為79.0%和67.7%。與單獨(dú)產(chǎn)甲烷系統(tǒng)相比,兩階段發(fā)酵系統(tǒng)在產(chǎn)氣和COD去除方面效率更高。兩階段系統(tǒng)不僅提升了氣體燃料的清潔性并且在水熱液化水相產(chǎn)物的生化轉(zhuǎn)化方面得到了加強(qiáng)。兩階段發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)氫過(guò)程起到了降解抑制物的作用從而提升了后續(xù)的產(chǎn)甲烷階段的效率,此外兩階段系統(tǒng)產(chǎn)甲烷階段的產(chǎn)乙酸過(guò)程得到了增強(qiáng)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK6;TQ920.6

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