本文關(guān)鍵詞：中高溫環(huán)境下水稻秸稈在厭氧生物反應(yīng)器中的生物制氫研究　出處：《南京農(nóng)業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：礦石燃料所帶來的環(huán)境污染和其總量逐漸減少等問題越來越引起人們的重視,各國科學(xué)家都在尋找無污染且可再生的替代燃料。氫氣因其122kJ/g的高能量值和氧化過程只產(chǎn)生水的環(huán)境無害性而得到科學(xué)家們的更多關(guān)注。因水稻收獲時產(chǎn)生的大量秸稈1.35噸秸稈/噸水稻)可以為暗發(fā)酵生物制氫提供底物,所以水稻秸稈很適合用于生物制氫。此外,以污泥形式存在的梭狀芽孢桿菌聯(lián)合體是最好的微生物。本文研究水稻秸稈進(jìn)行生物制氫的方法。首先設(shè)計(jì)并制造了 20L的厭氧生物發(fā)生器,然后將固體含量(TS)在10%的條件下預(yù)處理的秸稈和污泥進(jìn)行等比例混合消化進(jìn)行生物制氫,在此過程中底物隨著水添加到反應(yīng)器。為了剖析溫度對制氫的影響,整個過程分別在中溫和高溫條件下進(jìn)行。研究了整個潛育期的生物制氫、pH下降值和揮發(fā)性脂肪酸生產(chǎn)。通過修正的Gompertz方程來計(jì)算生物制氫過程的動力學(xué)參數(shù)。生物制氫產(chǎn)量和比產(chǎn)氫速率(SHPR)分別由累積生物制氫量和生物產(chǎn)氫率除以揮發(fā)性固體去除量(VSrem)計(jì)算。響應(yīng)面方法通過正方形模型來更好的展示結(jié)果。研究結(jié)論概括如下;1、在中溫和高溫條件下,研究水稻秸稈、稻殼、稻糠和大米廢棄物與熱沖擊污泥在厭氧反應(yīng)器中共同消化時的生物制氫能力。據(jù)觀察,除了大米廢棄物,所有廢棄物的生物制氫能力隨著溫度從37°C至55 C°的升高而增加。在中溫情況下,水稻秸稈、稻殼、稻糠和大米食物廢棄物的生物制氫產(chǎn)量分別為36. 62、23.05、31. 25和30. 54 mL/ VSrem;高溫情況下分別為 40. 04,30.27,38. 60 和 23.75 mL/ VSrem。除了大米食物廢棄物,所有廢棄物的生物制氫最佳pH值在7-6。水稻作物廢棄物在中溫和高溫環(huán)境下得到的平均產(chǎn)量是30. 36和33. 16 mL/VSrem。2、研究了三種常見預(yù)處理(機(jī)械,汽爆和化學(xué))對水稻秸稈在中溫(37°C)和高溫(55°C)條件下的生物制氫能力的影響。結(jié)果表明,固體NaOH預(yù)處理后的水稻秸稈LCH (木質(zhì)素、纖維素和半纖維素)值降低最多,水稻秸稈的生物制氫能力最強(qiáng)。孵化溫度從37℃增至55C°時生物制氫產(chǎn)量也增加,化學(xué)預(yù)處理方式下當(dāng)溫度為55°C時的產(chǎn)量最高,為60.6ml/VS。最佳生物制氫需要的時間基于動力學(xué)參數(shù):36h-47h的孵化時間,這可作為水稻秸稈連續(xù)生物制氫的水力停留時間。在中溫和高溫環(huán)境下,生物制氫的最佳pH范圍分別為6. 7±0. 1到5. 8±0. 1和7. 1 ±0. 1到5. 8±0. 1。3、研究了三種不同固態(tài)NaOH濃度(3%, 6%和9%)對水稻秸稈的纖維性能和生物制氫能力的影響。結(jié)果顯示,相較于未處理的秸稈,當(dāng)NaOH濃度從3%增加至9%時,纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的還原率分別為3.82%-10.332%, 10.78%-50.40%,8.12%-43.31%。NaOH濃度從3%增加到6%時,生物制氫產(chǎn)量在中溫條件下從43.53增加到51.18mL/VSrem,在高溫條件下從49. 10增加至60.60 mL/VSrem。繼而當(dāng)NaOH濃度從6%增加到9%時,中高溫條件下的生物制氫產(chǎn)量分別降低11.5%和6. 4%。這是由于可能超劑量的NaOH導(dǎo)致了高含量的Na+。總的說來,對于NaOH處理過得秸稈而言,pH值從7. 3到5. 6為最佳范圍。另一方面,VFA產(chǎn)量也隨著時間、NaOH濃度和溫度的增加而增加。4、為節(jié)約能量輸入,在高溫條件下研究了加熱12h/天和24h/天對6%的NaOH預(yù)處理后的秸稈的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在加熱時間從24h/天降至12h/天時,累積生物制氫降低39%。相應(yīng)的生物制氫產(chǎn)量由于減少加熱時間下降了17%,即從60. 60 mL/VS rem降至mL/VS rem。加熱時間從24h/天減到12h/天適于控制VFA產(chǎn)量,VFA的產(chǎn)量在12h/天比24h/天增加了21. 11%±2. 14%。整體而言,區(qū)間加熱因其能省50%的輸入能量而被認(rèn)為是一個合適的選擇,不過VS去除率只降低了 27%。5、用二次模型來建立累積生物制氫量、PH下降值和揮發(fā)性脂肪酸量的表面曲線,從而更好的表達(dá)生物制氫的不同預(yù)處理、PH下降值和揮發(fā)性脂肪酸量間的關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ116.2;S216.2
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本文編號：1333423