發(fā)布時間：2018-03-22 15:25

  本文選題：厭氧消化　切入點(diǎn)：玉米秸稈　出處：《鄭州大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在日益嚴(yán)重的石化能源和環(huán)境污染問題情況下,可再生新能源的開發(fā)和利用,成為人們解決能源問題和環(huán)境危機(jī)的重要手段,已引起了世界各國的共同重視,是當(dāng)下亟需解決的問題。生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)在緩解能源危機(jī)和減輕環(huán)境壓力方面有重要意義,因此得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,取得了大量研究成果。但是,秸稈中的木質(zhì)纖維素含量較高而且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致厭氧消化效率低,產(chǎn)氣量少,從而限制了秸稈厭氧消化的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。預(yù)處理技術(shù)可以有效提高秸稈類生物質(zhì)的可生物降解性能和產(chǎn)氣量。本課題采用氨水浸出預(yù)處理方法,并對其進(jìn)行了實(shí)驗研究,探討了化學(xué)預(yù)處理中木質(zhì)素脫除機(jī)理,為進(jìn)一步改進(jìn)玉米秸稈的預(yù)處理方法和提高秸稈的可生物降解性能提供了新的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。首先,對生物質(zhì)厭氧消化底物玉米秸稈的氨水浸出預(yù)處理工藝進(jìn)行了實(shí)驗。研究了氨水濃度、反應(yīng)溫度、氨化時間、固液比和物料粒徑對氨水浸出預(yù)處理的影響。結(jié)果顯示氨水預(yù)處理效果主要體現(xiàn)為木質(zhì)素的去除,對纖維素和半纖維素影響較小,玉米秸稈處理后纖維素和半纖維素分別保留80%和70%以上,木質(zhì)素去除率達(dá)到73%。通過響應(yīng)面法對氨水預(yù)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化,可以發(fā)現(xiàn)氨水濃度、氨化溫度、氨化時間和固液比對纖維素酶解率效果影響順序為：氨化溫度氨水濃度固液比氨化時間,結(jié)合響應(yīng)面實(shí)驗優(yōu)化獲得最佳氨化條件：氨水濃度為15wt.%,氨化溫度為50℃,氨化時間為28 h,固液比為1：9,在此條件下玉米秸稈中纖維素酶解率達(dá)到93.6%,較優(yōu)化前提高了28.8%。其次,對濃氨水浸出預(yù)處理的木質(zhì)素脫除動力學(xué)進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示兩階段式一級動力學(xué)方程能夠很好地描述氨化預(yù)處理木質(zhì)素脫除歷程。使用Arrhenius方程對不同溫度下動力學(xué)參數(shù)計算得到木質(zhì)素脫除主體階段和剩余階段的表觀活化能分別為61.05和59.46kJ/mol。并對比不同氨水濃度下的動力學(xué)常數(shù)發(fā)現(xiàn),木質(zhì)素脫除主體階段的脫除速率遠(yuǎn)大于剩余階段的脫除速率,前者大約為后者的100倍左右。且氨水濃度也對玉米秸稈木質(zhì)素不同脫除階段的脫除分?jǐn)?shù)有影響,初始階段和主體階段的脫除分?jǐn)?shù)隨氨水濃度的升高而增大,而剩余階段的脫除分?jǐn)?shù)隨之減少。再次,對濃氨水浸出預(yù)處理可提高玉米秸稈的木質(zhì)素脫除率和酶解率的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了研究。采用凝膠滲透色譜、傅里葉變換紅外光譜和二維異核單量子碳?xì)湎嚓P(guān)核磁波譜等方法,對不同氨化條件下玉米秸稈中提取的木質(zhì)素進(jìn)行了化學(xué)結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明氨水浸出預(yù)處理能夠具有較高的木質(zhì)素脫除率,進(jìn)而導(dǎo)致對纖維素的包裹減少,使得微生物或酶能夠接觸到更多的纖維素并對其進(jìn)行有效的消化和酶解,從而提高了酶解率和后續(xù)厭氧消化的產(chǎn)氣量。然后,對氨水浸出預(yù)處理玉米秸稈的酸化工藝進(jìn)行了實(shí)驗。在間歇模式下研究了有機(jī)負(fù)荷量、接種量和pH對氨化秸稈厭氧水解VFA的影響,分析了VFA濃度及組分、SCOD濃度和VS去除率等指標(biāo),為尋得最佳的產(chǎn)酸工藝條件提供依據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在間歇模式下,50 g/L的有機(jī)負(fù)荷量,30%的接種量,控制pH為6時,氨化玉米秸稈的水解酸化效果最適,VFA濃度、乙酸所占比例、TS和VS去除率分別達(dá)到4.86 g/L、72.2%、23.2%和26.5%。最后,對氨水浸出預(yù)處理玉米秸稈的單相和兩相厭氧消化進(jìn)行了對比研究。結(jié)果顯示,單相厭氧消化過程中,氨化秸稈厭氧消化過程中產(chǎn)氣的峰值比未處理的大,且波峰的數(shù)量也要多,最終的累積產(chǎn)氣量為25409 ml,比未處理秸稈提高了52%。消化單位TS和VS產(chǎn)氣量為290.38 ml/g和315.21 ml/g,比未處理的分別提高了53.6%和42.3%。TS和VS的去除率也比未處理玉米秸稈分別提高了17.9%和14.8%。這些都說明氨水浸出預(yù)處理后,玉米秸稈的可生物降解性能得到明顯改善,促進(jìn)了單位干物質(zhì)的產(chǎn)氣量。從總產(chǎn)氣量上看,兩相厭氧消化與單相厭氧消化沒有明顯差別,但由于酸化系統(tǒng)提供了乙酸含量較高和pH值穩(wěn)定的酸化液,使甲烷相的消化時間縮短,甲烷相pH值維持在7.2左右,能夠為微生物提供了更加穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境,厭氧消化產(chǎn)生的沼氣甲烷含量更高,平均含量達(dá)到61%。因此,兩相系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和較短的水力停留時間等優(yōu)勢。通過以上研究,濃氨水浸出預(yù)處理能夠有效地提高玉米秸稈的可生物降解性能和產(chǎn)氣量。在預(yù)處理過程中,玉米秸稈的化學(xué)組分、化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)均發(fā)生了明顯的變化。而且對木質(zhì)素次級結(jié)構(gòu)和連接方式的研究,為預(yù)處理過程對木質(zhì)素脫除過程和產(chǎn)氣潛能的提高提供了理論依據(jù)。本文的研究成果為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)的工業(yè)化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo),具有重要的實(shí)際意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S216

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1649240