水热降解及碳氮调控促进高含水率生物质发酵联产氢气和甲烷研究

发布时间：2020-07-30 02:24

【摘要】：高含水率生物质废弃物对环境造成了日益严重的污染,通过微生物厌氧发酵制取氢气和甲烷是极具潜力的生物质能源化利用方式。本文探究了生物质中蛋白质降解的典型氨基酸发酵产氢的竞争反应途径,采用水热降解微藻巨藻和餐厨垃圾,混合调控碳氮比维持氢菌代谢平衡,显著促进了生物质厌氧发酵联产氢气和甲烷。研究了生物质中蛋白质降解的典型氨基酸发酵产氢机理,明晰了氨基酸在暗发酵产氢过程中的竞争反应途径。氨基酸经暗发酵降解转化为大量的液相可溶性代谢产物,其中丙氨酸和丝氨酸的碳元素转化率分别达到85.3%和94.1%。丙氨酸和丝氨酸经暗光耦合发酵的氢气产率分别提高到418.6 mL/g和270.2 mL/g,能量转化效率分别达到25.1%和21.2%。调控培养节旋藻生物质成分并通过水热降解促进了发酵联产氢气和甲烷。采用烟气15%CO2曝气造成的相对氮缺乏,以及高盐度引起的渗透压升高促进了细胞内碳水化合物的积累。微观表征显示节旋藻经蒸汽水热稀酸处理后的细胞一节一节分离破碎,释放出碳水化合物在水热稀酸作用下降解成小分子还原糖。节旋藻生物质暗光耦合发酵的氢气产率达到429 mL/gVS,联产甲烷后的整体能量产率提高到10.51 kJ/gVS。研究了水热、水热稀酸以及酶水解等多种处理方式对典型巨藻生物质降解以及后续发酵联产氢气和甲烷的影响规律。巨藻在水热条件下解聚产生许多孔洞和小碎片,不易降解的成分则仅剩丝状骨架。稀硫酸催化了水热解聚后生物质的进一步降解转化,总碳水化合单体含量比未处理巨藻提高了 2.48倍,暗发酵氢气产率提高了 60.8%,而5-羟甲基糠醛等副产物则抑制了发酵过程,降低了产氢尾液联产甲烷效果。单纯水热处理促进巨藻生物质解聚提高发酵联产氢气和甲烷的效果最佳,整体能量转化效率达到了 66.0%。将富含蛋白质的微藻与富含碳水化合物的巨藻混合,调控生物质原料的碳元素和氮元素质量比为20:1,促进暗发酵阶段的生物质降解,使氢气产率提高了 21.6～27.1%,通过联产甲烷使混合藻类生物质的整体能量转化效率提高到57.1～76.6%。长达32周的连续流实验表明:在总水力停留时间较短(16 d)条件下,当H2反应器有机负荷为6.0 gVS/L/d时混合藻类生物质得到有效降解,平均氢气产率达到55.3 mL/gVS;对应CH4反应器的有机负荷为2.0 gVS/L/d,联产甲烷产率为245.0 mL/gVS,微藻和巨藻的混合生物质整体能量产率达到9.4 kJ/gVS。混合藻类生物质两步法连续流联产氢气和甲烷系统在能量转化和发酵系统稳定性方面均显著优于一步法单产甲烷系统。采用水热降解餐厨垃圾促进厌氧发酵联产氢气和甲烷。研究了餐厨垃圾降解产物随水热条件变化的演变规律,蛋白质随水热温度升高而逐渐降解为溶解性的小分子蛋白、多肽和氨基酸;溶解性糖含量随水热温度升高先增加在140℃C达到峰值,然后由于小分子糖继续降解以及糖与氨基酸之间的美拉德反应而逐渐降低。餐厨垃圾水热降解后发酵联产氢气和甲烷的产率分别达到43.0mL/gVS和511.6mL/gVS,整体能量转化效率达到78.6%,比未经水热降解的餐厨垃圾能量转化效率大幅提高了 31.7%。分析了餐厨垃圾和污水污泥的微观理化特性及其混合发酵对联产氢气和甲烷的影响。将富含碳水化合物和油脂成分的餐厨垃圾与富含蛋白质和矿物质的污水污泥混合调控碳氮比,通过强化厌氧菌群与原料之间的有效接触促进了有机质降解,使餐厨垃圾和污水污泥混合发酵的氢气产率比其单独发酵的加权平均值提高了 49.9%。餐厨垃圾和污水污泥混合发酵联产氢气和甲烷的整体能量产率提高到11.3 kJ/gVS。通过长达21周的餐厨垃圾连续流发酵实验,发现联产氢气和甲烷可有效缩短水力停留时间,在高负荷下比单产甲烷具有更强的缓冲能力和稳定性。以水热降解后的餐厨垃圾作为发酵原料,在总水力停留时间缩短至18天后,联产甲烷产率仍保持在400mL/gVS以上未受抑制,在能量转化和发酵过程稳定性两方面均显著优于未处理餐厨垃圾。设计了餐厨垃圾480m3发酵罐产氢酸化系统的示范工程改造技术方案:通过建立产氢酸化系统,促进餐厨垃圾降解,提高后续联产甲烷效果,将产甲烷的水力停留时间从30天缩短到20天;将富含厌氧菌群且呈弱碱性的产甲烷沼液回流到产氢酸化罐中,补充产氢菌群并维持pH值在5.5,避免产氢抑制。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ116.2;TQ221.11;TQ929
【图文】：

一次能源消费,结构对比,世界

能源年消费量（３０．５亿吨石油当量）占全球总消费量的２３．０％，年增长量更是占逡逑据了全球净增长的２７．５％，中国仍然是世界上最大的能源消费国⑴。２０１６年全球逡逑和中国的能源消费结构对比如图１．１所示。在我国能源结构中，传统化石燃料占逡逑比达到了邋８７．０％，单单煤炭就占据了邋６１．８％，而包括风能、地热、太阳能、生物逡逑质能等在内的可再生能源则仅占比２．８％，仍低于世界平均的３．２％［１］。对传统化逡逑石燃料的过度依赖以及我国“富煤、贫油、少气”的能源结构现状，不但会造成逡逑严重的环境污染问题，还对我国的能源安全和经济发展造成了严重的威胁。因此，逡逑《国家中长期科学和技术发展规划纲要２００６－２０２０年》、《能源发展“十三五”规划》逡逑和《国家能源发展战略行动计划（２０１４－２０２０年）》等重要文件中均明确指出要改逡逑善我国的能源消费结构，大力发展生物质能和氢能等新能源，力争到２０２０年可逡逑再生能源占能源消费总量的比例提高到１５逦。逡逑W石油□~T气■麟逡逑［Ｉ□核能Ｍｌ水电１逦ｉ可再生能源单位：百万吨石油当量逡逑３２０４．１邋（２４．１３％）逦１８８７．６（６１．８３％）逡逑ｐ９，，４６％）邋ＭｈｉＭＬ逡逑ｌｌ０．３邋（６．８６％）逦（８．６２％）逡逑４４１８．２邋（３３．２８％）逦４１９．６邋（３．１６％）逦５７８．７邋（１８＿９６％）邋８６．１邋（２邋８２％）逡逑图１．１世界（左）与中国（右）一次能源消费结构对比⑴逡逑生物质能是世界上一种十分重要的可再生能源，在应对能源供需矛盾和保护逡逑生态环境等方面发挥着重要作用

路径图,博士学位论文,公式,浙江大学

浙江大学博士学位论文逦逦１绪仑逡逑ＣｂＨｎ０６邋—２ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ邋＋邋２Ｃ０２逦（公式邋１．３）逡逑Ｃ６Ｈｕ０６＾２ＣＨ３ＣＨ（０Ｈ）Ｃ００Ｈ逦（公式邋１．４）逡逑

产气,水热反应,生物发酵,连续流

图２．１邋水热反应备（ＰａｒｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ４５００）邋［６４］逡逑气系统逡逑生物发酵产气实验采用了三套实验系统，包括批序式酵产气系统和５Ｌ连续流发酵产气系统，具体如下：逡逑

【参考文献】