木质纤维素生物质废弃物干法消化预处理与过程调控研究

发布时间：2020-05-19 05:25

【摘要】：木质纤维素是最主要的一类生物质资源,富含纤维素、半纤维素,其碳、氢含量高,可转化为清洁的可燃气能源。我国木质纤维素生物质废弃物(Lignocellulosic biomass waste, LCBW)年产量大,其中农作物废弃物约7.29亿吨,可供能源化利用的林业剩余物和能源植物每年约3.5亿吨。但目前我国的LCBW主要以田间堆弃、直接焚烧等方式处理,资源化利用率不高,不仅浪费了其蕴藏的巨大生物质能,而且造成严重环境污染。厌氧消化可在温和的条件下将LCBW转化为清洁甲烷,副产的消化残渣可用作农业肥料。其中干法消化能够节省大量水资源,在实现LCBW资源化利用的同时减少废弃物排放及其造成的环境污染,但目前国内尚未形成成熟的干法消化技术。本研究针对干法消化过程中存在的底物水解缓慢、消化停留时间长、传质困难等问题展开研究,通过调控干法消化关键技术参数而解决前述问题。选取高粱秆、杨树叶、青草为研究对象,首先对其进行不同方式预处理,找到适合干法消化的预处理方法,进而考察了初始固含量、接种率、共消化对干法消化的影响,以提高干法消化的降解效率和沼气产量并缩短消化停留时间,最后建立10 L干法消化装置,开展干法消化传质强化的研究。具体研究内容和主要结论如下：1、预处理研究。对LCBW分别进行水热预处理、碱预处理、酸预处理,考察了预处理前后底物的纤维素、半纤维素含量和结晶度等结构组成的变化,并对沼气产量较高的预处理方式进行经济性评价,从而得出适合干法消化的预处理工艺。结果表明：由于高粱秆、杨树叶、青草中的木质纤维素含量、以及结晶度等结构存在较大差异,其适宜的预处理方式不同。高粱秆的最佳预处理方式为4%的碱预处理,其累积沼气产量达535 mL/g VS;杨树叶的最佳预处理方式为4%的碱预处理,累积沼气产量为322 mL/g VS;青草的最佳预处理方式为180℃水热预处理,累积沼气产量为320 mL/gVS。预处理后,底物的木质素含量及结晶度发生变化。对于高结晶度底物,纤维素的晶型结构是影响干法消化效果的主要因素；而低结晶度底物,木质素是阻碍干法消化的主要因素。对包括预处理的干法消化过程进行经济性评价,结果表明：碱预处理的能耗最低并且经济效益较好,在工业化应用中具有可行性以及较好的环境效应。2、干法消化影响因素研究。系统研究了不同初始固含量、接种率对杨树叶、高粱秆的干法消化沼气产量、pH值、COD、氨氮浓度、VFA以及产甲烷菌群落的影响。在保证干法消化效果的同时提高处理能力,最大化经济效益。初始固含量、接种率对高粱秆、杨树叶的干法消化过程影响类似。低初始固含量、高接种率能够缩短干法消化的启动时间,提高初始阶段沼气中的甲烷含量以及最终的累积沼气产量。在干法消化稳定阶段及末期,初始固含量和接种率对体系中的微生物群落、甲烷含量影响不大。此外,在接种率低时,纤维素含量较高、结晶度较低的高粱秆在发酵过程中易积累大量乙酸,导致干法消化停滞,并且不容易从酸化状态恢复；而纤维素含量相对较低的杨树叶在出现酸化现象时,可通过调节pH值恢复产气。3、牛粪共消化研究。通过高粱秆、杨树叶、青草分别与牛粪混合进行共消化,得到了与牛粪混合的最佳碳氮比。高粱秆、杨树叶、青草单独消化时沼气产量分别为327 mL/g VS、312 mL/g VS、257 mL/g VS当高粱秆、杨树叶、青草与牛粪混合的碳氮比分别为25、26、20时,累积沼气产量分别达到478 mL/g VS、431 mL/g VS、 331 mL/g VS。由于高粱秆、杨树叶、青草中可生物降解组分含量不同,共消化的碳氮比存在较大差异。共消化的沼气产量受底物的碳元素含量、纤维素含量、木质素含量及结晶度的影响。与木质纤维素生物质废弃物单独进行的干法消化相比,加入牛粪实施共消化大大提高了底物的沼气产量,增强了干法消化过程系统的稳定性。比较牛粪、高粱秆共消化和利用尿素调节高粱秆碳氮比的干法消化,结果表明碳氮比仅在一定程度上解释了共消化对干法消化的促进作用,牛粪中丰富的微量元素可能是共消化取得较好发酵效果的重要原因。4、放大实验研究。综合基础研究结果,将反应器放大至10L(内径200 mm,高400 mm),考察了机械搅拌和水力搅拌两种传质方式对干法消化的沼气产量、系统稳定性的影响。在直叶形双层搅拌桨反应器中(搅拌桨尺寸长140 mm×宽40 mm×厚度5mm,搅拌轴直径为15mm),搅拌桨末端线速度为88 cm/s时显著强化了传质,反应器的累积沼气产量、甲烷产量达到最高。对直叶形桨的双层搅拌进行CFD模拟表明,匀速转动过程中搅拌轴附近的剪切力最大。搅拌促进反应器内传质,从而提高水解阶段的反应速率。搅拌也影响污泥颗粒的状态进而影响产甲烷阶段。干法消化过程中,启动阶段需要降低搅拌强度；而在正常运行阶段可适当提高搅拌强度,以促进底物水解,提高干法消化速率。在渗滤液回流促进传质的反应器中,物料堆积高度与反应器直径比为3：2时得到了较高的沼气产量和甲烷产量。结合机械搅拌与水力搅拌可极大地促进反应器内传质,显著提高沼气产量。
【图文】：

物被直接焚烧，该处理方式的能源利用率不足１０％Ｐ２１，同时焚烧处理会造成±壤板逡逑结、释放可吸入颗粒物Ｗ及破坏农田生态环境等恶劣影响。每年约１．４７亿吨的农作逡逑物稻杆被用作畜牧业的饲料，但仅占总量的２３％（图１．４）。此外，约１／５的农作物枯逡逑轩被丢弃、自然腐败，造成地下水污染和空气污染等环境问题。逡逑虽然我国正积极研发各种先进生物质能利用技术，如农作物稻轩气化、制各生物逡逑活性炭、液化生物质制备生物柴油等等，但总体而言，我国在木质纤维素生物质废弃逡逑物利用方面，技术装备落后、能量转换效率低；新的生物质能源利用技术尚处于研发逡逑阶段，缺乏大规模应用和产业化的实例。逡逑１．３厌氧消化技术逡逑厌氧消化是在无氧环境下由微生物群体降解有机物的生化过程ｐｓｊ。厌氧消化在自逡逑然界中普遍存在于缺氧环境中，例如河道沉积物、沼泽地、哺乳动物的肠道等。逡逑厌氧消化在处理废弃物的过程中具有高负荷和低污泥产率，这是其他生物处理工逡逑艺所不具备的。并且厌氧消化产生的沼气可Ｗ作为燃料

都是一段式，在中温或高温Ｋ运行，系统的沼气产量在化３－０．５邋ｍ３／ｋｇＶＳ［９３ｌ逡逑（１）法国Ｖａｌｏｒｇａ工艺逡逑Ｖａｌｏｒｇａ由法国Ｓｔｅｉｎｍｕｅｌｌｅｒ邋Ｖａｌｏｒｇａ邋Ｓａｒｉ公司开发（图１．９），主要适用于生活垃圾逡逑和工业有机废物的处理，进料需经６０邋ｍｍ筛分。王艺采用直立的圆柱形罐体，中央逡逑的隔板延伸到罐体的兰分之二处。物料必须通过隔板从入口移动到另一面的出口，，从逡逑而在反应器内形成活塞流，该工艺采用的渗滤液部分回流与沼气压缩揽拌结合的技术，逡逑Ｉ逡逑沼气回流揽拌的压力为５个大气压，约２００个喷气孔，每１５分钟沼气循环注射一次。逡逑工艺可在固含量２５－３５％之间运行，消化温度为３７邋°Ｃ，也可在５５邋°Ｃ运行。停留时间逡逑１４－２８天，产气量８０－１８０邋Ｎｍ３／ｔ。消化残渣在４０邋°Ｃ下经过１４天的好氧堆肥达到稳定。逡逑该工艺不需要利用消化残渣稀释新鲜垃圾，但由于机械限制，容积固定，并且气体喷逡逑嘴容易堵塞
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6


本文编号：2670412