利用沼液回流提升稻秸厌氧消化床传质与发酵性能研究

发布时间：2020-06-25 04:31

【摘要】：中国作为农业大国,农业废弃物产量巨大,将其沼气利用被认为是环境经济最可行的方式之一。然而,现有秸秆沼气发酵工艺存在易结壳、运行不畅等问题,严重限制能源化转化效率。本研究基于现有秸秆沼气发酵工艺,优化设计床式发酵试验装置;假定稻秸发酵床为多孔介质,分析回流沼液在厌氧消化床内稻秸间传质过程。在此基础上,结合传质过程理论分析,开展不同梯度发酵浓度和回流率的批次试验,探究沼液回流对稻秸物质降解和产气性能的影响。最后,根据试验结果分析了优化装置和工艺的运行能耗及净能产出,主要研究内容和结果如下:(1)改进设计了床式秸秆沼气发酵反应器,处理富含疏松多孔的木质纤维素类生物质。设置网框将稻秸固定作为发酵床,通过水力循环搅拌,实现床内的有效传质。以此为对象,理论分析该反应器的传质过程,并研究回流过程对厌氧消化性能的影响。(2)假定稻秸发酵床为多孔介质,构建理论分析物理模型,利用流速-压降测定装置,进行了粘性阻力系数与惯性阻力系数的测试,结果表明,稻秸发酵床的堆积密度越大,其内部液体的有效迁移和物质传递就越难。稻秸密度为0.12g/cm~3的粘性阻力系数与惯性阻力系数分别为31060.99、113.36,较0.075g/cm~3增加了76.40%和56.53%,呈现粘性阻力系数与惯性阻力系数急速增加。试验结果与标准Ergun模型方程计算结果相差较大,对结果数学拟合后得到方程系数a=787.32,b=0.21,可有效指导沼液回流过程试验方案设计。(3)以稻秸为发酵原料,以30 L优化设计的床式发酵试验装置进行试验,设计发酵周期为50 d,发酵床的发酵TS浓度分别为10%、12%、14%、16%,进行中温试验。回流率为50%(回流率为15 L/d),发酵过程稳定,产气平均甲烷含量超过50%。发酵床表层与内部稻秸的纤维素与半纤维素降解率最高为TS=12%,分别为58.57%、62.23%和49.29%、46.73%,而原料产气量最高为TS=10%,为200.03 mL CH_4/g VS,表明回流率对不同负荷发酵床物质迁移影响明显,50%回流率条件下,TS为10%的发酵浓度产气最优。(4)设计不同回流率发酵试验,探究回流对稻秸厌氧消化性能的影响。发酵床的发酵TS浓度为11%,整个过程稳定,发酵液总VFA均低于500mg/L,pH在6.90~7.23间,回流率为100%及150%,发酵床内稻秸的木质纤维素降解量较为相近,但回流率为100%的原料产气率较高,为119.88 mL CH_4/g VS。提升发酵内稻秸的发酵浓度至TS=13%,平均甲烷含量超过50%,回流率为150%时,发酵床表层与内部稻秸的纤维素与半纤维素降解量最高为56.01%、36.31%和74.51%、63.68%,此时,原料产气率也最佳,为130.82 mL CH_4/g VS。因此,以处理稻秸为目的,可根据工程设计的发酵浓度,采用合适的回流率,促进高发酵浓度下发酵床稻秸的物质降解和产气性能提升。(5)综上试验结果,以处理秸秆为目的,发酵容积为500m~3的秸秆沼气工程为例,发酵浓度是13%,发酵周期设定以50 d,分析计算工程运行得能耗及净能产出。计算结果表明回流率分别为50%、100%、150%和200%条件下,稻秸净能产出分别为4747.82 MJ/t、4405.27 MJ/t、5026.23MJ/t、2990.43 MJ/t,可见150%回流率净能输出最高。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S216.4
【图文】：

农作物秸秆,用途,稻秸,饲料化

1.2 稻秸处置方式比较目前稻秸的主要利用方式主要以能源化，肥料化，饲料化为主，其中全国稻秸肥料化占比37.9%，能源化占比约 19.0%，饲料化占比约 13.8%，值得关注的是焚烧处置占比约 27.4%，对全国农业区稻秸处置方式分布，见图 1-1 所示，可发现南方区稻秸闲置焚烧比例最高(张国2017)。稻秸的饲料化利用近年来发展受到限制，农户饲料化发展草食畜产品养殖的动力不强，大的稻秸产量难以被有效的消化(曹志宏等., 2018)。因此稻秸能源化处理，可作为化石燃料的要替代品之一，成为缓解能源危机的处理方式。稻秸的能源化转化主要有沼气、乙醇、氢气和物柴油几种途径(Liu et al., 2018)。相较与其他几种利用方式，近年来沼气利用方式增长速度相较快(Liu et al., 2018)。这是因为利用秸秆生产沼气可以比其他技术以更具成本效益，是替代化燃料是一种有效的方式，尽管受到许多因素的影响，但生物天然气的最终使用能效相对较高，将全国 30% 闲置水稻秸秆用来发酵产沼气，年产沼气约 22.93×109m3，相当于 16.29Mt 标准(Wang et al., 2018a)。因此稻秸沼气发酵较其他转化方式经济效益明显，可无害化处理稻秸，提稻秸的能量利用率，减少稻秸焚烧造成的环境污染现象，同时其副产物可作为有机肥进行回收因而被广大科研工作者重视。

水稻秸秆,植物学

中国农业科学院硕士学位论文第一章引言稻秸被厌氧消化产沼气的过程中，必须将纤维素和半纤维素分解成它们相应的单体糖，以便微生物可以通过生物途径转化利用，如图 1-2（b）所示。在分子水平上，纤维素是葡萄糖通过 β-1,4糖苷键线性聚合，产生纤维素链，并通过氢键和范德瓦尔斯力进一步连接以形成微纤维、无定形纤维素，这种结构更易于消化，但其中结晶纤维素难以被水解(Yang et al., 2015a)。半纤维素通常是无定形单糖（木糖，阿拉伯糖，半乳糖，甘露糖和鼠李糖）和糖醛酸（葡糖醛酸，甲基葡糖醛酸和半乳糖醛酸）的异源多糖，半纤维素本身由于其无定形性质而易于消化，然而它作为粘结剂连接纤维素与半纤维素成分增加了植物细胞壁的难降解性质(Rajput et al., 2018)。木质素是芳香族的复杂聚合物，例如松柏醇和芥子醇，因此使植物细胞壁具有较强的硬度且难以被水解(Yang et al.2015a)。纤维素，半纤维素和木质素之间的交联导致刚性三维基质，这是液体渗透和酶进入的屏障，因此阻碍了木质纤维素生物质的消化(Liu et al., 2019)。

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