水热预处理与改性生物炭介导的小麦秸秆厌氧消化产气特性

发布时间：2020-11-18 06:16

　　 中国2017年小麦秸秆产量达到15717.078万吨,占当年秸秆资源量的23%。由于小麦秸秆木质纤维素紧密排列的网格状骨架结构、纤维素的高度结晶结构、表面的蜡质结构等原因,导致秸秆在厌氧消化中微生物分解能力差、转化效率低、发酵周期长、产气率低下,甚至造成厌氧消化过程的停滞。为此,本文通过水热预处理技术,探索不同水热条件对小麦秸秆的物料特性和厌氧消化产气特性的影响,研究改性生物炭介导的富碳小麦秸秆厌氧消化提质增效特性和优化工艺。主要研究内容和结果如下:(1)小麦秸秆水热预处理产物特性试验研究。通过水热预处理,小麦秸秆表面出现裂痕、孔洞,其致密骨架结构受到破坏,生物质表面的孔隙度增加;随着水热预处理温度在150℃~225℃之间的不断升高,以及保温时间在5 min~60 min之间的延长,小麦秸秆半纤维的降解率达到27.69%~99.07%,纤维素的降解率最大达到80.24%;有机酸的种类随着温度的升高以及预处理时间的延长,呈现出增多的趋势,酸性物质以乙酸为主,最高得率达到1250.71 mg/L;预处理液中还原糖含量与预处理时间和温度分别呈正相关关系,当温度大于175℃时,较长预处理时间下,液相中的还原糖含量处于较低水平,同时还原糖含量与木质纤维素的降解率也不是单纯的正相关关系,说明在水热处理过程中,木质纤维素除分解为低聚糖之外,还有其他化合物生成。在175℃保温30 min水热预处理条件下,苯酚等抑制物出现。随着预处理条件的剧烈程度增加,抑制物种类增多和含量上升;200℃条件下开始检测到5-羟甲基糠醛,最高含量达到35.6%。(2)水热预处理小麦秸秆产甲烷特性试验研究。小麦秸秆通过水热预处理,缩短了厌氧消化周期,提高了产气率。在水热温度175℃、处理时间30 min的优化条件下,最高单位基质甲烷产率(202.81 mLCH_4/gVS)比对照组(124.51 mLCH_4/gVS)提高了62.9%;通过对预处理后小麦秸秆进行生物降解率计算,发现:30 min条件下的处理均有较好的生物可降解性;通过对各处理组进行甲烷产量的动力学分析,证实了水解过程是小麦秸秆厌氧消化过程的限速阶段,且水热预处理打破了水解阶段对小麦秸秆厌氧消化的限制;通过Modified Gompertz模型分析,证实225℃预处理条件下,小麦秸秆厌氧消化产甲烷受到严重抑制,不适合作为小麦秸秆水热预处理条件。(3)改性生物炭介导水热预处理小麦秸秆厌氧消化工艺优化。通过水热预处理温度(A)、水热预处理时间(B)、NaOH生物炭改性剂浓度(C)三个因素五水平二次旋转中心组合试验,得到甲烷产量回归模型:Y=832.47-43.21 A+5.00 B+9.14 C-65.84AB+32.76 AC-35.46 BC-187.23 A~2-80.74 B~2-91.36 C~2。通过对模型显著性检验,其相关系数R~2=0.9831,p0.0001,表明模型拟合效果较好,能够用于描述小麦秸秆水热预处理后甲烷产量随水热预处理温度、水热预处理时间、生物炭改性剂浓度三因素的变化规律。通过模型参数寻优,得到改性生物炭介导的水热预处理小麦秸秆的厌氧消化最佳工艺参数为:预处理温度为173℃,保温31.0 min,添加2.01 mol/L氢氧化钠浓度改性过的生物炭,可获得最大累积甲烷产量278.5 mL/gVS。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S216.4
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 导论
    1.1 选题背景
    1.2 秸秆类原料厌氧消化预处理研究现状
        1.2.1 物理预处理技术
        1.2.2 化学预处理技术
        1.2.3 生物预处理技术
        1.2.4 联合预处理技术
        1.2.5 水热预处理技术
    1.3 生物炭介导厌氧消化研究现状
    1.4 选题目的与意义
        1.4.1 选题目的
        1.4.2 选题意义
    1.5 研究内容及技术路线
        1.5.1 研究内容
        1.5.2 技术路线
第二章 小麦秸秆水热预处理产物特性试验研究
    2.1 材料与方法
        2.1.1 试验装置
        2.1.2 试验材料与预处理方法
        2.1.3 试验指标检测方法
        2.1.4 试验所需试剂
    2.2 结果与分析
        2.2.1 不同水热预处理条件小麦秸秆结构组成的变化
        2.2.2 不同水热预处理条件下液相产物中有机组分变化
    2.3 小结
第三章 水热预处理小麦秸秆产甲烷特性试验研究
    3.1 材料与方法
        3.1.1 材料和微生物菌种
        3.1.2 水热预处理小麦秸秆厌氧消化产甲烷特性试验
        3.1.3 厌氧消化底物理论产甲烷量及生物降解性
        3.1.4 厌氧消化产甲烷动力学分析
        3.1.5 检测分析方法
    3.2 结果与分析
        3.2.1 水热预处理小麦秸秆产气特性
        3.2.2 厌氧消化过程中料液CODs与 pH变化特征
        3.2.3 水热预处理小麦秸秆厌氧消化产甲烷潜力评价
        3.2.4 水热预处理小麦秸秆厌氧消化产甲烷动力学分析
    3.3 小结
第四章 改性生物炭介导水热处理麦秸厌氧消化工艺优化
    4.1 材料与方法
        4.1.1 材料与微生物菌种
        4.1.2 改性生物炭的制备与选择
        4.1.3 试验设计
        4.1.4 试验实施与检测分析方法
    4.2 结果与分析
        4.2.1 回归分析及显著性检验
        4.2.2 单因素效应分析
        4.2.3 各因素的交互作用对小麦秸秆厌氧消化的响应面分析
        4.2.4 模型的验证
    4.3 小结
第五章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 创新点
    5.3 展望
参考文献
致谢
个人简介

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本文编号：2888408