水热液化—两阶段发酵转化纤维类生物质高效制氢烷的研究

发布时间：2017-12-12 08:31

  本文关键词：水热液化—两阶段发酵转化纤维类生物质高效制氢烷的研究

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【摘要】：我国秸秆等纤维素类农业废弃物资源丰富,将其用于生物质能源的生产对解决我国所面临的能源危机以及环境污染等问题有很重要的意义。纤维素类农业废弃物在常规厌氧沼气发酵过程中存在木质纤维素结构稳定降解难、厌氧发酵反应器效率低、单纯甲烷发酵过程发酵周期长、能量回收效率低的问题。针对上述关键问题,本研究利用实验室规模的上流式污泥床反应器(up-flow anaerobic sludge blanket,UASB)和填充床反应器(packed blanket reactor,PBR)搭建了两阶段产氢烷发酵系统。耦合水热液化处理对玉米秸秆进行了能源化转化,重点研究了两阶段系统中产氢产甲烷代谢机理,为该转化途径的进一步优化和工程应用提供理论依据。主要结果如下:高效反应器不同构型对产氢效率以及微生物种群多样性有重要的影响。UASB中的产氢微生物种群丰度要高于PBR,PBR中则分布了更多的乙醇和乳酸代谢菌种。PBR耗氢产甲烷代谢活动更为活跃。通过缩短水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)的方法可以抑制UASB和PBR内产甲烷和同型产乙酸等耗氢反应,从而提高氢气产率。UASB中产甲烷耗氢的比例从12.1%降至3.1%,在PBR从66.9%降至31.4%。当UASB和PBR中的HRT分别缩短至8h和4h可完全抑制同型产乙酸代谢。然而通过调控HRT的方法并不能完全的淘汰高效反应器中的耗氢的微生物。此外,过低的HRT促进了非产氢代谢微生物种群的繁殖,使得高效反应器从产氢代谢途径向不产氢的产乳酸代谢途径转变,进而降低了氢气产率。UASB和PBR中的产甲烷菌主要由乙酸营养型甲烷菌组成,其在UASB和PBR的相对丰度达到90.0%和92.5%。UASB和PBR反应器最适宜的产甲烷发酵HRT为12 h,此时两反应器的甲烷产率分别为5.18±0.19L/L/d和4.90±0.18L/L/d。8h的HRT将引起反应器过载的情况。修正后的厌氧发酵1号模型(anaerobicdigestionmodelNo.1,ADM1)可用于高效反应器的厌氧产甲烷发酵模拟。模型可对高效反应器中pH值,甲烷浓度进行定性模拟。模型对于产甲烷速率可以做到准确的定量模拟(相对误差10%),但无法预测高效反应器过载的情况。两阶段发酵系统与单独甲烷发酵比较试验说明,两阶段系统的COD去除率和能量回收效率更高。在单独甲烷发酵系统向两阶段系统转变过程中,PBR中COD去除率从74.0%升至97.3%,能量回收率从54.2%上升至67.1%。两系统中的产甲烷反应器的微生物种群分布呈现显著的差别,具体表现在两阶段发酵系统中的甲烷反应器中较低的产酸菌分布,和较高的产乙酸菌、乙酸氧化菌分布。微生物多样性分布以及产气结果说明,在两阶段系统中产甲烷反应器产乙酸途径和乙酸氧化途径被强化,因此产甲烷过程效率更高。水热液化与两阶段发酵耦合系统的碳回收率和能量回收率分别为79.0%和67.7%。与单独产甲烷系统相比,两阶段发酵系统在产气和COD去除方面效率更高。两阶段系统不仅提升了气体燃料的清洁性并且在水热液化水相产物的生化转化方面得到了加强。两阶段发酵系统中产氢过程起到了降解抑制物的作用从而提升了后续的产甲烷阶段的效率,此外两阶段系统产甲烷阶段的产乙酸过程得到了增强。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK6;TQ920.6

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本文编号：1281859