中高温环境下水稻秸秆在厌氧生物反应器中的生物制氢研究

发布时间：2017-12-25 15:32

  本文关键词：中高温环境下水稻秸秆在厌氧生物反应器中的生物制氢研究　出处：《南京农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：矿石燃料所带来的环境污染和其总量逐渐减少等问题越来越引起人们的重视,各国科学家都在寻找无污染且可再生的替代燃料。氢气因其122kJ/g的高能量值和氧化过程只产生水的环境无害性而得到科学家们的更多关注。因水稻收获时产生的大量秸秆1.35吨秸秆/吨水稻)可以为暗发酵生物制氢提供底物,所以水稻秸秆很适合用于生物制氢。此外,以污泥形式存在的梭状芽孢杆菌联合体是最好的微生物。本文研究水稻秸秆进行生物制氢的方法。首先设计并制造了 20L的厌氧生物发生器,然后将固体含量(TS)在10%的条件下预处理的秸秆和污泥进行等比例混合消化进行生物制氢,在此过程中底物随着水添加到反应器。为了剖析温度对制氢的影响,整个过程分别在中温和高温条件下进行。研究了整个潜育期的生物制氢、pH下降值和挥发性脂肪酸生产。通过修正的Gompertz方程来计算生物制氢过程的动力学参数。生物制氢产量和比产氢速率(SHPR)分别由累积生物制氢量和生物产氢率除以挥发性固体去除量(VSrem)计算。响应面方法通过正方形模型来更好的展示结果。研究结论概括如下;1、在中温和高温条件下,研究水稻秸秆、稻壳、稻糠和大米废弃物与热冲击污泥在厌氧反应器中共同消化时的生物制氢能力。据观察,除了大米废弃物,所有废弃物的生物制氢能力随着温度从37°C至55 C°的升高而增加。在中温情况下,水稻秸秆、稻壳、稻糠和大米食物废弃物的生物制氢产量分别为36. 62、23.05、31. 25和30. 54 mL/ VSrem;高温情况下分别为 40. 04,30.27,38. 60 和 23.75 mL/ VSrem。除了大米食物废弃物,所有废弃物的生物制氢最佳pH值在7-6。水稻作物废弃物在中温和高温环境下得到的平均产量是30. 36和33. 16 mL/VSrem。2、研究了三种常见预处理(机械,汽爆和化学)对水稻秸秆在中温(37°C)和高温(55°C)条件下的生物制氢能力的影响。结果表明,固体NaOH预处理后的水稻秸秆LCH (木质素、纤维素和半纤维素)值降低最多,水稻秸秆的生物制氢能力最强。孵化温度从37℃增至55C°时生物制氢产量也增加,化学预处理方式下当温度为55°C时的产量最高,为60.6ml/VS。最佳生物制氢需要的时间基于动力学参数:36h-47h的孵化时间,这可作为水稻秸秆连续生物制氢的水力停留时间。在中温和高温环境下,生物制氢的最佳pH范围分别为6. 7±0. 1到5. 8±0. 1和7. 1 ±0. 1到5. 8±0. 1。3、研究了三种不同固态NaOH浓度(3%, 6%和9%)对水稻秸秆的纤维性能和生物制氢能力的影响。结果显示,相较于未处理的秸秆,当NaOH浓度从3%增加至9%时,纤维素、半纤维素和木质素的还原率分别为3.82%-10.332%, 10.78%-50.40%,8.12%-43.31%。NaOH浓度从3%增加到6%时,生物制氢产量在中温条件下从43.53增加到51.18mL/VSrem,在高温条件下从49. 10增加至60.60 mL/VSrem。继而当NaOH浓度从6%增加到9%时,中高温条件下的生物制氢产量分别降低11.5%和6. 4%。这是由于可能超剂量的NaOH导致了高含量的Na+。总的说来,对于NaOH处理过得秸秆而言,pH值从7. 3到5. 6为最佳范围。另一方面,VFA产量也随着时间、NaOH浓度和温度的增加而增加。4、为节约能量输入,在高温条件下研究了加热12h/天和24h/天对6%的NaOH预处理后的秸秆的影响。结果发现,在加热时间从24h/天降至12h/天时,累积生物制氢降低39%。相应的生物制氢产量由于减少加热时间下降了17%,即从60. 60 mL/VS rem降至mL/VS rem。加热时间从24h/天减到12h/天适于控制VFA产量,VFA的产量在12h/天比24h/天增加了21. 11%±2. 14%。整体而言,区间加热因其能省50%的输入能量而被认为是一个合适的选择,不过VS去除率只降低了 27%。5、用二次模型来建立累积生物制氢量、PH下降值和挥发性脂肪酸量的表面曲线,从而更好的表达生物制氢的不同预处理、PH下降值和挥发性脂肪酸量间的关系。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2;S216.2
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本文编号：1333423