玉米干秸秆氨化过程机理及厌氧消化研究

发布时间：2018-03-22 15:25

本文选题：厌氧消化　切入点：玉米秸秆　出处：《郑州大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在日益严重的石化能源和环境污染问题情况下,可再生新能源的开发和利用,成为人们解决能源问题和环境危机的重要手段,已引起了世界各国的共同重视,是当下亟需解决的问题。生物质厌氧消化技术在缓解能源危机和减轻环境压力方面有重要意义,因此得到了国内外的广泛关注,取得了大量研究成果。但是,秸秆中的木质纤维素含量较高而且其结构复杂,导致厌氧消化效率低,产气量少,从而限制了秸秆厌氧消化的大规模工业应用。预处理技术可以有效提高秸秆类生物质的可生物降解性能和产气量。本课题采用氨水浸出预处理方法,并对其进行了实验研究,探讨了化学预处理中木质素脱除机理,为进一步改进玉米秸秆的预处理方法和提高秸秆的可生物降解性能提供了新的理论基础和依据。首先,对生物质厌氧消化底物玉米秸秆的氨水浸出预处理工艺进行了实验。研究了氨水浓度、反应温度、氨化时间、固液比和物料粒径对氨水浸出预处理的影响。结果显示氨水预处理效果主要体现为木质素的去除,对纤维素和半纤维素影响较小,玉米秸秆处理后纤维素和半纤维素分别保留80%和70%以上,木质素去除率达到73%。通过响应面法对氨水预处理工艺进行优化,可以发现氨水浓度、氨化温度、氨化时间和固液比对纤维素酶解率效果影响顺序为：氨化温度氨水浓度固液比氨化时间,结合响应面实验优化获得最佳氨化条件：氨水浓度为15wt.%,氨化温度为50℃,氨化时间为28 h,固液比为1：9,在此条件下玉米秸秆中纤维素酶解率达到93.6%,较优化前提高了28.8%。其次,对浓氨水浸出预处理的木质素脱除动力学进行了研究。结果显示两阶段式一级动力学方程能够很好地描述氨化预处理木质素脱除历程。使用Arrhenius方程对不同温度下动力学参数计算得到木质素脱除主体阶段和剩余阶段的表观活化能分别为61.05和59.46kJ/mol。并对比不同氨水浓度下的动力学常数发现,木质素脱除主体阶段的脱除速率远大于剩余阶段的脱除速率,前者大约为后者的100倍左右。且氨水浓度也对玉米秸秆木质素不同脱除阶段的脱除分数有影响,初始阶段和主体阶段的脱除分数随氨水浓度的升高而增大,而剩余阶段的脱除分数随之减少。再次,对浓氨水浸出预处理可提高玉米秸秆的木质素脱除率和酶解率的内在机理进行了研究。采用凝胶渗透色谱、傅里叶变换红外光谱和二维异核单量子碳氢相关核磁波谱等方法,对不同氨化条件下玉米秸秆中提取的木质素进行了化学结构分析。结果表明氨水浸出预处理能够具有较高的木质素脱除率,进而导致对纤维素的包裹减少,使得微生物或酶能够接触到更多的纤维素并对其进行有效的消化和酶解,从而提高了酶解率和后续厌氧消化的产气量。然后,对氨水浸出预处理玉米秸秆的酸化工艺进行了实验。在间歇模式下研究了有机负荷量、接种量和pH对氨化秸秆厌氧水解VFA的影响,分析了VFA浓度及组分、SCOD浓度和VS去除率等指标,为寻得最佳的产酸工艺条件提供依据。结果发现,在间歇模式下,50 g/L的有机负荷量,30%的接种量,控制pH为6时,氨化玉米秸秆的水解酸化效果最适,VFA浓度、乙酸所占比例、TS和VS去除率分别达到4.86 g/L、72.2%、23.2%和26.5%。最后,对氨水浸出预处理玉米秸秆的单相和两相厌氧消化进行了对比研究。结果显示,单相厌氧消化过程中,氨化秸秆厌氧消化过程中产气的峰值比未处理的大,且波峰的数量也要多,最终的累积产气量为25409 ml,比未处理秸秆提高了52%。消化单位TS和VS产气量为290.38 ml/g和315.21 ml/g,比未处理的分别提高了53.6%和42.3%。TS和VS的去除率也比未处理玉米秸秆分别提高了17.9%和14.8%。这些都说明氨水浸出预处理后,玉米秸秆的可生物降解性能得到明显改善,促进了单位干物质的产气量。从总产气量上看,两相厌氧消化与单相厌氧消化没有明显差别,但由于酸化系统提供了乙酸含量较高和pH值稳定的酸化液,使甲烷相的消化时间缩短,甲烷相pH值维持在7.2左右,能够为微生物提供了更加稳定的生态环境,厌氧消化产生的沼气甲烷含量更高,平均含量达到61%。因此,两相系统具有较高的系统稳定性和较短的水力停留时间等优势。通过以上研究,浓氨水浸出预处理能够有效地提高玉米秸秆的可生物降解性能和产气量。在预处理过程中,玉米秸秆的化学组分、化学结构和空间结构均发生了明显的变化。而且对木质素次级结构和连接方式的研究,为预处理过程对木质素脱除过程和产气潜能的提高提供了理论依据。本文的研究成果为实现生物质厌氧消化技术的工业化提供理论基础和技术指导,具有重要的实际意义。
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【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216

【参考文献】