中高溫環(huán)境下水稻秸稈在厭氧生物反應(yīng)器中的生物制氫研究.pdf

1、礦石燃料所帶來的環(huán)境污染和其總量逐漸減少等問題越來越引起人們的重視，各國科學(xué)家都在尋找無污染且可再生的替代燃料。氫氣因其122kJ/g的高能量值和氧化過程只產(chǎn)生水的環(huán)境無害性而得到科學(xué)家們的更多關(guān)注。因水稻收獲時產(chǎn)生的大量秸稈1.35噸秸稈/噸水稻）可以為暗發(fā)酵生物制氫提供底物，所以水稻秸稈很適合用于生物制氫。此外，以污泥形式存在的梭狀芽孢桿菌聯(lián)合體是最好的微生物。
　　本文研究水稻秸稈進(jìn)行生物制氫的方法。首先設(shè)計并制造了20L的

2、厭氧生物發(fā)生器，然后將固體含量(TS)在10％的條件下預(yù)處理的秸稈和污泥進(jìn)行等比例混合消化進(jìn)行生物制氫，在此過程中底物隨著水添加到反應(yīng)器。為了剖析溫度對制氫的影響，整個過程分別在中溫和高溫條件下進(jìn)行。研究了整個潛育期的生物制氫、pH下降值和揮發(fā)性脂肪酸生產(chǎn)。通過修正的Gompertz方程來計算生物制氫過程的動力學(xué)參數(shù)。生物制氫產(chǎn)量和比產(chǎn)氫速率(SHPR)分別由累積生物制氫量和生物產(chǎn)氫率除以揮發(fā)性固體去除量(VSrem)計算。響應(yīng)面方法通

3、過正方形模型來更好的展示結(jié)果。研究結(jié)論概括如下;
　　1、在中溫和高溫條件下，研究水稻秸稈、稻殼、稻糠和大米廢棄物與熱沖擊污泥在厭氧反應(yīng)器中共同消化時的生物制氫能力。據(jù)觀察，除了大米廢棄物，所有廢棄物的生物制氫能力隨著溫度從37℃至55℃的升高而增加。在中溫情況下，水稻秸稈、稻殼、稻糠和大米食物廢棄物的生物制氫產(chǎn)量分別為36.62、23.05、31.25和30.54mL/ VSrem;高溫情況下分別為40.04，30.27，38.

4、60和23.75 mL/ VSrem。除了大米食物廢棄物，所有廢棄物的生物制氫最佳pH值在7-6。水稻作物廢棄物在中溫和高溫環(huán)境下得到的平均產(chǎn)量是30.36和33.16 mL/VSrem。
　　2、研究了三種常見預(yù)處理（機(jī)械，汽爆和化學(xué)）對水稻秸稈在中溫(37℃)和高溫(55℃)條件下的生物制氫能力的影響。結(jié)果表明，固體NaOH預(yù)處理后的水稻秸稈LCH（木質(zhì)素、纖維素和半纖維素）值降低最多，水稻秸稈的生物制氫能力最強(qiáng)。孵化溫度從3

5、7℃增至55℃時生物制氫產(chǎn)量也增加，化學(xué)預(yù)處理方式下當(dāng)溫度為55℃時的產(chǎn)量最高，為60.6ml/VS。最佳生物制氫需要的時間基于動力學(xué)參數(shù):36h-47h的孵化時間，這可作為水稻秸稈連續(xù)生物制氫的水力停留時間。在中溫和高溫環(huán)境下，生物制氫的最佳pH范圍分別為6.7±0.1到5.8±0.1和7.1±0.1到5.8±0.1。
　　3、研究了三種不同固態(tài)NaOH濃度（3％，6％和9％）對水稻秸稈的纖維性能和生物制氫能力的影響。結(jié)果顯示，

6、相較于未處理的秸稈，當(dāng)NaOH濃度從3％增加至9％時，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的還原率分別為3.82％-10.332％，10.78％-50.40％，8.12％-43.31％。NaOH濃度從3％增加到6％時，生物制氫產(chǎn)量在中溫條件下從43.53增加到51.18mL/VSrem，在高溫條件下從49.10增加至60.60 mL/VSrem。繼而當(dāng)NaOH濃度從6％增加到9％時，中高溫條件下的生物制氫產(chǎn)量分別降低11.5％和6.4％。這是由于可

7、能超劑量的NaOH導(dǎo)致了高含量的Na+?？偟恼f來，對于NaOH處理過得秸稈而言，pH值從7.3到5.6為最佳范圍。另一方面，VFA產(chǎn)量也隨著時間、NaOH濃度和溫度的增加而增加。
　　4、為節(jié)約能量輸入，在高溫條件下研究了加熱12h/天和24h/天對6％的NaOH預(yù)處理后的秸稈的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在加熱時間從24h/天降至12h/天時，累積生物制氫降低39％。相應(yīng)的生物制氫產(chǎn)量由于減少加熱時間下降了17％，即從60.60 mL/VS