水葫蘆厭氧發(fā)酵特性及工藝技術研究.pdf

1、將水生植物--水葫蘆作為能源植物利用已受到越來越多的關注。與陸生能源作物相比，水葫蘆具有生長速度快、繁殖與適應能力強、能修復水體多種污染物的特點。此外，還具有不占用耕地、無需施用化學品等優(yōu)勢，因而，水葫蘆能源化利用已成為生物質能技術研究領域最具吸引力的一個重要方向。
　　 本文對水葫蘆的厭氧發(fā)酵產甲烷特征進行了研究，比較了不同水域、不同采收頻次對水葫蘆產甲烷的影響以及水葫蘆不同器官的厭氧發(fā)酵產甲烷特性，研究了溫度、接種量、微量元

2、素添加、酸化預處理對水葫蘆厭氧發(fā)酵的影響，并采用聚合酶鏈式反應-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)技術研究了水葫蘆厭氧發(fā)酵過程中微生物區(qū)系的變化。針對水葫蘆厭氧發(fā)酵工程中存在易漂浮、易堵塞管道和滯留時間長等缺點，提出了先將水葫蘆擠壓脫水，再對擠壓汁、渣分開進行厭氧發(fā)酵的工藝技術。同時，采用生命周期法(LCA)對水葫蘆能源化利用方式進行了環(huán)境影響評估。
　　 論文取得的主要研究結果如下：
　　 1.比較了云南滇池草海、白

3、山灣、江蘇太湖以及江蘇農科院2號塘四種不同氮、磷濃度水體生長的水葫蘆產氣量，結果發(fā)現(xiàn)水葫蘆的產氣量和其生長水體氮磷濃度呈顯著相關性。富營養(yǎng)化程度最高的云南滇池草海的水葫蘆產甲烷量最高，為264 mLCH4/gVS，是理論產甲烷量的70％；水質最好的滇池白山灣生長的水葫蘆產甲烷量最低，為172 mL CH4/gVS，僅為理論產甲烷量的45％；太湖、2號塘水體氮、磷濃度相近，其水葫蘆產甲烷量也較接近，分別為229 mL CH4/gVS和23

4、5 mL CH4/gVS，分別占理論產氣量的68％和66％。水葫蘆厭氧發(fā)酵主要利用其中的纖維素、半纖維素和粗蛋白。無論是哪種組分，白山灣水葫蘆的降解率均最低。在厭氧發(fā)酵過程中，四種水體水葫蘆產生的有機酸均以乙酸和丙酸為主；草海水葫蘆發(fā)酵產生的有機酸濃度最高，可達2466 mg/L，白山灣水葫蘆最低，僅為915 mg/L。研究發(fā)現(xiàn)水體氮、磷濃度影響水葫蘆化學組分含量的差異及結構組成(根冠比)，可能是影響水葫蘆厭氧生物降解性能及產氣量差異的

5、主要因素。
　　 2.為驗證根冠比對水葫蘆產氣的影響，對水葫蘆不同器官根、莖、葉進行了中溫批式厭氧發(fā)酵比較。結果表明，水葫蘆不同器官的化學組分含量差異顯著，可生物降解性也不同，從而導致產甲烷量差異顯著。水葫蘆葉有機碳、蛋白質含量最高，產甲烷量也最高，達246 mL CH1/gVS，水葫蘆莖產甲烷量為177 mL CH4/gVS，根系粗蛋白含量最低，木質素含量最高，其產甲烷量最低，為110mL CH4/gVS。水葫蘆根的可生物降解

6、性最低，在厭氧發(fā)酵過程中，無論是SCOD還是VFA，在水葫蘆根發(fā)酵液中的濃度均遠低于水葫蘆莖和葉，且纖維素、半纖維素的降解率也不及莖、葉的50％。分析表明水葫蘆根部木質素含量過高可能是造成水葫蘆根可生物降解性能差的主要因素。PCR-DGGE分析表明，水葫蘆根、莖、葉發(fā)酵污泥的細菌種群相似性較低，水葫蘆葉發(fā)酵污泥的細菌多樣性豐富度最高，水葫蘆根最低，而古菌多樣性差異較小，且相似性較高，無論是細菌還是古菌，水葫蘆根部的厭氧微生物種群結構與水

7、葫蘆莖、葉的差異較大。
　　 3.采收頻次不同，影響水葫蘆的生物量及化學組成。一次性采收與分期多次采收的水葫蘆相比，木質素含量增加，粗蛋白、總氮、總磷、總鉀含量下降，兩者產氣量相差顯著。一次采收性水葫蘆的原料產氣率為231 mL/gTS(268 mL/gVS)，而多次采收的水葫原料產氣率達到336 mL/gTS(517 mL/gVS)，因此，對水葫蘆進行定期多次采收，不僅可以提高水葫蘆生物量帶走更多的水體氮磷，還可以獲得更高的產

8、能效率。
　　 4.接種量、發(fā)酵溫度、微量元素、酸化預處理都對水葫蘆厭氧發(fā)酵產氣有影響。接種對厭氧發(fā)酵的啟動至關重要，且接種量越大，產氣速率也越快，通過實驗比較，最佳接種比例為1:1(VS之比)；高溫(55℃)發(fā)酵可以提高產氣速率，縮短產氣周期，但總產氣量、原料降解率與中溫(35℃)發(fā)酵無明顯差異；添加Fe、Co、Ni可以提高產甲烷速率，但對總產氣量無影響，對三種微量元素的影響力分析表明Fe2+>Co2+>Ni2+；酸化預處理可

9、以提高原料產氣率，其中，酸化處理3d的水葫蘆干物質產氣率比新鮮水葫蘆提高了10.4％。
　　 5.對水葫蘆進行固液分離，分別以水葫蘆、水葫蘆擠壓汁為底物，在室內2個CSTR反應器內進行了運行比較研究。結果表明，以水葫蘆為底物直接進行厭氧發(fā)酵，適宜有機負荷為2.0 kgVS/m3/d，原料產氣率為267 mL/gVS，平均容積產氣率為0.61m3/m3/d，水力滯留時間(HRT)為27d，平均甲烷含量為58％；而以水葫蘆擠壓汁為底

10、物，有機負荷可達6kg COD/m3/d，原料產氣率為231 mL/g COD，容積產氣率可達1.4 m3/m3/d，平均甲烷含量為66％，水力滯留時間僅需2.4d，COD平均去除率達85％，MLVSS平均去除率可達88％。PCR-DGGE分析表明，水葫蘆擠壓汁有機負荷的提高對厭氧微生物多樣性影響不大，但影響其種群結構，尤其是產甲烷菌群結構。
　　 6.水葫蘆擠壓渣厭氧發(fā)酵產氣量為398 mL/gTS(445 mL/gVS)，甲

11、烷含量可達59％，其產氣潛力與新鮮整株水葫蘆相當。3個批次擠壓渣發(fā)酵運行中試結果均表明，在環(huán)境溫度條件下，采用滲濾液回流方式，經(jīng)厭氧發(fā)酵30 d，其水葫蘆擠壓渣產氣量均可達到產氣潛力的75％左右，最高容積產氣量達0.6 m3/m3/d，平均容積產氣率為0.25 m3/m3/d。
　　 7.采用生命周期法對水葫蘆厭氧發(fā)酵能源化利用評價結果為：全球變暖、環(huán)境酸化、富營養(yǎng)化影響指數(shù)分別為2.1×10-3、4.89×10-2和1.98×

12、10-1；與能源作物發(fā)電及傳統(tǒng)火力發(fā)電相比較，水葫蘆厭氧發(fā)酵能源化利用方式中CO2、SOx、NOx等污染物排放量均較低，對環(huán)境的負面影響最小，但水葫蘆能源利用的生命周期效率僅為0.09，低于能源作物熱電聯(lián)用的技術途徑(0.119)。水葫蘆厭氧發(fā)酵能源化利用中，石化能源消耗、堆肥及沼液沼渣施用過程中氨揮發(fā)損失，是影響水葫蘆能源轉化效率與環(huán)境影響指數(shù)的重要因素。
　　 以上研究表明，將水葫蘆作為厭氧發(fā)酵底物，制取生物質能，采用水葫蘆