基于提高麥秸厭氧消化性能的堿預(yù)處理方法研究及工程應(yīng)用.pdf

1、提出了通過堿預(yù)處理顯著改善和提高麥秸的可生物降解性能，然后通過厭氧消化方法把麥秸轉(zhuǎn)化成沼氣(biogas)這一生產(chǎn)生物能源新的技術(shù)途徑。開展了如下多方面的試驗(yàn)和機(jī)理研究，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了工程應(yīng)用。
　　 1.不同堿預(yù)處理劑對(duì)麥秸厭氧消化性能影響的試驗(yàn)研究。選擇氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)和尿素(CO(NH2)3)為預(yù)處理劑，采用四個(gè)不同添加量(1％，2％，4％，6％)對(duì)麥秸進(jìn)行預(yù)處理，然

2、后在四個(gè)有機(jī)負(fù)荷率(35，50，65和80 g·L-1)下對(duì)預(yù)處理麥秸進(jìn)行了厭氧消化產(chǎn)氣性能試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)NaOH預(yù)處理麥秸在65 g·L-1有機(jī)負(fù)荷率下取得了最好的厭氧消化產(chǎn)氣效果，因此選擇NaOH作為適宜麥秸的預(yù)處理劑。
　　 2.NaOH預(yù)處理參數(shù)試驗(yàn)研究及其優(yōu)化參數(shù)確定。研究了不同NaOH預(yù)處理參數(shù)對(duì)麥秸厭氧消化性能的影響，這些參數(shù)包括NaOH添加量、預(yù)處理時(shí)間、預(yù)處理溫度、物料含水率、物料粒度、接種物等。研究發(fā)現(xiàn)：①與未處

3、理麥秸相比，在各種添加水平下，預(yù)處理麥秸的產(chǎn)氣率、平均甲烷含量、TS和VS降解率都得到了明顯提高，其中2％、4％NaOH預(yù)處理麥秸的產(chǎn)氣率提高的最為顯著，分別提高了44.0％、48.0％，兩者之間無顯著區(qū)別。因此，從經(jīng)濟(jì)效益上考慮，選用2％作為最佳NaOH預(yù)處理添加量。②經(jīng)過不同溫度預(yù)處理后，麥秸的產(chǎn)氣率、平均甲烷含量、TS和VS降解率并無顯著差異，但10℃的消化時(shí)間(dT80)比30℃的縮短了4天，且在大多數(shù)情況下，10℃在室溫下即可

4、達(dá)到，因此，確定10℃為適宜預(yù)處理溫度。③NaOH添加到麥秸后，只需3天時(shí)間即可被基本利用完。試驗(yàn)結(jié)果表明，3天和6天預(yù)處理對(duì)麥秸的厭氧消化產(chǎn)氣性能沒有明顯影響，更長的預(yù)處理時(shí)間沒有實(shí)際意義。因此，確定3天預(yù)處理時(shí)間為宜。④與600％含水率相比，900％預(yù)處理含水率的產(chǎn)氣率和TS/VS降解率上分別提高了6.1％、5.1％/4.9％，消化時(shí)間(dT80)縮短了2天，說明900％含水率有利于NaOH對(duì)麥秸結(jié)構(gòu)的破壞和組分的降解。⑤麥秸的產(chǎn)氣

5、率、TS和VS降解率隨著物料粒度的減小而增大，但不呈線性關(guān)系。磨碎麥秸的產(chǎn)氣率只比粉碎的提高2.6％，但磨碎卻要消耗更多的電能；揉搓的產(chǎn)氣率稍低，但與粉碎相比，產(chǎn)氣率相差不大，而能耗卻明顯降低，因此揉搓是比較實(shí)用的選擇。⑥污泥消化液作為接種物，厭氧消化效果最差，豬糞消化液和麥秸消化液接種效果較好；與豬糞消化液相比，麥秸消化液的產(chǎn)氣率、TS和VS降解率略高，且可就地取材，應(yīng)是首要選擇。
　　 綜上所述，確定NaOH的最佳預(yù)處理參數(shù)

6、為：添加量2％、預(yù)處理溫度10℃、預(yù)處理時(shí)間3天、有機(jī)負(fù)荷率65 g·L-1、搓揉處理、以麥秸消化液為接種物。
　　 3.NaOH預(yù)處理麥秸的機(jī)理研究。采用掃描電鏡(SEM)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、X-射線衍射(XRD)等先進(jìn)的分析手段，對(duì)NaOH預(yù)處理提高麥秸厭氧消化產(chǎn)氣性能的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了探討。發(fā)現(xiàn)：①在微觀物理結(jié)構(gòu)上。經(jīng)預(yù)處理后，麥秸的表面物理結(jié)構(gòu)變得疏松、碎裂，出現(xiàn)了明顯的分層脫落現(xiàn)象。這種破壞有利于釋放包裹在

7、木質(zhì)素和半纖維素中的纖維素，使之變得更容易被消化利用。經(jīng)厭氧消化后，預(yù)處理麥秸完整的表面被徹底破壞，出現(xiàn)了明顯的裂片、凹凸不平的溝槽和微孔，證實(shí)了NaOH預(yù)處理的有效性。②在化學(xué)結(jié)構(gòu)上。預(yù)處理使得麥秸中纖維素中的重要連接鍵發(fā)生部分?jǐn)嗔押推茐?，纖維素被降解成了小分子物質(zhì)成分；木質(zhì)素與碳水化合物之間的酯鍵發(fā)生了斷裂，使得纖維素發(fā)生了部分降解，并被更多地從木質(zhì)素的包裹中釋放了出來。③在化學(xué)組分上。預(yù)處理后，麥秸的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和木質(zhì)

8、纖維素含量分別由原來的30.6％、28.1％、12.4％和71.1％降低到25.6％、21.9％、10.8％和58.3％；冷水抽出物、熱水抽出物和1％NaOH抽出物的百分比含量分別提高了92.3％、83.1％和20.0％；苯—醇抽出物百分比含量降低了37.8％；總糖百分比含量提高了106.7％。可以看出，預(yù)處理麥秸厭氧消化性能的提高并不是某一因素作用的結(jié)果，而是麥秸表面微觀物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分變化綜合作用的結(jié)果。
　　

9、4.工程應(yīng)用研究。基于課題試驗(yàn)研究確定的氫氧化鈉預(yù)處理方法，并通過與厭氧消化、沼氣凈化貯存、沼氣輸配和沼渣沼液利用系統(tǒng)的集成，建成了秸稈沼氣示范工程。對(duì)工程項(xiàng)目中的關(guān)鍵單元和設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)外溫度、沼氣產(chǎn)量、甲烷含量、pH值等主要性能參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測，獲得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。證明NaOH預(yù)處理方法和整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)可以完全滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。
　　 本研究發(fā)明的NaOH預(yù)處理方法，突破了利用纖維素材料生產(chǎn)沼氣的核心關(guān)鍵