玉米干秸稈氨化過(guò)程機(jī)理及厭氧消化研究.pdf

1、在日益嚴(yán)重的石化能源和環(huán)境污染問(wèn)題情況下，可再生新能源的開(kāi)發(fā)和利用，成為人們解決能源問(wèn)題和環(huán)境危機(jī)的重要手段，已引起了世界各國(guó)的共同重視，是當(dāng)下亟需解決的問(wèn)題。生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)在緩解能源危機(jī)和減輕環(huán)境壓力方面有重要意義，因此得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，取得了大量研究成果。但是，秸稈中的木質(zhì)纖維素含量較高而且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致厭氧消化效率低，產(chǎn)氣量少，從而限制了秸稈厭氧消化的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。預(yù)處理技術(shù)可以有效提高秸稈類生物質(zhì)的可生物降解性能和

2、產(chǎn)氣量。本課題采用氨水浸出預(yù)處理方法，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了化學(xué)預(yù)處理中木質(zhì)素脫除機(jī)理，為進(jìn)一步改進(jìn)玉米秸稈的預(yù)處理方法和提高秸稈的可生物降解性能提供了新的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。
　　本文首先對(duì)生物質(zhì)厭氧消化底物玉米秸稈的氨水浸出預(yù)處理工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。研究了氨水濃度、反應(yīng)溫度、氨化時(shí)間、固液比和物料粒徑對(duì)氨水浸出預(yù)處理的影響。結(jié)果顯示氨水預(yù)處理效果主要體現(xiàn)為木質(zhì)素的去除，對(duì)纖維素和半纖維素影響較小，玉米秸稈處理后纖維素和半纖維素分

3、別保留80％和70%以上，木質(zhì)素去除率達(dá)到73%。通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)氨水預(yù)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)氨水濃度、氨化溫度、氨化時(shí)間和固液比對(duì)纖維素酶解率效果影響順序?yàn)椋喊被瘻囟醛儼彼疂舛醛児桃罕醛儼被瘯r(shí)間，結(jié)合響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化獲得最佳氨化條件：氨水濃度為15 wt.%，氨化溫度為50℃，氨化時(shí)間為28 h，固液比為1:9，在此條件下玉米秸稈中纖維素酶解率達(dá)到93.6%，較優(yōu)化前提高了28.8%。其次，對(duì)濃氨水浸出預(yù)處理的木質(zhì)素脫除動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研

4、究。結(jié)果顯示兩階段式一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能夠很好地描述氨化預(yù)處理木質(zhì)素脫除歷程。使用Arrhenius方程對(duì)不同溫度下動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算得到木質(zhì)素脫除主體階段和剩余階段的表觀活化能分別為61.05和59.46 kJ/mol。并對(duì)比不同氨水濃度下的動(dòng)力學(xué)常數(shù)發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素脫除主體階段的脫除速率遠(yuǎn)大于剩余階段的脫除速率，前者大約為后者的100倍左右。且氨水濃度也對(duì)玉米秸稈木質(zhì)素不同脫除階段的脫除分?jǐn)?shù)有影響，初始階段和主體階段的脫除分?jǐn)?shù)隨氨水濃度的升高而

5、增大，而剩余階段的脫除分?jǐn)?shù)隨之減少。再次，對(duì)濃氨水浸出預(yù)處理可提高玉米秸稈的木質(zhì)素脫除率和酶解率的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了研究。采用凝膠滲透色譜、傅里葉變換紅外光譜和二維異核單量子碳?xì)湎嚓P(guān)核磁波譜等方法，對(duì)不同氨化條件下玉米秸稈中提取的木質(zhì)素進(jìn)行了化學(xué)結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明氨水浸出預(yù)處理能夠具有較高的木質(zhì)素脫除率，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)纖維素的包裹減少，使得微生物或酶能夠接觸到更多的纖維素并對(duì)其進(jìn)行有效的消化和酶解，從而提高了酶解率和后續(xù)厭氧消化的產(chǎn)氣量。然后，

6、對(duì)氨水浸出預(yù)處理玉米秸稈的酸化工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在間歇模式下研究了有機(jī)負(fù)荷量、接種量和pH對(duì)氨化秸稈厭氧水解VFA的影響，分析了VFA濃度及組分、SCOD濃度和VS去除率等指標(biāo)，為尋得最佳的產(chǎn)酸工藝條件提供依據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在間歇模式下，50 g/L的有機(jī)負(fù)荷量，30%的接種量，控制pH為6時(shí)，氨化玉米秸稈的水解酸化效果最適，VFA濃度、乙酸所占比例、TS和VS去除率分別達(dá)到4.86 g/L、72.2%、23.2%和26.5%。最后，對(duì)氨水

7、浸出預(yù)處理玉米秸稈的單相和兩相厭氧消化進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果顯示，單相厭氧消化過(guò)程中，氨化秸稈厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)氣的峰值比未處理的大，且波峰的數(shù)量也要多，最終的累積產(chǎn)氣量為25409 ml，比未處理秸稈提高了52%。消化單位TS和VS產(chǎn)氣量為290.38 ml/g和315.21 ml/g，比未處理的分別提高了53.6%和42.3%。TS和VS的去除率也比未處理玉米秸稈分別提高了17.9%和14.8%。這些都說(shuō)明氨水浸出預(yù)處理后，玉米秸稈的可