外源吸收剂对沼液CO2吸收及生态毒性的影响

摘要

生物天然气是指将沼气中以CO2为主的杂质气体脱除后，使CH4含量提升至天然气标准的一种高品位可再生能源，其规模化利用可在一定程度上缓解我国天然气的供需矛盾问题。同时，生物天然气可在能源利用过程中实现CO2的近零排放。沼气提纯制备生物天然气的关键在于沼气中CO2的低成本分离。在众多沼气CO2分离技术中，CO2化学吸收法具有高CO2分离效率、低CH4损失、高CH4纯度和操作简便等优势，是近期可以大规模推广应用的技术之一。沼气CO2化学吸收法技术瓶颈在于CO2分离成本高，尤其是富CO2吸收剂溶液的热再生能耗，其可占全部能耗的60％以上。因此，降低沼气CO2分离技术成本的关键在于降低富CO2吸收剂溶液的再生能耗。
　　若能摒弃富液热再生部分，只保留CO2吸收部分，将可能会降低化学吸收法成本，但CO2吸收非循环工艺对CO2化学吸收剂的消耗量巨大。因此，选择合适的吸收剂成为其能否成功应用的关键。作为沼气工程副产物，沼液呈弱碱性，并富含刺激植物生长的有益成分，理论上可作为一种融合CO2吸收和生物储存的可再生吸收剂，基本满足CO2吸收非循环工艺要求，其首要问题是对沼液CO2吸收性能进行强化。外源CO2吸收剂的添加有助于提升沼液的CO2吸收性能，但也会影响沼液的植物生理毒性。基于此，本文研究了6种典型外源CO2吸收剂对沼液CO2吸收性能及生态毒性的影响，探究了沼液浓缩倍数和外源吸收剂添加量对沼液CO2吸收性能的提升效果，并从植物生理毒性及总磷含量角度分析其对富CO2沼液农业应用的影响，最终以沼液水培生菜的方式来探究在实际农业应用中的可行性。研究结果表明:
　　(1)与原沼液相比，浓缩5倍后沼液的CO2吸收量提高了71.4％，但因沼液黏度的增加导致沼液CO2吸收速率的下降。浓缩过程对沼液中以氨氮为主的有害物质脱除明显，5倍浓缩沼液的氨氮脱除率可达87.69％。浓缩过程及引入外源吸收剂均能脱除沼液中的磷元素，可大幅降低沼液施用时对环境带来的危害。
　　(2)与直接向原沼液中引入低浓度吸收剂相比，向浓缩沼液中添加高浓度吸收剂可大幅提高单位体积沼液的CO2携带量。乙醇胺（Monoethanolamine，MEA）强化的5倍沼液，35℃吸收饱和时CO2负荷可达0.40 mol/L，是5倍浓缩沼液的14.8倍，且能在10min内达到CO2吸收饱和。精氨酸钾(Potassium L-Argininate，PA)强化的5倍沼液具有最高的CO2负荷，吸收饱和时可达0.68mol/L。
　　(3)尽管PA在高吸收负荷上具有一定优势，但富CO2沼液的植物生理毒性较高。浸种应用时，稀释后的沼液中PA浓度不能超过0.035mol/L，而此时其对于沼液CO2携带量的提升并没有实际优势。MEA强化沼液稀释后浸种时，添加浓度控制在0.1 mol/L时不影响种子发芽。同时，MEA在沼液中的生物降解性较其它吸收剂也具有明显优势，在原沼液中5d的生物降解率可达55％。因此，MEA在吸收负荷、吸收速率及低植物生理毒性方面具有综合优势。
　　(4)沼液中氨氮含量是影响其植物生理毒性的关键因素，脱氨处理和5倍浓缩分别可使沼液氨氮脱除率达92.2％和88％。富碳脱氨沼液只需要稀释5倍即可实现生菜水培的良好长势。稀释5-30倍的脱氨沼液水培生菜长势均优于营养液水培，其中5倍稀释水培的生菜相对生长量最高，可达到150％。富碳5倍浓缩沼液只需稀释20倍以上即可作为生菜水培液（相当于将原沼液稀释4倍以上）。沼液水培改善了生菜在硝酸盐含量方面的品质，5倍稀释脱氨沼液的水培生菜中NO3-N含量仅为13mg/kg，仅为营养液水培生菜的4.6％。
　　(5)当营养液MEA添加浓度低于0.001 mol/L时，生菜具有良好长势，而MEA浓度高于0.002mol/L时，生菜根系完全腐烂。MEA添加浓度在0.001mol/L内，生菜的相对生长量均高于100％，当MEA添加浓度在0.0005mol/L时，生菜的相对生长量达到峰值。
　　综上，沼液通过“浓缩-引入吸收剂-稀释施用”的过程，可提高外源吸收剂的添加量，同时降低沼液自身的植物生理毒性。沼液中引入合适浓度的MEA不仅可大幅提高其CO2吸收性能，而且不会增加沼液的生态毒性，甚至对植物生长用具有积极作用。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景

1．2 化学吸收法分离C02研究现状

1．3 课题研究意义

1．4 研究内容

1．4．1 减压浓缩对沼液应用潜力的影响

1．4．3 外源吸收剂对沼液生态毒性影响

1．4．4 富碳沼液应用于生菜水培探究

1．5 技术路线

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验原料

2．2．2 试验仪器

2．2．3 试验方法

2．2．4 数据处理方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 减压浓缩对沼液自身CO2和氨氮含量的影响

2．3．2 减压浓缩对沼液主要理化特性影响

2．3．3 减压浓缩对沼液C02吸收性能影响

2．4 本章小结与衍生的相关问题

2．4．1 本章小结

2．4．2 衍生的相关问题

3 外源吸收剂对沼液CO2吸收性能的影响

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验原料

3．2．2 CO2吸收试验装置

3．2．3 试验方法

3．3 结果与讨论

3．3．2 外源吸收剂对沼液C02吸收速率的影响

3．3．3 外源吸收剂对C02净携带量的影响

3．4 本章小结与衍生的问题

3．4．1 本章小结

3．4．2 衍生的相关问题

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验原料

4．2．2 试验设备

4．2．3 试验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 沼液及浓缩沼液的植物生理毒性

4．3．2 外源吸收剂对沼液植物生理毒性的影响

4．3．3 外源吸收剂对沼液中总磷的影响

4．3．4 外源吸收剂的生物降解性

4．4 本章小结与衍生的问题

4．4．1 本章小结

4．4．2 衍生的相关问题

5 富碳沼液的水培应用研究

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验原料

5．2．2 试验设备

5．2．3 试验设计

5．2．4 测试方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 脱氨处理对沼液水培生菜生长及品质的影响

5．3．2 浓缩对沼液水培生菜生长及品质的影响

5．3．3 外源吸收剂MEA对水培生菜生长的影响

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 研究展望

参考文献

学术成果及参与课题

致谢