汽爆玉米秸秆高温固态阶梯厌氧消化的研究

摘要

作为一个农业大国，我国每年产生的生物质资源总量超过30亿吨，其中以各种植物秸秆最具代表性。而传统的利用方式导致大量秸秆资源的过剩，秸秆焚烧现象在各地均十分普遍，不仅造成了环境污染，而且是对秸秆资源的一种浪费。 当前，世界人口不断增加和化石燃料储量的减少已成为人类无法回避的问题，能源和资源危机对各国的影响都同益显著。寻找化石燃料的清洁替代能源成为各国共同的研究热点。氢气和沼气是两种具有代表性的清洁可再生能源，利用生物质资源进行厌氧消化产氢气和沼气有助于解决大量秸秆过剩和能源危机的问题。 天然植物秸秆结构的复杂性决定了微生物对其降解是一个困难和缓慢的过程。因此，原料的预处理技术是秸秆有效利用过程中的一个关键因素。现有研究主要采用物理、化学和生物方法进行预处理，通过液态发酵的方式进行生物气化，存在周期长、能耗高、污染严重等问题。本文以玉米秸秆为原料，进行高温固态厌氧消化，阶段性得到氢气和沼气两种清洁能源，为生物质资源的高值化利用探索新的途径。 蒸汽爆破是目前木质纤维素预处理技术中广泛采用的一种预处理方法，能够有效破坏秸秆的致密结构，提高木质纤维素的降解率。本研究考察了不同汽爆条件对玉米秸秆厌氧消化产沼气的影响，由结果可知，当维持压力1.5MPa，维压时间为6min时，汽爆秸秆最适合沼气发酵，甲烷产量达最大值138.2ml/gTS，是未处理秸秆的3.5倍。 通过对固液比、初始pH、接种量、氮源、纤维素酶用量和发酵温度的单因素实验，优化了汽爆玉米秸秆高温固态厌氧消化的最佳实验条件。结果表明，当固液比为1：7，初始pH为7.5，接种量为35％，NH4HCO3添加量为0.04g/g干汽爆秸秆，纤维素酶添加量为30IU/g干汽爆秸秆，发酵温度为50℃时，甲烷产量可提高至153.0ml/gTS，是未处理秸秆的2.9倍；比产甲烷率为7.54ml/gVSS·d，是未处理秸秆的2.4倍。通过发酵后残渣的组分测定，汽爆玉米秸秆纤维素的降解率为58.86％，是未处理秸秆的3.2倍；半纤维素的降解率为67.22％，是未处理秸秆的3倍。 丁酸梭菌(Clostridium butyricum)是一类可以利用葡萄糖、木糖等还原糖的厌氧梭菌，可以将底物转化为氢气、乙酸、丁酸，强化厌氧消化的产氢过程。以汽爆玉米秸秆为原料，在优化的汽爆条件和发酵条件下进行高温固态阶梯厌氧消化。接种丁酸梭菌和活性污泥后，先进行发酵产氢，产氢结束后调整系统pH值至中性，继续进行沼气发酵直至产气结束。实验结果表明，汽爆秸秆的氢气产量为76.0ml/gTS，是未处理秸秆的2.3倍，比产氢率为13.1ml/gVSS．d，是未处理秸秆的2.0倍；汽爆秸秆的甲烷产量为171.7ml/gTS，是未处理秸秆的2.6倍，比产甲烷率为7.72ml/gVSS．d，是未处理秸秆的2.1倍。由以上结果可知，蒸汽爆破在用于玉米秸秆高温固态厌氧消化和阶梯产气过程中能够有效地提高原料产气量和组分的降解率，是生物质资源高值化利用过程中一项行之有效的技术。采用高温条件进行厌氧消化，不仅可以抑制某些中温有害微生物的存活，还能使发酵温度与纤维素酶的最佳酶解温度相一致，使底物的降解过程变得快速有效，发酵延迟期缩短，产气量和产气效率得到提高。而采用固态发酵的方式不仅可以提高发酵系统中菌体和营养物质的浓度，而且发酵结束后不会产生大量废液，对环境友好。

目录

文摘

英文文摘

声明

1文献综述

1.1我国农作物秸秆资源和利用现状

1.2木质纤维素类生物质利用的意义

1.3天然植物秸秆的结构和组成

1.4木质纤维素的预处理

1.4.1物理法

1.4.2化学法

1.4.3生物法

1.4.4物理—化学法

1.5厌氧消化技术概述

1.5.1厌氧消化的机理

1.5.2厌氧消化的微生物

1.5.3厌氧消化的影响因素

1.5.4厌氧消化的工艺及研究现状

1.6固态发酵的研究进展

1.6.1固态发酵的定义

1.6.2固态发酵的特点

1.6.3固态发酵条件的控制

1.6.4固态发酵的应用

1.7本文研究内容

2汽爆预处理对厌氧消化产气性能的影响

2.1引言

2.2材料与方法

2.2.1实验原料

2.2.2实验方法

2.2.3分析检测方法

2.3结果与讨论

2.3.1汽爆预处理对玉米秸秆组分的影响

2.3.2汽爆预处理对玉米秸秆还原糖含量的影响

2.3.3汽爆预处理对玉米秸秆厌氧消化产气性能的影响

2.4本章小结

3汽爆玉米秸秆高温固态厌氧消化控制参数的优化

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1实验原料

3.2.2实验方法

3.2.3分析检测

3.3结果与讨论

3.3.1固液比对厌氧消化的影响

3.3.2初始pH对厌氧消化的影响

3.3.3接种量对厌氧消化的影响

3.3.4氮源对厌氧消化的影响

3.3.5纤维素酶添加量对厌氧消化的影响

3.3.6发酵温度对厌氧消化的影响

3.3.7参数优化后汽爆秸秆的厌氧消化

3.4本章小结

4汽爆秸秆阶梯厌氧消化产氢气和沼气

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1实验原料

4.2.2实验方法

4.2.3分析检测

4.3结果与讨论

4.3.1阶梯厌氧消化产氢气

4.3.2阶梯厌氧消化产沼气

4.3.3秸秆阶梯厌氧消化后的组分变化

4.4本章小结

5结论及下一步工作

5.1结论

5.2创新点

5.3对下一步工作的建议

参考文献

附录

攻读学位期间发表文章目录

致谢