基于提高麦秸厌氧消化性能的碱预处理方法研究及工程应用

摘要

提出了通过碱预处理显著改善和提高麦秸的可生物降解性能，然后通过厌氧消化方法把麦秸转化成沼气(biogas)这一生产生物能源新的技术途径。开展了如下多方面的试验和机理研究，并对研究结果进行了工程应用。
　　 1.不同碱预处理剂对麦秸厌氧消化性能影响的试验研究。选择氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)和尿素(CO(NH2)3)为预处理剂，采用四个不同添加量(1％，2％，4％，6％)对麦秸进行预处理，然后在四个有机负荷率(35，50，65和80 g·L-1)下对预处理麦秸进行了厌氧消化产气性能试验。发现NaOH预处理麦秸在65 g·L-1有机负荷率下取得了最好的厌氧消化产气效果，因此选择NaOH作为适宜麦秸的预处理剂。
　　 2.NaOH预处理参数试验研究及其优化参数确定。研究了不同NaOH预处理参数对麦秸厌氧消化性能的影响，这些参数包括NaOH添加量、预处理时间、预处理温度、物料含水率、物料粒度、接种物等。研究发现：①与未处理麦秸相比，在各种添加水平下，预处理麦秸的产气率、平均甲烷含量、TS和VS降解率都得到了明显提高，其中2％、4％NaOH预处理麦秸的产气率提高的最为显著，分别提高了44.0％、48.0％，两者之间无显著区别。因此，从经济效益上考虑，选用2％作为最佳NaOH预处理添加量。②经过不同温度预处理后，麦秸的产气率、平均甲烷含量、TS和VS降解率并无显著差异，但10℃的消化时间(dT80)比30℃的缩短了4天，且在大多数情况下，10℃在室温下即可达到，因此，确定10℃为适宜预处理温度。③NaOH添加到麦秸后，只需3天时间即可被基本利用完。试验结果表明，3天和6天预处理对麦秸的厌氧消化产气性能没有明显影响，更长的预处理时间没有实际意义。因此，确定3天预处理时间为宜。④与600％含水率相比，900％预处理含水率的产气率和TS/VS降解率上分别提高了6.1％、5.1％/4.9％，消化时间(dT80)缩短了2天，说明900％含水率有利于NaOH对麦秸结构的破坏和组分的降解。⑤麦秸的产气率、TS和VS降解率随着物料粒度的减小而增大，但不呈线性关系。磨碎麦秸的产气率只比粉碎的提高2.6％，但磨碎却要消耗更多的电能；揉搓的产气率稍低，但与粉碎相比，产气率相差不大，而能耗却明显降低，因此揉搓是比较实用的选择。⑥污泥消化液作为接种物，厌氧消化效果最差，猪粪消化液和麦秸消化液接种效果较好；与猪粪消化液相比，麦秸消化液的产气率、TS和VS降解率略高，且可就地取材，应是首要选择。
　　 综上所述，确定NaOH的最佳预处理参数为：添加量2％、预处理温度10℃、预处理时间3天、有机负荷率65 g·L-1、搓揉处理、以麦秸消化液为接种物。
　　 3.NaOH预处理麦秸的机理研究。采用扫描电镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)等先进的分析手段，对NaOH预处理提高麦秸厌氧消化产气性能的内在机理进行了探讨。发现：①在微观物理结构上。经预处理后，麦秸的表面物理结构变得疏松、碎裂，出现了明显的分层脱落现象。这种破坏有利于释放包裹在木质素和半纤维素中的纤维素，使之变得更容易被消化利用。经厌氧消化后，预处理麦秸完整的表面被彻底破坏，出现了明显的裂片、凹凸不平的沟槽和微孔，证实了NaOH预处理的有效性。②在化学结构上。预处理使得麦秸中纤维素中的重要连接键发生部分断裂和破坏，纤维素被降解成了小分子物质成分；木质素与碳水化合物之间的酯键发生了断裂，使得纤维素发生了部分降解，并被更多地从木质素的包裹中释放了出来。③在化学组分上。预处理后，麦秸的纤维素、半纤维素、木质素和木质纤维素含量分别由原来的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、热水抽出物和1％NaOH抽出物的百分比含量分别提高了92.3％、83.1％和20.0％；苯—醇抽出物百分比含量降低了37.8％；总糖百分比含量提高了106.7％。可以看出，预处理麦秸厌氧消化性能的提高并不是某一因素作用的结果，而是麦秸表面微观物理结构、化学结构和化学组分变化综合作用的结果。
　　 4.工程应用研究。基于课题试验研究确定的氢氧化钠预处理方法，并通过与厌氧消化、沼气净化贮存、沼气输配和沼渣沼液利用系统的集成，建成了秸秆沼气示范工程。对工程项目中的关键单元和设备进行了设计计算，对反应器内外温度、沼气产量、甲烷含量、pH值等主要性能参数进行了监测，获得了较好的实际应用效果。证明NaOH预处理方法和整个生产系统可以完全满足实际生产的要求。
　　 本研究发明的NaOH预处理方法，突破了利用纤维素材料生产沼气的核心关键技术，开辟了完全利用麦秸为原料生产清洁能源新的技术途径。对减少秸秆的环境污染、开发新能源具有重要意义，在我国具有十分广阔的推广应用前景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1秸秆的产生、性质与利用

1.1.1秸秆的产生

1.1.2秸秆的性质

1.1.3秸秆的利用

1.2厌氧消化理论

1.2.1厌氧消化的基本理论

1.2.2影响厌氧消化的因素

1.3麦秸秸秆的结构特点

1.3.1麦秸秸秆的化学成分

1.3.2麦秸秸秆化学成分的结构特点

1.4秸秆厌氧消化需要解决的关键技术问题

1.5国内外预处理技术研究现状

1.5.1物理法

1.5.2生物法

1.5.3化学法

1.6研究目的和研究内容

1.6.1研究目的

1.6.2研究内容

第二章不同碱预处理对麦秸厌氧消化性能影响的试验研究

2.1试验材料和试验方法

2.1.1试验材料

2.1.2试验方法

2.2不同碱预处理剂对麦秸厌氧消化性能影响试验分析

2.2.1 NaOH

2.2.2 KOH

2.2.3 Ca(OH)2

2.2.4 CO(NH2)3

2.3碱预处理剂试验结果比较与分析

2.4本章小结

第三章NaOH预处理参数试验研究及其优化参数确定

3.1试验材料与试验方法

3.1.1试验材料

3.1.2试验方法

3.2 NaOH添加量

3.2.1日产气量

3.2.2累积产气量

3.2.3甲烷含量

3.2.4产气率和平均甲烷含量

3.2.5消化时间

3.2.6 TS/VS降解率

3.3预处理温度

3.3.1日产气量

3.3.2累积产气量

3.3.3甲烷含量

3.3.4产气率和平均甲烷含量

3.3.5消化时间(dT80)

3.3.6 TS／VS降解率

3.4预处理时间

3.4.1预处理时间的确定

3.4.2日产气量

3.4.3累积产气量

3.4.4甲烷含量

3.4.5产气率和平均甲烷含量

3.4.6消化时间(dT80)

3.4.7 TS／VS降解率

3.5预处理含水率

3.5.1日产气量

3.5.2累积产气量

3.5.3甲烷含量

3.5.4产气率和平均甲烷含量

3.5.5消化时间(dT80)

3.5.6 TS/VS降解率

3.6物料粒度

3.6.1日产气量

3.6.2累积产气量

3.6.3甲烷含量

3.6.4产气率和平均甲烷含量

3.6.5消化时间(dT80)

3.6.6 TS／VS降解率

3.7接种物

3.7.1日产气量

3.7.2累积产气量

3.7.3甲烷含量

3.7.4产气率和平均甲烷含量

3.7.5消化时间(dT80)

3.7.6 TS／VS降解率

3.8本章小结

第四章NaOH预处理麦秸机理研究

4.1试验材料和试验方法

4.1.1微观物理结构分析方法

4.1.2化学结构分析方法

4.1.3化学成分分析方法

4.2试验分析与讨论

4.2.1微观物理结构变化分析

4.2.2化学结构变化分析

4.2.3化学成分变化分析

4.3本章小结

第五章工程设计与应用

5.1项目情况

5.2工艺设计

5.3单元设计与设备选型

5.3.1反应器设计

5.3.2搅拌器设计

5.3.3水和物料衡算

5.3.4加热系统计算

5.3.5单元设计与设备选型汇总

5.4运行结果

5.4.1温度

5.4.2日产气量和甲烷含量

5.4.3 pH值变化

5.5经济性分析

5.5.1运营成本分析

5.5.2收益分析

5.5.3年收益分析

5.6本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

致 谢

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