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强化木质纤维素干消化产气机理研究

作　者: 梁越敢
导　师: 郑正
学　校: 南京大学
专　业: 环境工程
关键词: 干消化强化产气木质纤维素结构高温同时石灰处理与干消化两相工艺
分类号: TQ352
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

稻草和互花米草都属于木质纤维素。稻草的废弃与焚烧,以及互花米草的疯长,带来严重的环境污染与生态问题和重大的经济损失。合理利用稻草和互花米草成了一个亟待解决的新问题。稻草和互花米草的干消化生产清洁的沼气,不仅解决其污染和危害,而且给当地居民带来经济的收益和生态环境的良性循环；从而激发当地居民的积极性,积极参与禁止稻草焚烧和控制互花米草疯长的活动。本论文考察石灰预处理和干消化稻草过程中组分和结构的变化,揭示复杂的木质纤维素结构是限制微生物利用、降低稻草产气率的根本原因；试图通过高温、同时石灰处理与干消化工艺和两相工艺来强化木质纤维素结构的破坏、提高木质纤维素的水解效率,增加干消化互花米草的产气,以期为提高干消化木质纤维素的产气效率提供理论基础和技术指导。主要结果如下：1.中温、干消化稻草的结构变化及产气特性。木质纤维素复杂结构导致了干消化的低水解速率,造成了低的生物转化效率和低的产气效率。60天干消化稻草的累积产气量达到278.1mL/g VS,产气转化率仅为39.9%;纤维素和半纤维相对含量分别降低22.4%和13.1%,而木质素相对含量增加了59%。石灰预处理导致乙酰基链断裂,致使木质素和多糖的去除；预处理过程中结晶区氢键的重组导致结晶指数的增加；发酵阶段主要通过p-1,4糖苷键断裂实现脱聚、结晶区氢键改变实现晶体结构破坏,最终实现多糖的降解。预处理和干消化显著影响稻草的热解特性。一级热解动力学很好的模拟了原稻草、预处理与干消化后稻草热解的主失重阶段,活化能在42.27-47.82KJ/mol之间变化。2.高温强化互花米草的产气效率。高温强化干消化的产气速率和木质素纤维素降解,产气率从181.2mL/g VS(中温)增加到283.9mL/g VS(高温),生物转化率从32.2%(中温)提高到50.4%(高温),VS去除率从57.3%(中温)提高到69%(高温)。3.同时石灰处理与干消化工艺强化干消化互花米草的产气效率。同时石灰处理与干消化工艺厌氧发酵木质纤维素在技术上是可行的,有最高的初始产气速率(k=0.023d-1)和最大的VS去除率(71.9%),厌氧发酵的前40天的产气率达到192.7mL/g VS,但干消化过程存在着抑制。Na+、K+和Ca2+阳离子并不是导致同时石灰处理与干消化工艺产气抑制的根本原因。4.高温强化互花米草结构破坏机理。高温强化了木质纤维素结构的破坏,同时石灰处理与干消化工艺实现了最大的结构破坏和组分去除。木质素去除主要出现在预处理阶段,主要通过乙酰基链断裂、羧基碳、芳碳和酚碳的脱除来实现。干消化去除多糖,主要通过p,1-4糖苷键断裂、多糖碳和乙缩醛碳的脱除。石灰预处理对木质纤维素素结构破坏有限,需要强化预处理,提高木质纤维素的生物降解性。预处理和干消化显著影响互花米草的热解特性。一级热解动力学很好的模拟了原、预处理与干消化后互花米草的主失重阶段,预处理增加活化能而干消化降低活化能。5.两相工艺强化木质纤维素的水解效率,增加干消化互花米草的产气效率。补加尿素调节碳氮比,创造更适宜生存环境、试图增加水解效率,但导致气相甲烷菌的氨抑制;FA抑制产甲烷反应,其值高于55mg/L就会对高温产甲烷菌产生严重的抑制。两相干消化互花米草的产气量为98.6mL/g VS,转化率仅为17.5%。木质纤维素复杂结构导致了低的水解效率,需要大幅度地强化预处理效果,增加木质纤维素结构的破坏,才能明显提高干消化木质纤维素的产气量。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-11
第一章绪论  11-51
  1.1 木质纤维素利用现状及污染  11-13
  1.2 木质纤维素结构与石灰预处理进展  13-26
    1.2.1 木质纤维素的基本组成  13-15
    1.2.2 木质纤维素预处理方法概况  15-19
    1.2.3 石灰预处理木质纤维素的研究进展  19-26
  1.3 干消化有机废物和农业废弃物的研究现状  26-39
    1.3.1 厌氧发酵的分类  26-27
    1.3.2 成熟的干消化工艺  27-31
    1.3.3 干消化有机废物的研究进展  31-39
  1.4 本课题研究的主要内容及意义  39-40
    1.4.1 本研究的目的及意义  39
    1.4.3 本研究的主要内容  39-40
  参考文献  40-51
第二章干消化稻草的结构变化与产气特性  51-75
  2.1 材料与方法  52-55
    2.1.1 试验材料与装置  52
    2.1.2 预处理和厌氧发酵方法  52-53
    2.1.3 测定方法  53-54
    2.1.4 热解动力学评价方法  54-55
  2.2 结果与讨论  55-68
    2.2.1 干消化稻草的产气特性  55-56
    2.2.2 渗滤液pH、TOC、氨氮与VFA的变化  56-58
    2.2.3 稻草组分的变化  58-60
    2.2.4 稻草的XRD分析  60-62
    2.2.5 稻草的红外光谱分析  62-65
    2.2.6 稻草热分析和热解动力学  65-68
  2.3 本章小结  68-69
  参考文献  69-75
第三章高温强化干消化互化米草的产气  75-98
  3.1 材料与方法  77-81
    3.1.1 试验材料与装置  77-78
    3.1.2 厌氧接种污泥  78
    3.1.3 试验设计和试验方法  78-79
    3.1.4 测定方法  79-80
    3.1.5 计算与动力学评价  80-81
  3.2 结果与讨论  81-93
    3.2.1 干消化互花米草的产气特性与甲烷含量  81-87
    3.2.2 干消化生物气产生的一级动力学模拟  87-88
    3.2.3 渗滤液中VFA和pH的变化  88-91
    3.2.4 渗滤液中钾、钠和钙离子浓度的变化  91-93
  3.3 本章小结  93
  参考文献  93-98
第四章高温强化互花米草结构破坏机理  98-121
  4.1 材料与方法  99-101
    4.1.1 实验材料和样品准备  99
    4.1.2 分析方法  99-100
    4.1.3 计算方法与热解动力学评价  100-101
  4.2 结果与讨论  101-116
    4.2.1 预处理与干消化对互花米草组分的改变  101-103
    4.2.2 X射线衍射的分析  103-105
    4.2.3 红外光谱的分析  105-108
    4.2.4 热重分析与动力学评价  108-112
    4.2.5 13C NMR的分析  112-116
  4.3 本章小结  116
  参考文献  116-121
第五章两相干消化工艺强化互花米草产气的研究  121-137
  5.1 材料与方法  122-124
    5.1.1 材料与装置  122-123
    5.1.2 实验设计与操作方法  123
    5.1.3 测定方法  123-124
  5.2 结果与讨论  124-133
    5.2.1 气相反应器进液量  124
    5.2.2 两相干消化互花米草的产气特性  124-127
    5.2.3 TOC与VFA的变化  127-129
    5.2.4 pH与氨氮的变化  129-132
    5.2.5 红外光谱的分析  132-133
  5.3 本章小结  133-134
  参考文献  134-137
第六章结论与展望  137-139
  6.1 结论  137-138
  6.2 展望  138-139
致谢  139-140
攻读博士期间的主要成果  140-141

强化木质纤维素干消化产气机理研究

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