收藏本站
《郑州大学》 2016年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

玉米干秸秆氨化过程机理及厌氧消化研究

郜晋楠  
【摘要】:在日益严重的石化能源和环境污染问题情况下,可再生新能源的开发和利用,成为人们解决能源问题和环境危机的重要手段,已引起了世界各国的共同重视,是当下亟需解决的问题。生物质厌氧消化技术在缓解能源危机和减轻环境压力方面有重要意义,因此得到了国内外的广泛关注,取得了大量研究成果。但是,秸秆中的木质纤维素含量较高而且其结构复杂,导致厌氧消化效率低,产气量少,从而限制了秸秆厌氧消化的大规模工业应用。预处理技术可以有效提高秸秆类生物质的可生物降解性能和产气量。本课题采用氨水浸出预处理方法,并对其进行了实验研究,探讨了化学预处理中木质素脱除机理,为进一步改进玉米秸秆的预处理方法和提高秸秆的可生物降解性能提供了新的理论基础和依据。首先,对生物质厌氧消化底物玉米秸秆的氨水浸出预处理工艺进行了实验。研究了氨水浓度、反应温度、氨化时间、固液比和物料粒径对氨水浸出预处理的影响。结果显示氨水预处理效果主要体现为木质素的去除,对纤维素和半纤维素影响较小,玉米秸秆处理后纤维素和半纤维素分别保留80%和70%以上,木质素去除率达到73%。通过响应面法对氨水预处理工艺进行优化,可以发现氨水浓度、氨化温度、氨化时间和固液比对纤维素酶解率效果影响顺序为:氨化温度氨水浓度固液比氨化时间,结合响应面实验优化获得最佳氨化条件:氨水浓度为15wt.%,氨化温度为50℃,氨化时间为28 h,固液比为1:9,在此条件下玉米秸秆中纤维素酶解率达到93.6%,较优化前提高了28.8%。其次,对浓氨水浸出预处理的木质素脱除动力学进行了研究。结果显示两阶段式一级动力学方程能够很好地描述氨化预处理木质素脱除历程。使用Arrhenius方程对不同温度下动力学参数计算得到木质素脱除主体阶段和剩余阶段的表观活化能分别为61.05和59.46kJ/mol。并对比不同氨水浓度下的动力学常数发现,木质素脱除主体阶段的脱除速率远大于剩余阶段的脱除速率,前者大约为后者的100倍左右。且氨水浓度也对玉米秸秆木质素不同脱除阶段的脱除分数有影响,初始阶段和主体阶段的脱除分数随氨水浓度的升高而增大,而剩余阶段的脱除分数随之减少。再次,对浓氨水浸出预处理可提高玉米秸秆的木质素脱除率和酶解率的内在机理进行了研究。采用凝胶渗透色谱、傅里叶变换红外光谱和二维异核单量子碳氢相关核磁波谱等方法,对不同氨化条件下玉米秸秆中提取的木质素进行了化学结构分析。结果表明氨水浸出预处理能够具有较高的木质素脱除率,进而导致对纤维素的包裹减少,使得微生物或酶能够接触到更多的纤维素并对其进行有效的消化和酶解,从而提高了酶解率和后续厌氧消化的产气量。然后,对氨水浸出预处理玉米秸秆的酸化工艺进行了实验。在间歇模式下研究了有机负荷量、接种量和pH对氨化秸秆厌氧水解VFA的影响,分析了VFA浓度及组分、SCOD浓度和VS去除率等指标,为寻得最佳的产酸工艺条件提供依据。结果发现,在间歇模式下,50 g/L的有机负荷量,30%的接种量,控制pH为6时,氨化玉米秸秆的水解酸化效果最适,VFA浓度、乙酸所占比例、TS和VS去除率分别达到4.86 g/L、72.2%、23.2%和26.5%。最后,对氨水浸出预处理玉米秸秆的单相和两相厌氧消化进行了对比研究。结果显示,单相厌氧消化过程中,氨化秸秆厌氧消化过程中产气的峰值比未处理的大,且波峰的数量也要多,最终的累积产气量为25409 ml,比未处理秸秆提高了52%。消化单位TS和VS产气量为290.38 ml/g和315.21 ml/g,比未处理的分别提高了53.6%和42.3%。TS和VS的去除率也比未处理玉米秸秆分别提高了17.9%和14.8%。这些都说明氨水浸出预处理后,玉米秸秆的可生物降解性能得到明显改善,促进了单位干物质的产气量。从总产气量上看,两相厌氧消化与单相厌氧消化没有明显差别,但由于酸化系统提供了乙酸含量较高和pH值稳定的酸化液,使甲烷相的消化时间缩短,甲烷相pH值维持在7.2左右,能够为微生物提供了更加稳定的生态环境,厌氧消化产生的沼气甲烷含量更高,平均含量达到61%。因此,两相系统具有较高的系统稳定性和较短的水力停留时间等优势。通过以上研究,浓氨水浸出预处理能够有效地提高玉米秸秆的可生物降解性能和产气量。在预处理过程中,玉米秸秆的化学组分、化学结构和空间结构均发生了明显的变化。而且对木质素次级结构和连接方式的研究,为预处理过程对木质素脱除过程和产气潜能的提高提供了理论依据。本文的研究成果为实现生物质厌氧消化技术的工业化提供理论基础和技术指导,具有重要的实际意义。
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S216

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 傅国志;李秀金;袁海荣;马淑勍;庞云芝;;搅拌对麦秸厌氧消化性能影响的试验研究[J];可再生能源;2011年02期
2 龚德根;;流动式厌氧消化试验车简解[J];可再生能源;1986年04期
3 徐仁生;水藻通过厌氧消化生产甲烷[J];能源研究与信息;1988年03期
4 杨耀明;;厌氧消化醪液在农业生产中的再利用[J];太阳能;1991年03期
5 陈平,张希衡;关于硫化物抑制厌氧消化的新探讨[J];西安建筑科技大学学报;1996年03期
6 周雪飞,张亚雷,顾国维;厌氧消化模型对生化反应抑制形式的模拟[J];中国给水排水;2004年06期
7 朱惟猛;丁敏;;浅谈厌氧消化效果的提高[J];中国市政工程;2005年06期
8 魏炎光;厌氧消化设备成套配置问题探讨[J];福建建设科技;2005年01期
9 赵杰红,张波,蔡伟民;厌氧消化系统中丙酸积累及控制研究进展[J];中国给水排水;2005年03期
10 彭武厚,曾邦龙,陆鑫;大型牛场粪便厌氧消化工程[J];能源研究与信息;1995年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 孙翠平;柴同杰;张红双;姚美玲;李晓霞;段会勇;;特定有益菌对奶牛粪便中温厌氧消化体系中指示菌存活的影响[A];第四届第九次全国学术研讨会暨饲料和动物源食品安全战略论坛论文集(上册)[C];2008年
2 韩艳霄;林聪;黄莹;程东林;;生活垃圾与人粪尿混合厌氧消化的试验研究[A];2011年中国沼气学会学术年会暨第八届理事会第二次会议论文集[C];2011年
3 吴铎;管冬兴;吕凡;邵立明;何品晶;;林可霉素菌渣厌氧消化工况优化及抑制因素分析[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
4 卢旭珍;邱凌;张波;;城市生活垃圾厌氧消化反应动力学分析[A];农村沼气发展与农村小康建设研讨会论文选编[C];2003年
5 吴根义;谭建纯;颜智勇;杨仁斌;;厌氧消化时间对养猪场废水处理影响[A];首届全国农业环境科学学术研讨会论文集[C];2005年
6 王典;孙轶斐;王伟;朱天乐;;生物质废物中温联合厌氧消化的动力学研究[A];中国化学会第28届学术年会第1分会场摘要集[C];2012年
7 潘云霞;;微量金属元素对农业废弃物厌氧消化的作用[A];自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集(2)[C];2009年
8 罗娟;董保成;陈羚;高新星;万小春;赵立欣;;畜禽粪便与玉米秸秆厌氧消化产气特性[A];全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会论文集[C];2011年
9 段娜;林聪;苏珊;;秸秆厌氧消化系统pH调控措施初探[A];2011年中国沼气学会学术年会暨第八届理事会第二次会议论文集[C];2011年
10 吴香尧;;四川省畜禽粪便的能源环境工程建设探讨[A];四川省农村固体废弃物循环再生利用[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前4条
1 吴文伟 马婧一;没有最好 只有最适宜[N];中国建设报;2010年
2 黄朝武;沼气产业:给2.8亿吨秸秆找出路[N];农民日报;2007年
3 本报记者 陈卫东通讯员 房树芬;从技术到制度[N];科技日报;2008年
4 张敬然;新加坡用木材废料生产沼气[N];中国绿色时报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郭晓慧;餐厨垃圾厌氧消化产甲烷工艺特性及其微生物学机理研究[D];浙江大学;2014年
2 裴占江;餐厨垃圾厌氧消化效率研究[D];沈阳农业大学;2015年
3 柳珊;不同生物预处理对芦竹和玉米秸秆及其厌氧消化性能影响研究[D];中国农业大学;2015年
4 张万钦;微量元素添加对餐厨垃圾和鸡粪厌氧消化性能的调控研究[D];中国农业大学;2016年
5 王翀;提高香蕉(Musa sapientum Linn.)秸秆厌氧消化性能的预处理方法及工艺研究[D];湖南农业大学;2015年
6 郜晋楠;玉米干秸秆氨化过程机理及厌氧消化研究[D];郑州大学;2016年
7 庞云芝;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[D];北京化工大学;2010年
8 李建昌;水解酶预处理对城市有机生活垃圾厌氧消化的影响[D];昆明理工大学;2011年
9 池勇志;微波结合碱解预处理改善剩余污泥厌氧消化效能的研究[D];天津大学;2010年
10 张记市;城市生活垃圾厌氧消化的关键生态因子强化研究[D];昆明理工大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘高杰;外源氢强化厌氧消化产甲烷过程数学模拟研究[D];北京建筑大学;2015年
2 蒲霜兰;生物炭介导的鸡粪厌氧消化碳氮形态转化特性[D];西北农林科技大学;2015年
3 仲猛;居民生物质垃圾浆料沉降性能及相关分层物厌氧消化研究[D];西南交通大学;2015年
4 梁银春;有机固体废弃物厌氧、好氧发酵特性及细菌多样性对比研究[D];广西大学;2015年
5 王军;预处理和Cr~(3+)对秸杆中温厌氧消化影响的研究[D];东北大学;2014年
6 赵崧岐;低次烟叶厌氧消化产沼气的研究[D];云南师范大学;2015年
7 张明龙;兰州市生活垃圾分类方案及典型有机组分厌氧消化实验研究[D];兰州交通大学;2015年
8 唐波;盐分和氨氮在餐厨垃圾干式厌氧消化系统中的积累及其对产气的影响分析[D];重庆大学;2015年
9 王楠楠;小球藻高浓度厌氧消化产沼工艺研究[D];清华大学;2015年
10 马俊怡;膨润土介导的鸡粪厌氧消化增效特性研究[D];西北农林科技大学;2016年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026