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水葫芦厌氧发酵特性及工艺技术研究

叶小梅  
【摘要】:将水生植物——水葫芦作为能源植物利用已受到越来越多的关注。与陆生能源作物相比,水葫芦具有生长速度快、繁殖与适应能力强、能修复水体多种污染物的特点。此外,还具有不占用耕地、无需施用化学品等优势,因而,水葫芦能源化利用已成为生物质能技术研究领域最具吸引力的一个重要方向。 本文对水葫芦的厌氧发酵产甲烷特征进行了研究,比较了不同水域、不同采收频次对水葫芦产甲烷的影响以及水葫芦不同器官的厌氧发酵产甲烷特性,研究了温度、接种量、微量元素添加、酸化预处理对水葫芦厌氧发酵的影响,并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术研究了水葫芦厌氧发酵过程中微生物区系的变化。针对水葫芦厌氧发酵工程中存在易漂浮、易堵塞管道和滞留时间长等缺点,提出了先将水葫芦挤压脱水,再对挤压汁、渣分开进行厌氧发酵的工艺技术。同时,采用生命周期法(LCA)对水葫芦能源化利用方式进行了环境影响评估。 论文取得的主要研究结果如下: 1.比较了云南滇池草海、白山湾、江苏太湖以及江苏农科院2号塘四种不同氮、磷浓度水体生长的水葫芦产气量,结果发现水葫芦的产气量和其生长水体氮磷浓度呈显著相关性。富营养化程度最高的云南滇池草海的水葫芦产甲烷量最高,为264 mLCH4/gVS,是理论产甲烷量的70%;水质最好的滇池白山湾生长的水葫芦产甲烷量最低,为172mL CH4/gVS,仅为理论产甲烷量的45%;太湖、2号塘水体氮、磷浓度相近,其水葫芦产甲烷量也较接近,分别为229mL CH4/gVS和235mL CH4/gVS,分别占理论产气量的68%和66%。水葫芦厌氧发酵主要利用其中的纤维素、半纤维素和粗蛋白。无论是哪种组分,白山湾水葫芦的降解率均最低。在厌氧发酵过程中,四种水体水葫芦产生的有机酸均以乙酸和丙酸为主;草海水葫芦发酵产生的有机酸浓度最高,可达2466 mg/L,白山湾水葫芦最低,仅为915 mg/L。研究发现水体氮、磷浓度影响水葫芦化学组分含量的差异及结构组成(根冠比),可能是影响水葫芦厌氧生物降解性能及产气量差异的主要因素。 2.为验证根冠比对水葫芦产气的影响,对水葫芦不同器官根、茎、叶进行了中温批式厌氧发酵比较。结果表明,水葫芦不同器官的化学组分含量差异显著,可生物降解性也不同,从而导致产甲烷量差异显著。水葫芦叶有机碳、蛋白质含量最高,产甲烷量也最高,达246 mL CH4/gVS,水葫芦茎产甲烷量为177 mL CH4/gVS,根系粗蛋白含量最低,木质素含量最高,其产甲烷量最低,为110mL CH4/gVS。水葫芦根的可生物降解性最低,在厌氧发酵过程中,无论是SCOD还是VFA,在水葫芦根发酵液中的浓度均远低于水葫芦茎和叶,且纤维素、半纤维素的降解率也不及茎、叶的50%。分析表明水葫芦根部木质素含量过高可能是造成水葫芦根可生物降解性能差的主要因素。PCR—DGGE分析表明,水葫芦根、茎、叶发酵污泥的细菌种群相似性较低,水葫芦叶发酵污泥的细菌多样性丰富度最高,水葫芦根最低,而古菌多样性差异较小且相似性较高,无论是细菌还是古菌,水葫芦根部的厌氧微生物种群结构与水葫芦茎、叶的差异较大。 3.采收频次不同,影响水葫芦的生物量及化学组成。一次性采收与分期多次采收的水葫芦相比,木质素含量增加,粗蛋白、总氮、总磷、总钾含量下降,两者产气量相差显著。一次采收性水葫芦的原料产气率为231 mL/gTS (268 mL/gVS),而多次采收的水葫原料产气率达到336 mL/gTS (517 mL/gVS),因此,对水葫芦进行定期多次采收,不仅可以提高水葫芦生物量带走更多的水体氮磷,还可以获得更高的产能效率。 4.接种量、发酵温度、微量元素、酸化预处理都对水葫芦厌氧发酵产气有影响。接种对厌氧发酵的启动至关重要,且接种量越大,产气速率也越快,通过实验比较,最佳接种比例为1:1(VS之比);高温(55℃)发酵可以提高产气速率,缩短产气周期,但总产气量、原料降解率与中温(35℃)发酵无明显差异;添加Fe、Co、Ni可以提高产甲烷速率,但对总产气量无影响,对三种微量元素的影响力分析表明Fe2+Co2+Ni2+;酸化预处理可以提高原料产气率,其中,酸化处理3d的水葫芦干物质产气率比新鲜水葫芦提高了10.4%。 5.对水葫芦进行固液分离,分别以水葫芦、水葫芦挤压汁为底物,在室内2个CSTR反应器内进行了运行比较研究。结果表明,以水葫芦为底物直接进行厌氧发酵,适宜有机负荷为2.0 kgVS/m3/d,原料产气率为267 mL/gVS,平均容积产气率为0.61m3/m3/d,水力滞留时间(HRT)为27 d,平均甲烷含量为58%;而以水葫芦挤压汁为底物,有机负荷可达6kg COD/m3/d,原料产气率为231 mL/g COD,容积产气率可达1.4 m3/m3/d,平均甲烷含量为66%,水力滞留时间仅需2.4d,COD平均去除率达85%,MLVSS平均去除率可达88%。PCR-DGGE分析表明,水葫芦挤压汁有机负荷的提高对厌氧微生物多样性影响不大,但影响其种群结构,尤其是产甲烷菌群结构。 6.水葫芦挤压渣厌氧发酵产气量为398 mL/gTS (445 mL/gVS),甲烷含量可达59%,其产气潜力与新鲜整株水葫芦相当。3个批次挤压渣发酵运行中试结果均表明,在环境温度条件下,采用渗滤液回流方式,经厌氧发酵30 d,其水葫芦挤压渣产气量均可达到产气潜力的75%左右,最高容积产气量达0.6 m3/m3/d,平均容积产气率为0.25 m3/m3/d。 7.采用生命周期法对水葫芦厌氧发酵能源化利用评价结果为:全球变暖、环境酸化、富营养化影响指数分别为2.1×10-3、4.89x10-2和1.98×10-1;与能源作物发电及传统火力发电相比较,水葫芦厌氧发酵能源化利用方式中C02、SOX、NOx等污染物排放量均较低,对环境的负面影响最小,但水葫芦能源利用的生命周期效率仅为0.09,低于能源作物热电联用的技术途径(0.119)。水葫芦厌氧发酵能源化利用中,石化能源消耗、堆肥及沼液沼渣施用过程中氨挥发损失,是影响水葫芦能源转化效率与环境影响指数的重要因素。 以上研究表明,将水葫芦作为厌氧发酵底物,制取生物质能,采用水葫芦固液分离--挤压汁、挤压渣分开厌氧发酵的能源利用技术途径,在技术上是可行的,经济上更高效,且环境影响较小,是一条水葫芦资源化利用的新途径。


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