收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

水热降解及碳氮调控促进高含水率生物质发酵联产氢气和甲烷研究

丁灵侃  
【摘要】:高含水率生物质废弃物对环境造成了日益严重的污染,通过微生物厌氧发酵制取氢气和甲烷是极具潜力的生物质能源化利用方式。本文探究了生物质中蛋白质降解的典型氨基酸发酵产氢的竞争反应途径,采用水热降解微藻巨藻和餐厨垃圾,混合调控碳氮比维持氢菌代谢平衡,显著促进了生物质厌氧发酵联产氢气和甲烷。研究了生物质中蛋白质降解的典型氨基酸发酵产氢机理,明晰了氨基酸在暗发酵产氢过程中的竞争反应途径。氨基酸经暗发酵降解转化为大量的液相可溶性代谢产物,其中丙氨酸和丝氨酸的碳元素转化率分别达到85.3%和94.1%。丙氨酸和丝氨酸经暗光耦合发酵的氢气产率分别提高到418.6 mL/g和270.2 mL/g,能量转化效率分别达到25.1%和21.2%。调控培养节旋藻生物质成分并通过水热降解促进了发酵联产氢气和甲烷。采用烟气15%CO2曝气造成的相对氮缺乏,以及高盐度引起的渗透压升高促进了细胞内碳水化合物的积累。微观表征显示节旋藻经蒸汽水热稀酸处理后的细胞一节一节分离破碎,释放出碳水化合物在水热稀酸作用下降解成小分子还原糖。节旋藻生物质暗光耦合发酵的氢气产率达到429 mL/gVS,联产甲烷后的整体能量产率提高到10.51 kJ/gVS。研究了水热、水热稀酸以及酶水解等多种处理方式对典型巨藻生物质降解以及后续发酵联产氢气和甲烷的影响规律。巨藻在水热条件下解聚产生许多孔洞和小碎片,不易降解的成分则仅剩丝状骨架。稀硫酸催化了水热解聚后生物质的进一步降解转化,总碳水化合单体含量比未处理巨藻提高了 2.48倍,暗发酵氢气产率提高了 60.8%,而5-羟甲基糠醛等副产物则抑制了发酵过程,降低了产氢尾液联产甲烷效果。单纯水热处理促进巨藻生物质解聚提高发酵联产氢气和甲烷的效果最佳,整体能量转化效率达到了 66.0%。将富含蛋白质的微藻与富含碳水化合物的巨藻混合,调控生物质原料的碳元素和氮元素质量比为20:1,促进暗发酵阶段的生物质降解,使氢气产率提高了 21.6~27.1%,通过联产甲烷使混合藻类生物质的整体能量转化效率提高到57.1~76.6%。长达32周的连续流实验表明:在总水力停留时间较短(16 d)条件下,当H2反应器有机负荷为6.0 gVS/L/d时混合藻类生物质得到有效降解,平均氢气产率达到55.3 mL/gVS;对应CH4反应器的有机负荷为2.0 gVS/L/d,联产甲烷产率为245.0 mL/gVS,微藻和巨藻的混合生物质整体能量产率达到9.4 kJ/gVS。混合藻类生物质两步法连续流联产氢气和甲烷系统在能量转化和发酵系统稳定性方面均显著优于一步法单产甲烷系统。采用水热降解餐厨垃圾促进厌氧发酵联产氢气和甲烷。研究了餐厨垃圾降解产物随水热条件变化的演变规律,蛋白质随水热温度升高而逐渐降解为溶解性的小分子蛋白、多肽和氨基酸;溶解性糖含量随水热温度升高先增加在140℃C达到峰值,然后由于小分子糖继续降解以及糖与氨基酸之间的美拉德反应而逐渐降低。餐厨垃圾水热降解后发酵联产氢气和甲烷的产率分别达到43.0mL/gVS和511.6mL/gVS,整体能量转化效率达到78.6%,比未经水热降解的餐厨垃圾能量转化效率大幅提高了 31.7%。分析了餐厨垃圾和污水污泥的微观理化特性及其混合发酵对联产氢气和甲烷的影响。将富含碳水化合物和油脂成分的餐厨垃圾与富含蛋白质和矿物质的污水污泥混合调控碳氮比,通过强化厌氧菌群与原料之间的有效接触促进了有机质降解,使餐厨垃圾和污水污泥混合发酵的氢气产率比其单独发酵的加权平均值提高了 49.9%。餐厨垃圾和污水污泥混合发酵联产氢气和甲烷的整体能量产率提高到11.3 kJ/gVS。通过长达21周的餐厨垃圾连续流发酵实验,发现联产氢气和甲烷可有效缩短水力停留时间,在高负荷下比单产甲烷具有更强的缓冲能力和稳定性。以水热降解后的餐厨垃圾作为发酵原料,在总水力停留时间缩短至18天后,联产甲烷产率仍保持在400mL/gVS以上未受抑制,在能量转化和发酵过程稳定性两方面均显著优于未处理餐厨垃圾。设计了餐厨垃圾480m3发酵罐产氢酸化系统的示范工程改造技术方案:通过建立产氢酸化系统,促进餐厨垃圾降解,提高后续联产甲烷效果,将产甲烷的水力停留时间从30天缩短到20天;将富含厌氧菌群且呈弱碱性的产甲烷沼液回流到产氢酸化罐中,补充产氢菌群并维持pH值在5.5,避免产氢抑制。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 树萌;;餐厨垃圾无害化处理迫在眉睫[J];环境经济;2018年Z3期
2 梅彩虹;;餐厨垃圾固体处理与资源化利用分析[J];环境与发展;2018年10期
3 ;餐厨垃圾“变废为宝”马峦街道持续推进生活垃圾分类[J];新经济;2018年11期
4 李志;;上海市餐厨垃圾管理现状及对策研究[J];上海环境科学;2009年01期
5 汤以成;金宝玲;钱丽燕;干磊;洪毅;;城市餐厨垃圾管理中的问题及对策研究——以苏州为例[J];环境卫生工程;2017年06期
6 陈梦冬;;城市餐厨垃圾回收制度的问题与对策研究[J];现代商业;2018年08期
7 邴君妍;罗恩华;金宜英;李洋洋;刘丹丹;;中国餐厨垃圾资源化利用系统建设现状研究[J];环境科学与管理;2018年04期
8 尹亚琳;;餐厨垃圾的处理技术[J];资源节约与环保;2018年06期
9 柯壹红;王晓洁;孙启元;刘常青;汪清环;;餐厨垃圾资源化技术现状及研究进展[J];海峡科学;2018年06期
10 ;餐厨垃圾养小虫 虫粪卖给种养农[J];农村新技术;2017年S1期
11 郭倩倩;郭晴晴;郑玉国;卢彪;;餐厨垃圾研究现状及分析[J];食品安全导刊;2017年18期
12 雷永康;熊春江;姜苏峻;林蒋海;刘泽寰;;典型餐厨垃圾预处理效果比较[J];环境卫生工程;2017年04期
13 张丽军;;城市餐厨垃圾特点及处理技术分析[J];环境与发展;2017年05期
14 ;减量化、资源化、无害化上海高校餐厨垃圾处置试点见成效[J];上海节能;2017年08期
15 王洪超;都兴川;;限制餐厨垃圾收运与处理效率的因素分析[J];辽宁化工;2017年10期
16 徐健;;餐厨垃圾资源化利用需制度化[J];浙江经济;2015年24期
17 王银;梁勇;王秀娟;;基于SWOT分析的城市餐厨垃圾回收处理特许经营研究[J];环境科学与管理;2015年12期
18 陈福民;;让餐厨垃圾变“宝”的故事[J];化工管理;2016年04期
19 ;新型餐厨垃圾车自动升降智能报警[J];专用汽车;2016年01期
20 李梦琪;陈吕军;;餐厨垃圾发酵废液组分表征[J];环境工程学报;2016年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 柯茂盛;;兰州城市餐厨垃圾资源化利用调研报告[A];民生经济:转变经济发展方式的目标——中国生产力学会第16届年会暨世界生产力科学院(中国籍)院士研讨会文集[C];2011年
2 ;餐厨垃圾:“一废”变“多宝”[A];再生资源工作通讯2015年第4期(总第246期)[C];2015年
3 孔芹;孙伟伟;蒲文鹏;景学森;魏小凤;王冠平;;江苏省某市餐厨垃圾组分及成分调查分析[A];2015年中国环境科学学会学术年会论文集[C];2015年
4 ;餐厨垃圾综合治理必须立法[A];“两区”同建与科学发展——武汉市第四届学术年会论文集[C];2010年
5 邢汝明;鄢丰;王桂琴;;餐厨垃圾产生量差异分析[A];《环境工程》2018年全国学术年会论文集(中册)[C];2018年
6 黄琪琪;吴川福;赵娜娜;于淼;汪群慧;;不同预发酵方式对餐厨垃圾厌氧发酵性能的影响[A];2016中国环境科学学会学术年会论文集(第三卷)[C];2016年
7 赵靖文;汤婕;石姝宁;蔡芹;刘博;曾宇;张永奎;谢通慧;;利用小球藻处理餐厨垃圾废水资源[A];《环境工程》2018年全国学术年会论文集(下册)[C];2018年
8 李蕾;;餐厨垃圾收运与集中处置一体化体系构建研究——以深圳市为实证分析[A];规划60年:成就与挑战——2016中国城市规划年会论文集(02城市工程规划)[C];2016年
9 何永全;陈严华;曾祖刚;况前;;餐厨垃圾浆液的全物料除油系统开发及应用[A];《环境工程》2018年全国学术年会论文集(下册)[C];2018年
10 黄小英;黄涛;彭道平;;基于餐厨垃圾的多基质协同厌氧发酵产气研究进展[A];四川省环境科学学会2017年学术年会论文专辑[C];2017年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 Dalai Ezaldeen Abdelrhman Algapani;餐厨垃圾连续两阶段厌氧产氢产甲烷的研究[D];中国农业大学;2018年
2 丁灵侃;水热降解及碳氮调控促进高含水率生物质发酵联产氢气和甲烷研究[D];浙江大学;2018年
3 刘刚;餐厨垃圾的高负荷厌氧消化稳定工艺及动力学研究[D];天津大学;2016年
4 黄斌欢;非正式产业与社会团结:珠三角泔水养猪人研究[D];清华大学;2014年
5 高树梅;餐厨垃圾厌氧消化过程中氨氮耐受响应机制研究[D];江南大学;2015年
6 胡新军;利用大头金蝇幼虫生物转化餐厨垃圾的研究[D];中山大学;2012年
7 吴云;餐厨垃圾厌氧消化影响因素及动力学研究[D];重庆大学;2009年
8 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
9 张存胜;厌氧发酵技术处理餐厨垃圾产沼气的研究[D];北京化工大学;2013年
10 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
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 雷森林;毕赤酵母发酵餐厨垃圾生产乳酸的统合生物工艺研究[D];暨南大学;2018年
2 马杰;餐厨垃圾生化降解工艺优化及微生物多样性研究[D];华东师范大学;2018年
3 张念瑞;进料频率对餐厨垃圾和剩余污泥中温共发酵系统稳定性及动力学特性的影响[D];西安建筑科技大学;2018年
4 张存庆;我国餐厨垃圾法律治理研究[D];西安建筑科技大学;2018年
5 周营;餐厨垃圾好氧堆肥微生物强化及复混肥制备的研究[D];华南理工大学;2018年
6 薛祥沛;反硝化法降解餐厨垃圾逸出恶臭物质的技术研究[D];扬州大学;2018年
7 马超男;利用酶预处理促进餐厨垃圾固相水解强化厌氧产甲烷性能[D];上海大学;2018年
8 鲁贝贝;家庭餐厨垃圾积聚和堆肥化处置方法研究[D];浙江大学;2016年
9 陈梦冬;城市餐厨垃圾管理问题研究[D];天津商业大学;2018年
10 韩文艳;餐厨垃圾资源化利用的资源环境影响及协同效应研究[D];兰州大学;2018年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 李晓鹏;餐厨垃圾变肥料菌剂[N];首都建设报;2018年
2 记者 张姣姣;委员提案关注餐厨垃圾“跑、冒、滴、漏”[N];各界导报;2018年
3 黎莉芩;走进餐厨垃圾克星“梦工厂”[N];广东建设报;2017年
4 沈阳日报、沈报融媒记者 杜梦雅;餐厨垃圾的变身之路[N];沈阳日报;2017年
5 本报记者 李安娜;台州餐厨垃圾生态化处置全省首创[N];台州日报;2017年
6 李沛珂;综合治理 真正实现餐厨垃圾资源化[N];兰州日报;2018年
7 连云港日报全媒体记者 李耀华 见习记者 肖婷婷 通讯员 孙淑莉;餐厨垃圾绿色处理走上法制化轨道[N];连云港日报;2017年
8 记者 王哲 通讯员 潘露;武汉禁止餐厨垃圾与生活垃圾混合[N];湖北日报;2018年
9 杨燕;呼和浩特市清除“餐厨垃圾”动真格[N];中国医药报;2018年
10 记者 卞继国 徐震;湖州开发区诞生全国首台餐厨垃圾生物处理机[N];湖州日报;2018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
  • 010-62982499
  • 010-62783978