预处理对水葫芦和稻秸厌氧消化产沼气性能的影响研究

【摘要】绿色可再生能源的研究开发已成为世界各国科研工作的重点。生物能源将成为未来可持续能源系统的重要组成部分。稻秸和水葫芦来源丰富,是作为能源化原料的首选之一,但因其含有木质纤维素成分,需进行预处理提高其厌氧消化效果。本文研究稻秸和水葫芦单独预处理以及两者混合青贮预处理对厌氧消化产气性能的影响,获取稻秸与水葫芦预处理及其共混厌氧消化的关键工艺参数,阐明厌氧消化产气特性与过程参数变化规律,旨在提高原料利用率和甲烷产率,以期为最大化净能量产出及工程化应用提供理论依据。(1)研究了稻秸NaOH水热预处理和3种生物预处理下中温批式厌氧消化产气特性。结果发现,NaOH水热预处理的累积沼气产率和甲烷产率最高,分别为454.5L/kgVS和236.3L/kgVS,比未处理稻秸各增加77.3%和87.1%。菌剂和沼液预处理可一定程度提高稻秸厌氧消化过程中甲烷浓度,厌氧消化第5天菌剂和沼液预处理甲烷浓度分别比未处理高出280%和61%,但并未提高累积沼气和甲烷产率。内源微生物预处理的累积沼气和甲烷产率最低,分别为129.7L/kgVS和52.8L/kgVS.拉曼光谱分析发现,NaOH碱处理通过破坏稻秸组织中半纤维素、纤维素和木质素的空间交联结构,促进稻秸组织中半纤维素和纤维素在厌氧消化中的利用率,从而提高NaOH预处理后稻秸的甲烷产率。(2)研究了水葫芦叶、茎、根分别青贮(0-4d)后进行中温批式厌氧消化产气特性。并对青贮4d预处理、未处理水葫芦厌氧消化前后的叶进行切片显微镜微观比较分析。0-4d青贮后厌氧消化,水葫芦叶甲烷产率随着青贮时间的增加而增加。水葫芦叶经4d青贮,甲烷产率最高,为177.6L/kgVS,比未处理增加了26.0%。水葫芦茎经1-3d青贮,甲烷产率均高于未青贮。经2d青贮水葫芦茎累积甲烷产率达138.8L/kgVS,比未处理增加了12.3%。经4d青贮水葫芦茎甲烷产率与未处理没有显著差异。水葫芦根经1-4d青贮,甲烷产率均高于未青贮,且水葫芦根经2d青贮,甲烷产率最高,为30.2L/kgVS,比未处理增加了127.4%。未处理的水葫芦叶、茎、根的累积甲烷产率,叶最大,其次是茎,根最小。切片微观分析表明,青贮预处理可提高水葫芦叶细胞壁的降解性,从而提高其厌氧消化效率。(3)研究了水葫芦与稻秸不同质量配比(75：25-100：0,湿基)混合青贮(30℃,25d)对其厌氧消化的影响。结果表明,混合青贮预处理可提高厌氧消化甲烷浓度和累积甲烷产率。随着稻秸比例增加,甲烷产率增加。水葫芦与稻秸按配比95：5、85：15和75：25(湿基)混合青贮后厌氧消化累积甲烷产率各为65.5、74.1和83.7L/kgVS,比未青贮分别提高了4.2%、26.8%和33.69%。水葫芦单独青贮,添加青贮发酵液比不添加青贮发酵液,青贮料VS损失率更大,分别为25.75%和20.67%；厌氧消化甲烷浓度近似,在50%-60%之间；添加发酵液水葫芦青贮甲烷产率与未处理无显著差异,约为58L/kgVS。水葫芦添加发酵液单独青贮,并不能提高其厌氧消化产气率。水葫芦与稻秸以75：25质量配比(1：4,干基)下,经0、7、14、21d青贮后厌氧消化。结果表明,随着青贮时间增加,青贮料的质量、TS及VS减少,VS损失率增大；pH值减小；厌氧消化的甲烷浓度有一定程度提高,尤其在厌氧消化前期的甲烷浓度明显提高；累积甲烷产率提高。青贮21d甲烷产率达61.41±0.66L/kgVS,比未青贮增加了52.2%。(4)研究了水葫芦与稻秸以75：25质量配比(1：4,干基)下混合连续厌氧消化产气特性。随着全混合连续厌氧消化系统有机负荷率从0.5gVS/(L·d)提高到1.5gVS/(L·d),沼气日产率也提高,从0.17L/gVS提高到0.28L/gVS;甲烷浓度先上升再略下降后趋向稳定；pH值先下降后上升。有机负荷率为2gVS/(L·d)时,甲烷浓度、pH值迅速下降,出现酸抑制,沼气日产率大幅度下降。对于水葫芦与稻秸以75：25(1：4,干基)质量配比下混合连续厌氧消化,有机负荷率最高不超过1.5gVS/(L·d)。研究了水葫芦与稻秸以75：25(1：4,干基)质量配比下混合青贮(30℃,25d)后连续厌氧消化产气特性。水葫芦与稻秸粉碎后混合青贮,青贮料pH值为3.98,乳酸含量为14.32mg/g。水葫芦与稻秸以1：4TS配比混合青贮后连续厌氧发酵,有机负荷率从0.5gVS/(L·d)升高到2gVS/(L·d),产气率在各阶段最终都保持稳定；甲烷浓度提高,尤其在提高有机负荷率的厌氧消化前期；且连续厌氧发酵底物pH值较稳定；随着水力停留时间的减少,发酵系统的容积产气率稳步提升。青贮预处理可提高水葫芦与稻秸混合连续厌氧消化产气性能,累积沼气产率和甲烷产率比未青贮混合产气分别增加67.3%和138.5%。
【作者】夏益华；
【导师】盛奎川；
【作者基本信息】浙江大学，农业生物环境与能源工程，2014，博士
【关键词】水葫芦；稻秸；青贮预处理；厌氧消化；沼气；甲烷；

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