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
提出了通过碱预处理显著改善和提高麦秸的可生物降解性能，然后通过厌氧消化方法把麦秸转化成沼气(biogas)这一生产生物能源新的技术途径。开展了如下多方面的试验和机理研究，并对研究结果进行了工程应用。
1.不同碱预处理剂对麦秸厌氧消化性能影响的试验研究。选择氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)和尿素(CO(NH2)3)为预处理剂，采用四个不同添加量(1％，2％，4％，6％)对麦秸进行预处理，然后在四个有机负荷率(35，50，65和80 g·L-1)下对预处理麦秸进行了厌氧消化产气性能试验。发现NaOH预处理麦秸在65 g·L-1有机负荷率下取得了最好的厌氧消化产气效果，因此选择NaOH作为适宜麦秸的预处理剂。
2.NaOH预处理参数试验研究及其优化参数确定。研究了不同NaOH预处理参数对麦秸厌氧消化性能的影响，这些参数包括NaOH添加量、预处理时间、预处理温度、物料含水率、物料粒度、接种物等。研究发现：①与未处理麦秸相比，在各种添加水平下，预处理麦秸的产气率、平均甲烷含量、TS和VS降解率都得到了明显提高，其中2％、4％NaOH预处理麦秸的产气率提高的最为显著，分别提高了44.0％、48.0％，两者之间无显著区别。因此，从经济效益上考虑，选用2％作为最佳NaOH预处理添加量。②经过不同温度预处理后，麦秸的产气率、平均甲烷含量、TS和VS降解率并无显著差异，但10℃的消化时间(dT80)比30℃的缩短了4天，且在大多数情况下，10℃在室温下即可达到，因此，确定10℃为适宜预处理温度。③NaOH添加到麦秸后，只需3天时间即可被基本利用完。试验结果表明，3天和6天预处理对麦秸的厌氧消化产气性能没有明显影响，更长的预处理时间没有实际意义。因此，确定3天预处理时间为宜。④与600％含水率相比，900％预处理含水率的产气率和TS/VS降解率上分别提高了6.1％、5.1％/4.9％，消化时间(dT80)缩短了2天，说明900％含水率有利于NaOH对麦秸结构的破坏和组分的降解。⑤麦秸的产气率、TS和VS降解率随着物料粒度的减小而增大，但不呈线性关系。磨碎麦秸的产气率只比粉碎的提高2.6％，但磨碎却要消耗更多的电能；揉搓的产气率稍低，但与粉碎相比，产气率相差不大，而能耗却明显降低，因此揉搓是比较实用的选择。⑥污泥消化液作为接种物，厌氧消化效果最差，猪粪消化液和麦秸消化液接种效果较好；与猪粪消化液相比，麦秸消化液的产气率、TS和VS降解率略高，且可就地取材，应是首要选择。
综上所述，确定NaOH的最佳预处理参数为：添加量2％、预处理温度10℃、预处理时间3天、有机负荷率65 g·L-1、搓揉处理、以麦秸消化液为接种物。
3.NaOH预处理麦秸的机理研究。采用扫描电镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)等先进的分析手段，对NaOH预处理提高麦秸厌氧消化产气性能的内在机理进行了探讨。发现：①在微观物理结构上。经预处理后，麦秸的表面物理结构变得疏松、碎裂，出现了明显的分层脱落现象。这种破坏有利于释放包裹在木质素和半纤维素中的纤维素，使之变得更容易被消化利用。经厌氧消化后，预处理麦秸完整的表面被彻底破坏，出现了明显的裂片、凹凸不平的沟槽和微孔，证实了NaOH预处理的有效性。②在化学结构上。预处理使得麦秸中纤维素中的重要连接键发生部分断裂和破坏，纤维素被降解成了小分子物质成分；木质素与碳水化合物之间的酯键发生了断裂，使得纤维素发生了部分降解，并被更多地从木质素的包裹中释放了出来。③在化学组分上。预处理后，麦秸的纤维素、半纤维素、木质素和木质纤维素含量分别由原来的30.6％、28.1％、12.4％和71.1％降低到25.6％、21.9％、10.8％和58.3％；冷水抽出物、热水抽出物和1％NaOH抽出物的百分比含量分别提高了92.3％、83.1％和20.0％；苯—醇抽出物百分比含量降低了37.8％；总糖百分比含量提高了106.7％。可以看出，预处理麦秸厌氧消化性能的提高并不是某一因素作用的结果，而是麦秸表面微观物理结构、化学结构和化学组分变化综合作用的结果。
4.工程应用研究。基于课题试验研究确定的氢氧化钠预处理方法，并通过与厌氧消化、沼气净化贮存、沼气输配和沼渣沼液利用系统的集成，建成了秸秆沼气示范工程。对工程项目中的关键单元和设备进行了设计计算，对反应器内外温度、沼气产量、甲烷含量、pH值等主要性能参数进行了监测，获得了较好的实际应用效果。证明NaOH预处理方法和整个生产系统可以完全满足实际生产的要求。
本研究发明的NaOH预处理方法，突破了利用纤维素材料生产沼气的核心关键技术，开辟了完全利用麦秸为原料生产清洁能源新的技术途径。对减少秸秆的环境污染、开发新能源具有重要意义，在我国具有十分广阔的推广应用前景。
麦秸;碱预处理;氢氧化钠;厌氧消化;可生物降解性能;生物能源;沼气
北京化工大学
博士
化工过程机械
王奎升
2010
中文
S216.4
97
2010-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）