生物预处理提高生物质厌氧消化产甲烷的研究
自然界中农业废弃物（如木质纤维素类原料）储量巨大，是最具吸引力的可再生生物能源资源。为了有效地利用木质纤维素原料生产沼气，人们已经对其厌氧消化(AD)特性进行了广泛的研究。中国每年会产生大量的水稻秸秆(RS)和小麦秸秆(WS)等农作物废弃物，可作为厌氧消化的原料。然而，由于秸秆复杂的木质纤维结构，未经预处理直接进行厌氧消化会导致较低的生物降解率和甲烷产量。为了高效地降解木质纤维素类生物质原料，人们尝试了各种预处理技术，例如物理、化学和生物预处理。在这些预处理方法中，微生物预处理广受人们关注，能够很好地实现木质纤维素原料的降解，且从长远角度来看，引入微生物菌群来对木质纤维素成分进行降解，是最有前途、经济和环境友好的方式之一。为了更好地研究微生物预处理的作用机理，对未来预处理的工艺设计提供参考，需要对预处理过程中发生的物理化学变化进行实验研究。本课题采用微生物和氧气供应相结合，对秸秆进行预处理，以更具成本效益和时间效率的方式提高了RS和WS的能量转化潜力。其中，氧气以不同浓度剂量添加，研究了供氧量、微生物功能和水解速率之间的关系。主要结果如下: 首先，利用液体微生物菌剂(LC)、牛粪(CM)、羊粪(SD)、沼液(BS)和秸秆腐熟剂(SC)等五种富含微生物的试剂作为有效微生物源，并结合不同供氧量，研究氧气浓度的变化对微生物预处理效果的影响。结果表明，水稻秸秆经SC预处理效果最好，在供氧量为12mLO2/gVS时，得到了最高的累积甲烷产量(CMY)，为311.7mL/gVS;随后为BS、CM、LC和SD预处理，在供氧量为6mLO2/gVS时，累积甲烷产量分别为256.7、270.5、263.2、257.1mL/gVS。与未处理水稻秸秆相比，经SC、LC、SD、BS和CM预处理后的最大甲烷产率分别提高了88.7％、63.7％、59.3％、55.6％和55.4％。通过经济、能源和环境分析，说明微生物联合氧气供应的预处理方式是提高水稻秸秆产甲烷性能的有效途径。 其次，选择小麦秸秆为厌氧消化的另一种原料，使用相同的微生物试剂和供氧量对其进行预处理。结果表明，SC预处理后小麦秸秆的累积甲烷产量最高，为316.2mL/gVS，其次分别是LC(279.2mL/gVS)、SD(264.6mL/gVS)、BS(255.8mL/gVS)和CM(198.1mL/gVS)预处理。其中，SD、BS和SC预处理在供氧量为12mLO2/gVS时获得了最高的CMY，而LC和CM在供氧量为6mLO2/gVS时CMY最高。此外，与未处理的WS相比，经SC、LC、SD、BS和CM预处理后的甲烷产率分别提高了78.4％、57.6％、49.3％、44.4％和11.8％，同时，生物降解率也得到了提升。SEM、FTIR和XRD结构分析表明，小麦秸秆的孔隙和纤维结构在预处理过程中被严重破坏，纤维素结晶度指数显著降低。 第三，对稻杆和麦秆在供氧和不供氧的条件下进行了微生物预处理，然后进行了厌氧发酵，并分析了预处理和发酵前后的微生物群落变化。微生物预处理稻杆和麦秆后，Firmicutes，Bacteroidetes和Proteobacteria是不供氧组中主要的微生物门，然而供氧进一步增加了这些门的相对丰度。供养和不供氧条件下微生物预处理稻杆和麦秆的厌氧消化液中，ClostridiumⅢ的相对丰富增加;这个属中的细菌可以促进植物细胞壁的降解，可以和其它糖发酵菌（如Saccharofermentans）共同完成发酵。值得注意的是，这些属于Firmicutes门的主要细菌属很可能提高了秸秆的水解速率，从而增加了甲烷产量。古菌群落分析表明，供养和不供氧条件下预处理组的乙酸营养型和氢营养型产甲烷菌增加，表明预处理导致了微生物代谢和产甲烷前提物质生成的变化，这可能与秸秆的产甲烷性能增加有关。因此，供养条件下微生物预处理稻杆和麦秆有效地增加了甲烷产量。 最后，将不同生物炭添加到厌氧消化系统中，研究生物炭对RS和WS产甲烷性能的影响。所用生物炭为不同温度（500℃和800℃）下分别制备的废弃蘑菇棒生物炭(DMB)和刺槐生物炭(RPB)。结果表明，两种生物炭添加后，RS和WS的甲烷产率较对照组分别提高了24.0-29.7％和19.7-24.6％。其中，添加RPB800℃的RS获得了最高的累积甲烷产量，为302.3mL/gVS;其次为添加DMB800℃的WS，其累积甲烷产量为290.8mL/gVS。这说明，高温条件下热解制备的生物炭有效地提高了原料的生物甲烷产率。此外，从SEM图中可以看出，大量微生物粘附在生物炭表面，这有可能会加速直接种间电子转移过程，并最终促进了RS和WS甲烷产量的增加。 本课题通过对自然微生物生态系统进行模拟，有助于厌氧消化反应器中高效生物策略设计，为提高复杂木质纤维素原料的生物降解性和产甲烷性能提供了可能的解决方案，对未来工业规模化利用木质纤维素类原料生产清洁能源提供了有价值的参考。
农作物秸秆;厌氧消化;微生物预处理;氧气供应;生物降解性;产甲烷性能
北京化工大学
博士
化学工程与技术
陈畅
2020
中文
S216.4
2020-11-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）