汽爆玉米秸稈高溫固態(tài)階梯厭氧消化的研究.pdf

1、作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)每年產(chǎn)生的生物質(zhì)資源總量超過(guò)30億噸，其中以各種植物秸稈最具代表性。而傳統(tǒng)的利用方式導(dǎo)致大量秸稈資源的過(guò)剩，秸稈焚燒現(xiàn)象在各地均十分普遍，不僅造成了環(huán)境污染，而且是對(duì)秸稈資源的一種浪費(fèi)。 當(dāng)前，世界人口不斷增加和化石燃料儲(chǔ)量的減少已成為人類無(wú)法回避的問(wèn)題，能源和資源危機(jī)對(duì)各國(guó)的影響都同益顯著。尋找化石燃料的清潔替代能源成為各國(guó)共同的研究熱點(diǎn)。氫氣和沼氣是兩種具有代表性的清潔可再生能源，利用生物質(zhì)資源進(jìn)行厭氧

2、消化產(chǎn)氫氣和沼氣有助于解決大量秸稈過(guò)剩和能源危機(jī)的問(wèn)題。 天然植物秸稈結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了微生物對(duì)其降解是一個(gè)困難和緩慢的過(guò)程。因此，原料的預(yù)處理技術(shù)是秸稈有效利用過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有研究主要采用物理、化學(xué)和生物方法進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)液態(tài)發(fā)酵的方式進(jìn)行生物氣化，存在周期長(zhǎng)、能耗高、污染嚴(yán)重等問(wèn)題。本文以玉米秸稈為原料，進(jìn)行高溫固態(tài)厭氧消化，階段性得到氫氣和沼氣兩種清潔能源，為生物質(zhì)資源的高值化利用探索新的途徑。 蒸汽爆

3、破是目前木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)中廣泛采用的一種預(yù)處理方法，能夠有效破壞秸稈的致密結(jié)構(gòu)，提高木質(zhì)纖維素的降解率。本研究考察了不同汽爆條件對(duì)玉米秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響，由結(jié)果可知，當(dāng)維持壓力1.5MPa，維壓時(shí)間為6min時(shí)，汽爆秸稈最適合沼氣發(fā)酵，甲烷產(chǎn)量達(dá)最大值138.2ml/gTS，是未處理秸稈的3.5倍。 通過(guò)對(duì)固液比、初始pH、接種量、氮源、纖維素酶用量和發(fā)酵溫度的單因素實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了汽爆玉米秸稈高溫固態(tài)厭氧消化的最佳實(shí)驗(yàn)條

4、件。結(jié)果表明，當(dāng)固液比為1：7，初始pH為7.5，接種量為35％，NH4HCO3添加量為0.04g/g干汽爆秸稈，纖維素酶添加量為30IU/g干汽爆秸稈，發(fā)酵溫度為50℃時(shí)，甲烷產(chǎn)量可提高至153.0ml/gTS，是未處理秸稈的2.9倍；比產(chǎn)甲烷率為7.54ml/gVSS·d，是未處理秸稈的2.4倍。通過(guò)發(fā)酵后殘?jiān)慕M分測(cè)定，汽爆玉米秸稈纖維素的降解率為58.86％，是未處理秸稈的3.2倍；半纖維素的降解率為67.22％，是未處理秸稈的

5、3倍。 丁酸梭菌(Clostridium butyricum)是一類可以利用葡萄糖、木糖等還原糖的厭氧梭菌，可以將底物轉(zhuǎn)化為氫氣、乙酸、丁酸，強(qiáng)化厭氧消化的產(chǎn)氫過(guò)程。以汽爆玉米秸稈為原料，在優(yōu)化的汽爆條件和發(fā)酵條件下進(jìn)行高溫固態(tài)階梯厭氧消化。接種丁酸梭菌和活性污泥后，先進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫，產(chǎn)氫結(jié)束后調(diào)整系統(tǒng)pH值至中性，繼續(xù)進(jìn)行沼氣發(fā)酵直至產(chǎn)氣結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，汽爆秸稈的氫氣產(chǎn)量為76.0ml/gTS，是未處理秸稈的2.3倍，比產(chǎn)氫

6、率為13.1ml/gVSS．d，是未處理秸稈的2.0倍；汽爆秸稈的甲烷產(chǎn)量為171.7ml/gTS，是未處理秸稈的2.6倍，比產(chǎn)甲烷率為7.72ml/gVSS．d，是未處理秸稈的2.1倍。由以上結(jié)果可知，蒸汽爆破在用于玉米秸稈高溫固態(tài)厭氧消化和階梯產(chǎn)氣過(guò)程中能夠有效地提高原料產(chǎn)氣量和組分的降解率，是生物質(zhì)資源高值化利用過(guò)程中一項(xiàng)行之有效的技術(shù)。采用高溫條件進(jìn)行厭氧消化，不僅可以抑制某些中溫有害微生物的存活，還能使發(fā)酵溫度與纖維素酶的最佳