小麥秸稈的預(yù)處理及高效能源轉(zhuǎn)化利用研究.pdf

1、我國(guó)是世界上第一人口大國(guó)和農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年要產(chǎn)生大約7億多噸的農(nóng)作物秸稈，其中小麥秸桿的產(chǎn)量為1.5億噸。由于我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采用分散經(jīng)營(yíng)模式，絕大部分的秸稈廢棄物沒(méi)有得到資源利用，而是被隨意丟棄、焚燒并直接排放到環(huán)境中，使“資源”成為“污染源”。小麥秸稈中有機(jī)物含量很高，具有生物質(zhì)能源化利用的潛力，但高木質(zhì)素含量限制了小麥秸稈的水解及生物降解。已經(jīng)有很多研究針對(duì)秸稈的預(yù)處理提高其水解或生物降解性能而展開(kāi)，堿預(yù)處理可以促進(jìn)木質(zhì)纖維類(lèi)生物質(zhì)的纖

2、維素潤(rùn)脹，破壞木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，提高去木質(zhì)作用進(jìn)而提高其生物降解性能，而大多堿預(yù)處理研究又集中于NaOH高溫預(yù)處理，對(duì)工業(yè)應(yīng)用要求較高，而且預(yù)處理黑液中大量鈉離子的排放對(duì)環(huán)境造成很大污染，同時(shí)容易產(chǎn)生對(duì)下游生物降解造成抑制的副產(chǎn)物，因此本文結(jié)合前人的研究結(jié)果，提出采用常溫KOH進(jìn)行預(yù)處理，在提高秸稈水解及生物降解性能的同時(shí)解決了預(yù)處理黑液的污染問(wèn)題，同時(shí)對(duì)黑液循環(huán)回用預(yù)處理工藝以及與酶組合預(yù)處理進(jìn)行研究，并通過(guò)膜分離提高預(yù)處理黑液的利用潛力

3、，為進(jìn)一步提高秸稈的高效能源化利用提供理論及技術(shù)支持。
　　本研究首先在室溫(20℃)條件下對(duì)不同KOH濃度(2％-50％ w/w)的堿液預(yù)處理小麥秸稈進(jìn)行研究，結(jié)果顯示隨著KOH濃度的提高，黑液中溶解性化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）濃度逐漸提高，預(yù)處理后秸稈的成分及結(jié)構(gòu)分析均顯示纖維素含量逐漸提高，半纖維素和木質(zhì)素含量逐漸降低，最大的木質(zhì)素去除率可達(dá)54.7％。預(yù)處理后秸稈的酶水解產(chǎn)糖率逐漸提

4、高，最高酶水解率達(dá)到92.3％，在考慮預(yù)處理過(guò)程中固體損失的條件下，20％KOH濃度條件下獲得最高的總還原糖產(chǎn)率489.5mg/g。預(yù)處理后秸稈的沼氣產(chǎn)率和甲烷產(chǎn)率也隨著KOH濃度提高而逐漸提高，甲烷產(chǎn)率在10％-50％濃度范圍內(nèi)比未預(yù)處理提高了16.7％-77.5％。在考慮固體損失的條件下，當(dāng)濃度大于20％時(shí)，總沼氣和甲烷產(chǎn)率并沒(méi)有明顯提高，因此在該條件下20％KOH被認(rèn)為是較優(yōu)的處理濃度。
　　其次在上述研究結(jié)果基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一

5、套預(yù)處理，高效厭氧消化產(chǎn)沼氣及沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Heat and Power, CHP)的系統(tǒng)，并對(duì)三種不同處理規(guī)模50t/d、150t/d、450t/d下的物料及能量平衡進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示隨著KOH濃度的提高，甲烷產(chǎn)量逐漸提高，沼渣產(chǎn)量大幅減少，當(dāng)KOH濃度大于20％后甲烷產(chǎn)量及熱能、電能的輸出凈值提高幅度較小，隨著處理規(guī)模的增大，能量?jī)糁邓伎偰芰康谋壤饾u提高。
　　對(duì)KOH常溫預(yù)處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，在20％KO

6、H濃度條件下預(yù)處理后對(duì)黑液進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)后循環(huán)回用進(jìn)行下一輪預(yù)處理，結(jié)果顯示該工藝可以顯著提高秸稈的酶水解性能以及厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能，在回用5次后系統(tǒng)可達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，黑液中還原糖、COD和鉀離子的濃度也達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。預(yù)處理黑液回用可以減少75％的用水量以及25％的KOH用量，黑液回用預(yù)處理第2-5輪的木質(zhì)素去除率、酶水解產(chǎn)糖率以及甲烷產(chǎn)率分別為32％-35％，336-366 mg/g總固體(Total Solid，TS)，和290

7、-303mL/g揮發(fā)性固體(Votatile Solid，VS)，相比新鮮堿液預(yù)處理要低，但相比未預(yù)處理有大幅提高，在考慮預(yù)處理過(guò)程中的固體損失后黑液回用與新鮮堿液預(yù)處理之間沒(méi)有顯著性差異，因此該工藝可以提高KOH預(yù)處理的總體性能。
　　在堿預(yù)處理基礎(chǔ)上對(duì)堿與酶聯(lián)合預(yù)處理性能進(jìn)行研究，結(jié)果顯示KOH與酶聯(lián)合預(yù)處理不僅提高了小麥秸稈的產(chǎn)氣與產(chǎn)甲烷速率，也提高了累積產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率。酶預(yù)處理3天相比處理1天或直接在厭氧消化系統(tǒng)中添加酶

8、得到較高的累積產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷率，聯(lián)合預(yù)處理后不同有機(jī)負(fù)荷率（Food to microorganism ratio，F(xiàn)/M）的厭氧消化結(jié)果顯示過(guò)高或過(guò)低的微生物濃度均會(huì)造成系統(tǒng)的速率降低或一些抑制反應(yīng)，F(xiàn)/M比為0.5獲得最高的產(chǎn)氣性能。纖維素酶和半纖維素酶的混合制劑相比單獨(dú)纖維素酶作用獲得較高的水解酸化率而獲得較高的沼氣產(chǎn)率。
　　不同KOH濃度預(yù)處理后的黑液厭氧消化性能結(jié)果顯示預(yù)處理黑液有很好的產(chǎn)沼氣和產(chǎn)甲烷性能，隨著KOH濃度

9、的提高，黑液厭氧消化產(chǎn)氣初期有一定的抑制反應(yīng)，但隨著微生物的馴化產(chǎn)氣性能逐漸提高。根據(jù)物料衡算對(duì)小麥秸稈的總產(chǎn)氣性能（包括預(yù)處理后固體的產(chǎn)氣性能和液體的產(chǎn)氣性能）來(lái)綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示20％KOH濃度獲得較高的總產(chǎn)氣率474.1mL/g VS和產(chǎn)甲烷率263.4 mL/g VS。
　　對(duì)預(yù)處理黑液中的鉀離子進(jìn)行回收研究表明微濾膜對(duì)固體截留率可達(dá)到74.1％，反滲透膜對(duì)鉀離子的截留率可達(dá)90.3％，證明了反滲透膜可以有效的回收鉀離子，