水葫蘆厭氧發(fā)酵特性及工藝技術(shù)研究.pdf

1、將水生植物--水葫蘆作為能源植物利用已受到越來越多的關(guān)注。與陸生能源作物相比，水葫蘆具有生長速度快、繁殖與適應(yīng)能力強、能修復(fù)水體多種污染物的特點。此外，還具有不占用耕地、無需施用化學(xué)品等優(yōu)勢，因而，水葫蘆能源化利用已成為生物質(zhì)能技術(shù)研究領(lǐng)域最具吸引力的一個重要方向。
　　 本文對水葫蘆的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特征進行了研究，比較了不同水域、不同采收頻次對水葫蘆產(chǎn)甲烷的影響以及水葫蘆不同器官的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性，研究了溫度、接種量、微量元

2、素添加、酸化預(yù)處理對水葫蘆厭氧發(fā)酵的影響，并采用聚合酶鏈式反應(yīng)-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)技術(shù)研究了水葫蘆厭氧發(fā)酵過程中微生物區(qū)系的變化。針對水葫蘆厭氧發(fā)酵工程中存在易漂浮、易堵塞管道和滯留時間長等缺點，提出了先將水葫蘆擠壓脫水，再對擠壓汁、渣分開進行厭氧發(fā)酵的工藝技術(shù)。同時，采用生命周期法(LCA)對水葫蘆能源化利用方式進行了環(huán)境影響評估。
　　 論文取得的主要研究結(jié)果如下：
　　 1.比較了云南滇池草海、白

3、山灣、江蘇太湖以及江蘇農(nóng)科院2號塘四種不同氮、磷濃度水體生長的水葫蘆產(chǎn)氣量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水葫蘆的產(chǎn)氣量和其生長水體氮磷濃度呈顯著相關(guān)性。富營養(yǎng)化程度最高的云南滇池草海的水葫蘆產(chǎn)甲烷量最高，為264 mLCH4/gVS，是理論產(chǎn)甲烷量的70％；水質(zhì)最好的滇池白山灣生長的水葫蘆產(chǎn)甲烷量最低，為172 mL CH4/gVS，僅為理論產(chǎn)甲烷量的45％；太湖、2號塘水體氮、磷濃度相近，其水葫蘆產(chǎn)甲烷量也較接近，分別為229 mL CH4/gVS和23

4、5 mL CH4/gVS，分別占理論產(chǎn)氣量的68％和66％。水葫蘆厭氧發(fā)酵主要利用其中的纖維素、半纖維素和粗蛋白。無論是哪種組分，白山灣水葫蘆的降解率均最低。在厭氧發(fā)酵過程中，四種水體水葫蘆產(chǎn)生的有機酸均以乙酸和丙酸為主；草海水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)生的有機酸濃度最高，可達2466 mg/L，白山灣水葫蘆最低，僅為915 mg/L。研究發(fā)現(xiàn)水體氮、磷濃度影響水葫蘆化學(xué)組分含量的差異及結(jié)構(gòu)組成(根冠比)，可能是影響水葫蘆厭氧生物降解性能及產(chǎn)氣量差異的

5、主要因素。
　　 2.為驗證根冠比對水葫蘆產(chǎn)氣的影響，對水葫蘆不同器官根、莖、葉進行了中溫批式厭氧發(fā)酵比較。結(jié)果表明，水葫蘆不同器官的化學(xué)組分含量差異顯著，可生物降解性也不同，從而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷量差異顯著。水葫蘆葉有機碳、蛋白質(zhì)含量最高，產(chǎn)甲烷量也最高，達246 mL CH1/gVS，水葫蘆莖產(chǎn)甲烷量為177 mL CH4/gVS，根系粗蛋白含量最低，木質(zhì)素含量最高，其產(chǎn)甲烷量最低，為110mL CH4/gVS。水葫蘆根的可生物降解

6、性最低，在厭氧發(fā)酵過程中，無論是SCOD還是VFA，在水葫蘆根發(fā)酵液中的濃度均遠低于水葫蘆莖和葉，且纖維素、半纖維素的降解率也不及莖、葉的50％。分析表明水葫蘆根部木質(zhì)素含量過高可能是造成水葫蘆根可生物降解性能差的主要因素。PCR-DGGE分析表明，水葫蘆根、莖、葉發(fā)酵污泥的細菌種群相似性較低，水葫蘆葉發(fā)酵污泥的細菌多樣性豐富度最高，水葫蘆根最低，而古菌多樣性差異較小，且相似性較高，無論是細菌還是古菌，水葫蘆根部的厭氧微生物種群結(jié)構(gòu)與水

7、葫蘆莖、葉的差異較大。
　　 3.采收頻次不同，影響水葫蘆的生物量及化學(xué)組成。一次性采收與分期多次采收的水葫蘆相比，木質(zhì)素含量增加，粗蛋白、總氮、總磷、總鉀含量下降，兩者產(chǎn)氣量相差顯著。一次采收性水葫蘆的原料產(chǎn)氣率為231 mL/gTS(268 mL/gVS)，而多次采收的水葫原料產(chǎn)氣率達到336 mL/gTS(517 mL/gVS)，因此，對水葫蘆進行定期多次采收，不僅可以提高水葫蘆生物量帶走更多的水體氮磷，還可以獲得更高的產(chǎn)

8、能效率。
　　 4.接種量、發(fā)酵溫度、微量元素、酸化預(yù)處理都對水葫蘆厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣有影響。接種對厭氧發(fā)酵的啟動至關(guān)重要，且接種量越大，產(chǎn)氣速率也越快，通過實驗比較，最佳接種比例為1:1(VS之比)；高溫(55℃)發(fā)酵可以提高產(chǎn)氣速率，縮短產(chǎn)氣周期，但總產(chǎn)氣量、原料降解率與中溫(35℃)發(fā)酵無明顯差異；添加Fe、Co、Ni可以提高產(chǎn)甲烷速率，但對總產(chǎn)氣量無影響，對三種微量元素的影響力分析表明Fe2+>Co2+>Ni2+；酸化預(yù)處理可

9、以提高原料產(chǎn)氣率，其中，酸化處理3d的水葫蘆干物質(zhì)產(chǎn)氣率比新鮮水葫蘆提高了10.4％。
　　 5.對水葫蘆進行固液分離，分別以水葫蘆、水葫蘆擠壓汁為底物，在室內(nèi)2個CSTR反應(yīng)器內(nèi)進行了運行比較研究。結(jié)果表明，以水葫蘆為底物直接進行厭氧發(fā)酵，適宜有機負荷為2.0 kgVS/m3/d，原料產(chǎn)氣率為267 mL/gVS，平均容積產(chǎn)氣率為0.61m3/m3/d，水力滯留時間(HRT)為27d，平均甲烷含量為58％；而以水葫蘆擠壓汁為底

10、物，有機負荷可達6kg COD/m3/d，原料產(chǎn)氣率為231 mL/g COD，容積產(chǎn)氣率可達1.4 m3/m3/d，平均甲烷含量為66％，水力滯留時間僅需2.4d，COD平均去除率達85％，MLVSS平均去除率可達88％。PCR-DGGE分析表明，水葫蘆擠壓汁有機負荷的提高對厭氧微生物多樣性影響不大，但影響其種群結(jié)構(gòu)，尤其是產(chǎn)甲烷菌群結(jié)構(gòu)。
　　 6.水葫蘆擠壓渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量為398 mL/gTS(445 mL/gVS)，甲

11、烷含量可達59％，其產(chǎn)氣潛力與新鮮整株水葫蘆相當(dāng)。3個批次擠壓渣發(fā)酵運行中試結(jié)果均表明，在環(huán)境溫度條件下，采用滲濾液回流方式，經(jīng)厭氧發(fā)酵30 d，其水葫蘆擠壓渣產(chǎn)氣量均可達到產(chǎn)氣潛力的75％左右，最高容積產(chǎn)氣量達0.6 m3/m3/d，平均容積產(chǎn)氣率為0.25 m3/m3/d。
　　 7.采用生命周期法對水葫蘆厭氧發(fā)酵能源化利用評價結(jié)果為：全球變暖、環(huán)境酸化、富營養(yǎng)化影響指數(shù)分別為2.1×10-3、4.89×10-2和1.98×

12、10-1；與能源作物發(fā)電及傳統(tǒng)火力發(fā)電相比較，水葫蘆厭氧發(fā)酵能源化利用方式中CO2、SOx、NOx等污染物排放量均較低，對環(huán)境的負面影響最小，但水葫蘆能源利用的生命周期效率僅為0.09，低于能源作物熱電聯(lián)用的技術(shù)途徑(0.119)。水葫蘆厭氧發(fā)酵能源化利用中，石化能源消耗、堆肥及沼液沼渣施用過程中氨揮發(fā)損失，是影響水葫蘆能源轉(zhuǎn)化效率與環(huán)境影響指數(shù)的重要因素。
　　 以上研究表明，將水葫蘆作為厭氧發(fā)酵底物，制取生物質(zhì)能，采用水葫蘆