小麥秸稈的預(yù)處理及高效能源轉(zhuǎn)化利用研究.pdf

1、我國是世界上第一人口大國和農(nóng)業(yè)大國，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。由于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采用分散經(jīng)營模式，絕大部分的秸稈廢棄物沒有得到資源利用，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)有很多研究針對秸稈的預(yù)處理提高其水解或生物降解性能而展開，堿預(yù)處理可以促進木質(zhì)纖維類生物質(zhì)的纖

2、維素潤脹，破壞木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，提高去木質(zhì)作用進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環(huán)境造成很大污染，同時容易產(chǎn)生對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進行預(yù)處理，在提高秸稈水解及生物降解性能的同時解決了預(yù)處理黑液的污染問題，同時對黑液循環(huán)回用預(yù)處理工藝以及與酶組合預(yù)處理進行研究，并通過膜分離提高預(yù)處理黑液的利用潛力

3、，為進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℃)條件下對不同KOH濃度(2％-50％ w/w)的堿液預(yù)處理小麥秸稈進行研究，結(jié)果顯示隨著KOH濃度的提高，黑液中溶解性化學需氧量（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，最高酶水解率達到92.3％，在考慮預(yù)處理過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，當濃度大于20％時，總沼氣和甲烷產(chǎn)率并沒有明顯提高，因此在該條件下20％KOH被認為是較優(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行評價，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，能量凈值所占總能量的比例逐漸提高。
　　對KOH常溫預(yù)處理工藝進行改進，在20％KO

6、H濃度條件下預(yù)處理后對黑液進行pH值調(diào)節(jié)后循環(huán)回用進行下一輪預(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)可達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，黑液中還原糖、COD和鉀離子的濃度也達到一個穩(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)處理過程中的固體損失后黑液回用與新鮮堿液預(yù)處理之間沒有顯著性差異，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)上對堿與酶聯(lián)合預(yù)處理性能進行研究，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)處理后不同有機負荷率（Food to microorganism ratio，F(xiàn)/M）的厭氧消化結(jié)果顯示過高或過低的微生物濃度均會造成系統(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）來綜合評價。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。
　　對預(yù)處理黑液中的鉀離子進行回收研究表明微濾膜對固體截留率可達到74.1％，反滲透膜對鉀離子的截留率可達90.3％，證明了反滲透膜可以有效的回收鉀離子，