發(fā)布時間：2020-11-18 06:16

　　 中國2017年小麥秸稈產量達到15717.078萬噸,占當年秸稈資源量的23%。由于小麥秸稈木質纖維素緊密排列的網(wǎng)格狀骨架結構、纖維素的高度結晶結構、表面的蠟質結構等原因,導致秸稈在厭氧消化中微生物分解能力差、轉化效率低、發(fā)酵周期長、產氣率低下,甚至造成厭氧消化過程的停滯。為此,本文通過水熱預處理技術,探索不同水熱條件對小麥秸稈的物料特性和厭氧消化產氣特性的影響,研究改性生物炭介導的富碳小麥秸稈厭氧消化提質增效特性和優(yōu)化工藝。主要研究內容和結果如下:(1)小麥秸稈水熱預處理產物特性試驗研究。通過水熱預處理,小麥秸稈表面出現(xiàn)裂痕、孔洞,其致密骨架結構受到破壞,生物質表面的孔隙度增加;隨著水熱預處理溫度在150℃~225℃之間的不斷升高,以及保溫時間在5 min~60 min之間的延長,小麥秸稈半纖維的降解率達到27.69%~99.07%,纖維素的降解率最大達到80.24%;有機酸的種類隨著溫度的升高以及預處理時間的延長,呈現(xiàn)出增多的趨勢,酸性物質以乙酸為主,最高得率達到1250.71 mg/L;預處理液中還原糖含量與預處理時間和溫度分別呈正相關關系,當溫度大于175℃時,較長預處理時間下,液相中的還原糖含量處于較低水平,同時還原糖含量與木質纖維素的降解率也不是單純的正相關關系,說明在水熱處理過程中,木質纖維素除分解為低聚糖之外,還有其他化合物生成。在175℃保溫30 min水熱預處理條件下,苯酚等抑制物出現(xiàn)。隨著預處理條件的劇烈程度增加,抑制物種類增多和含量上升;200℃條件下開始檢測到5-羥甲基糠醛,最高含量達到35.6%。(2)水熱預處理小麥秸稈產甲烷特性試驗研究。小麥秸稈通過水熱預處理,縮短了厭氧消化周期,提高了產氣率。在水熱溫度175℃、處理時間30 min的優(yōu)化條件下,最高單位基質甲烷產率(202.81 mLCH_4/gVS)比對照組(124.51 mLCH_4/gVS)提高了62.9%;通過對預處理后小麥秸稈進行生物降解率計算,發(fā)現(xiàn):30 min條件下的處理均有較好的生物可降解性;通過對各處理組進行甲烷產量的動力學分析,證實了水解過程是小麥秸稈厭氧消化過程的限速階段,且水熱預處理打破了水解階段對小麥秸稈厭氧消化的限制;通過Modified Gompertz模型分析,證實225℃預處理條件下,小麥秸稈厭氧消化產甲烷受到嚴重抑制,不適合作為小麥秸稈水熱預處理條件。(3)改性生物炭介導水熱預處理小麥秸稈厭氧消化工藝優(yōu)化。通過水熱預處理溫度(A)、水熱預處理時間(B)、NaOH生物炭改性劑濃度(C)三個因素五水平二次旋轉中心組合試驗,得到甲烷產量回歸模型:Y=832.47-43.21 A+5.00 B+9.14 C-65.84AB+32.76 AC-35.46 BC-187.23 A~2-80.74 B~2-91.36 C~2。通過對模型顯著性檢驗,其相關系數(shù)R~2=0.9831,p0.0001,表明模型擬合效果較好,能夠用于描述小麥秸稈水熱預處理后甲烷產量隨水熱預處理溫度、水熱預處理時間、生物炭改性劑濃度三因素的變化規(guī)律。通過模型參數(shù)尋優(yōu),得到改性生物炭介導的水熱預處理小麥秸稈的厭氧消化最佳工藝參數(shù)為:預處理溫度為173℃,保溫31.0 min,添加2.01 mol/L氫氧化鈉濃度改性過的生物炭,可獲得最大累積甲烷產量278.5 mL/gVS。
【學位單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：S216.4
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 導論
    1.1 選題背景
    1.2 秸稈類原料厭氧消化預處理研究現(xiàn)狀
        1.2.1 物理預處理技術
        1.2.2 化學預處理技術
        1.2.3 生物預處理技術
        1.2.4 聯(lián)合預處理技術
        1.2.5 水熱預處理技術
    1.3 生物炭介導厭氧消化研究現(xiàn)狀
    1.4 選題目的與意義
        1.4.1 選題目的
        1.4.2 選題意義
    1.5 研究內容及技術路線
        1.5.1 研究內容
        1.5.2 技術路線
第二章 小麥秸稈水熱預處理產物特性試驗研究
    2.1 材料與方法
        2.1.1 試驗裝置
        2.1.2 試驗材料與預處理方法
        2.1.3 試驗指標檢測方法
        2.1.4 試驗所需試劑
    2.2 結果與分析
        2.2.1 不同水熱預處理條件小麥秸稈結構組成的變化
        2.2.2 不同水熱預處理條件下液相產物中有機組分變化
    2.3 小結
第三章 水熱預處理小麥秸稈產甲烷特性試驗研究
    3.1 材料與方法
        3.1.1 材料和微生物菌種
        3.1.2 水熱預處理小麥秸稈厭氧消化產甲烷特性試驗
        3.1.3 厭氧消化底物理論產甲烷量及生物降解性
        3.1.4 厭氧消化產甲烷動力學分析
        3.1.5 檢測分析方法
    3.2 結果與分析
        3.2.1 水熱預處理小麥秸稈產氣特性
        3.2.2 厭氧消化過程中料液CODs與 pH變化特征
        3.2.3 水熱預處理小麥秸稈厭氧消化產甲烷潛力評價
        3.2.4 水熱預處理小麥秸稈厭氧消化產甲烷動力學分析
    3.3 小結
第四章 改性生物炭介導水熱處理麥秸厭氧消化工藝優(yōu)化
    4.1 材料與方法
        4.1.1 材料與微生物菌種
        4.1.2 改性生物炭的制備與選擇
        4.1.3 試驗設計
        4.1.4 試驗實施與檢測分析方法
    4.2 結果與分析
        4.2.1 回歸分析及顯著性檢驗
        4.2.2 單因素效應分析
        4.2.3 各因素的交互作用對小麥秸稈厭氧消化的響應面分析
        4.2.4 模型的驗證
    4.3 小結
第五章 結論與展望
    5.1 結論
    5.2 創(chuàng)新點
    5.3 展望
參考文獻
致謝
個人簡介

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本文編號：2888408