【摘要】：高含水率生物質廢棄物對環(huán)境造成了日益嚴重的污染,通過微生物厭氧發(fā)酵制取氫氣和甲烷是極具潛力的生物質能源化利用方式。本文探究了生物質中蛋白質降解的典型氨基酸發(fā)酵產氫的競爭反應途徑,采用水熱降解微藻巨藻和餐廚垃圾,混合調控碳氮比維持氫菌代謝平衡,顯著促進了生物質厭氧發(fā)酵聯(lián)產氫氣和甲烷。研究了生物質中蛋白質降解的典型氨基酸發(fā)酵產氫機理,明晰了氨基酸在暗發(fā)酵產氫過程中的競爭反應途徑。氨基酸經暗發(fā)酵降解轉化為大量的液相可溶性代謝產物,其中丙氨酸和絲氨酸的碳元素轉化率分別達到85.3%和94.1%。丙氨酸和絲氨酸經暗光耦合發(fā)酵的氫氣產率分別提高到418.6 mL/g和270.2 mL/g,能量轉化效率分別達到25.1%和21.2%。調控培養(yǎng)節(jié)旋藻生物質成分并通過水熱降解促進了發(fā)酵聯(lián)產氫氣和甲烷。采用煙氣15%CO2曝氣造成的相對氮缺乏,以及高鹽度引起的滲透壓升高促進了細胞內碳水化合物的積累。微觀表征顯示節(jié)旋藻經蒸汽水熱稀酸處理后的細胞一節(jié)一節(jié)分離破碎,釋放出碳水化合物在水熱稀酸作用下降解成小分子還原糖。節(jié)旋藻生物質暗光耦合發(fā)酵的氫氣產率達到429 mL/gVS,聯(lián)產甲烷后的整體能量產率提高到10.51 kJ/gVS。研究了水熱、水熱稀酸以及酶水解等多種處理方式對典型巨藻生物質降解以及后續(xù)發(fā)酵聯(lián)產氫氣和甲烷的影響規(guī)律。巨藻在水熱條件下解聚產生許多孔洞和小碎片,不易降解的成分則僅剩絲狀骨架。稀硫酸催化了水熱解聚后生物質的進一步降解轉化,總碳水化合單體含量比未處理巨藻提高了 2.48倍,暗發(fā)酵氫氣產率提高了 60.8%,而5-羥甲基糠醛等副產物則抑制了發(fā)酵過程,降低了產氫尾液聯(lián)產甲烷效果。單純水熱處理促進巨藻生物質解聚提高發(fā)酵聯(lián)產氫氣和甲烷的效果最佳,整體能量轉化效率達到了 66.0%。將富含蛋白質的微藻與富含碳水化合物的巨藻混合,調控生物質原料的碳元素和氮元素質量比為20:1,促進暗發(fā)酵階段的生物質降解,使氫氣產率提高了 21.6～27.1%,通過聯(lián)產甲烷使混合藻類生物質的整體能量轉化效率提高到57.1～76.6%。長達32周的連續(xù)流實驗表明:在總水力停留時間較短(16 d)條件下,當H2反應器有機負荷為6.0 gVS/L/d時混合藻類生物質得到有效降解,平均氫氣產率達到55.3 mL/gVS;對應CH4反應器的有機負荷為2.0 gVS/L/d,聯(lián)產甲烷產率為245.0 mL/gVS,微藻和巨藻的混合生物質整體能量產率達到9.4 kJ/gVS�；旌显孱惿镔|兩步法連續(xù)流聯(lián)產氫氣和甲烷系統(tǒng)在能量轉化和發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性方面均顯著優(yōu)于一步法單產甲烷系統(tǒng)。采用水熱降解餐廚垃圾促進厭氧發(fā)酵聯(lián)產氫氣和甲烷。研究了餐廚垃圾降解產物隨水熱條件變化的演變規(guī)律,蛋白質隨水熱溫度升高而逐漸降解為溶解性的小分子蛋白、多肽和氨基酸;溶解性糖含量隨水熱溫度升高先增加在140℃C達到峰值,然后由于小分子糖繼續(xù)降解以及糖與氨基酸之間的美拉德反應而逐漸降低。餐廚垃圾水熱降解后發(fā)酵聯(lián)產氫氣和甲烷的產率分別達到43.0mL/gVS和511.6mL/gVS,整體能量轉化效率達到78.6%,比未經水熱降解的餐廚垃圾能量轉化效率大幅提高了 31.7%。分析了餐廚垃圾和污水污泥的微觀理化特性及其混合發(fā)酵對聯(lián)產氫氣和甲烷的影響。將富含碳水化合物和油脂成分的餐廚垃圾與富含蛋白質和礦物質的污水污泥混合調控碳氮比,通過強化厭氧菌群與原料之間的有效接觸促進了有機質降解,使餐廚垃圾和污水污泥混合發(fā)酵的氫氣產率比其單獨發(fā)酵的加權平均值提高了 49.9%。餐廚垃圾和污水污泥混合發(fā)酵聯(lián)產氫氣和甲烷的整體能量產率提高到11.3 kJ/gVS。通過長達21周的餐廚垃圾連續(xù)流發(fā)酵實驗,發(fā)現(xiàn)聯(lián)產氫氣和甲烷可有效縮短水力停留時間,在高負荷下比單產甲烷具有更強的緩沖能力和穩(wěn)定性。以水熱降解后的餐廚垃圾作為發(fā)酵原料,在總水力停留時間縮短至18天后,聯(lián)產甲烷產率仍保持在400mL/gVS以上未受抑制,在能量轉化和發(fā)酵過程穩(wěn)定性兩方面均顯著優(yōu)于未處理餐廚垃圾。設計了餐廚垃圾480m3發(fā)酵罐產氫酸化系統(tǒng)的示范工程改造技術方案:通過建立產氫酸化系統(tǒng),促進餐廚垃圾降解,提高后續(xù)聯(lián)產甲烷效果,將產甲烷的水力停留時間從30天縮短到20天;將富含厭氧菌群且呈弱堿性的產甲烷沼液回流到產氫酸化罐中,補充產氫菌群并維持pH值在5.5,避免產氫抑制。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ116.2;TQ221.11;TQ929
【圖文】：

能源年消費量（３０．５億噸石油當量）占全球總消費量的２３．０％，年增長量更是占逡逑據了全球凈增長的２７．５％，中國仍然是世界上最大的能源消費國⑴。２０１６年全球逡逑和中國的能源消費結構對比如圖１．１所示。在我國能源結構中，傳統(tǒng)化石燃料占逡逑比達到了邋８７．０％，單單煤炭就占據了邋６１．８％，而包括風能、地熱、太陽能、生物逡逑質能等在內的可再生能源則僅占比２．８％，仍低于世界平均的３．２％［１］。對傳統(tǒng)化逡逑石燃料的過度依賴以及我國“富煤、貧油、少氣”的能源結構現(xiàn)狀，不但會造成逡逑嚴重的環(huán)境污染問題，還對我國的能源安全和經濟發(fā)展造成了嚴重的威脅。因此，逡逑《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要２００６－２０２０年》、《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》逡逑和《國家能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（２０１４－２０２０年）》等重要文件中均明確指出要改逡逑善我國的能源消費結構，大力發(fā)展生物質能和氫能等新能源，力爭到２０２０年可逡逑再生能源占能源消費總量的比例提高到１５邐。逡逑W石油□~T氣■麟逡逑［Ｉ□核能Ｍｌ水電１邐ｉ可再生能源單位：百萬噸石油當量逡逑３２０４．１邋（２４．１３％）邐１８８７．６（６１．８３％）逡逑ｐ９，，４６％）邋ＭｈｉＭＬ逡逑ｌｌ０．３邋（６．８６％）邐（８．６２％）逡逑４４１８．２邋（３３．２８％）邐４１９．６邋（３．１６％）邐５７８．７邋（１８＿９６％）邋８６．１邋（２邋８２％）逡逑圖１．１世界（左）與中國（右）一次能源消費結構對比⑴逡逑生物質能是世界上一種十分重要的可再生能源，在應對能源供需矛盾和保護逡逑生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用

浙江大學博士學位論文邐邐１緒侖逡逑ＣｂＨｎ０６邋—２ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ邋＋邋２Ｃ０２邐（公式邋１．３）逡逑Ｃ６Ｈｕ０６＾２ＣＨ３ＣＨ（０Ｈ）Ｃ００Ｈ邐（公式邋１．４）逡逑

圖２．１邋水熱反應備（ＰａｒｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ４５００）邋［６４］逡逑氣系統(tǒng)逡逑生物發(fā)酵產氣實驗采用了三套實驗系統(tǒng)，包括批序式酵產氣系統(tǒng)和５Ｌ連續(xù)流發(fā)酵產氣系統(tǒng)，具體如下：逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2774867