论文部分内容阅读
在目前环境污染状况难以得到有效控制，以及能源供需矛盾不断加剧的状况下，生物质能的开发利用以其环保性和可再生性受到了前所未有的重视。要使生物质能在改善我国能源消费结构中发挥重要的作用，需解决好两方面的问题，其一是资源问题，即如何在现有可利用资源的基础上，在不与粮争地的原则下开发新的生物质资源;其二是如何开发适合商业化推广利用的技术问题。针对这两个问题，本文提出了将我国沿海滩涂的一种生物质资源——互花米草通过厌氧发酵的方式转化为清洁能源的研究课题。
目前我国每年生产的互花米草的量可达300万t左右，是一个丰富的生物质资源库，通过合理的技术途径将其转化为高品位能源对生物质能的发展具有重要的意义。与生物质热裂解、致密成型等生物质能的其它转化技术相比，厌氧生物转化技术的优势在于它具备商业化推广利用的工程和设备基础。然而，要通过厌氧发酵途径将互花米草转化为生物气，还存在一个需要破解的疑问和一个亟待突破的技术瓶颈。该疑问是互花米草的厌氧发酵特性如何，是否具备厌氧生物转化的基础;技术瓶颈是互花米草的木质纤维结构对其厌氧生物转化过程的抑制。因为研究表明，在化学组成方面，互花米草与农作物秸秆等其它木质纤维原料具有相似性，主要由纤维素、半纤维素和木质素三大成分组成，这三种成分组成的复杂结构对其厌氧生物转化的抑制作用是此类原料厌氧生物转化利用面临的一个最为突出的共性问题。
针对以上问题，本文提出了将互花米草与易生物降解原料土豆进行混合厌氧发酵来促进互花米草厌氧生物转的研究思路。围绕这一思路，开展了以下4个方面的研究。
(1)互花米草和土豆厌氧发酵特性对比研究。采用批量发酵的方式在中温(35℃)条件下开展了互花米草和土豆厌氧发酵试验。试验结果表明:互花米草具备厌氧生物转化的基本条件，但其厌氧生物转化率较低，仅为45％，而且其高Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量特性是其发酵过程中面临的潜在抑制因素。互花米草和土豆在产酸发酵特性，化学成分组成，以及发酵过程的稳定性方面存在较强的互补性。
(2)互花米草和土豆混合厌氧发酵特性试验研究。分别在中温和高温(55℃)条件下对这两类原料的混合厌氧发酵特性进行了试验。试验结果表明:在中温条件下混合厌氧发酵最高将互花米草的厌氧生物转化率提高到了56％，而高温发酵条件下则不产生促进作用。通过产酸发酵类型变化的研究发现，中温条件下，添加土豆可以使互花米草的产酸发酵类型由丙酸型发酵向丁酸型发酵转变，而高温条件下，无论是互花米草单独发酵还是与土豆混合发酵，其产酸发酵类型均为丁酸型发酵。这应是产生上述差异的主要原因。
(3)混合厌氧发酵对互花米草结构影响研究。通过SEM观察，IR和XRD分析对互花米草结构进行的研究表明:中温条件下，土豆促进了互花米草所含碳水化合物，尤其是半纤维素的降解，这是导致互花米草厌氧转化率提高的一个根本原因。高温发酵虽然更有利于破坏互花米草的木质纤维结构，但高浓度VFA所产生的抑制作用抵消了由此产生的积极效应。
(4)两相混合厌氧发酵工艺试验。中温条件下的实验结果表明:两相发酵工艺可有效解决混合发酵厌氧发酵过程所遇到的VFA抑制问题，而且将两相发酵工艺和单相发酵工艺结合应用是条可行的工艺路线。