关键词:
秸秆
低温碱尿液预处理
生物制氢烷
机制分析
碳减排评估
摘要:
利用微生物技术将秸秆类废弃物转化成生物燃料对解决目前所面临的能源危机及环境污染问题具有重要意义。秸秆在常规生物发酵过程中存在难降解、目标产物产率低和能量回收效率低的问题。针对上述关键问题,利用城市生活废液(尿液)和氢氧化钠配置的碱尿液溶液在低温条件下对水稻秸秆进行预处理,全面研究其强化秸秆生物产氢烷性能。接着探究了预处理过程对秸秆能源转化效率的提升及强化机理解析。最后结合模型预测对我国秸秆生物制氢潜力及其对能源和碳减排贡献进行系统评估,为秸秆生物制氢烷过程的优化和应用提供技术支撑和理论依据。主要结果如下:(1)低温碱尿液预处理水稻秸秆强化其产氢烷性能研究表明,当3%的NHU溶液在20:100的固液比及90天预处理时间的条件下对秸秆中的木质素去除率达到59.84%,使93.87%的纤维素和77.94%的半纤维素保留下来,获得氢气产率为174.25 m L/g底物,比未处理秸秆组提升了96.11%。进一步进行产氢烷研究,NHU预处理组的总氢烷产率为824.69 m L/g TS,其中包括184.48 m L/g底物的产氢率和640.21 m L/g TS的产甲烷率,相较于未处理组提升了104.91%,产甲烷效率提升了25.88%,总产氢烷效率提升了37.77%。能量转换效率提升10.64%。(2)通过综合检测手段对NHU预处理强化水稻秸秆产氢烷的作用机制进行解析得到NHU预处理能够严重破坏水稻秸秆的宏观和微观结构,木质素被大量的去除,且使秸秆内部结构膨松,利于微生物的利用。通过碱、尿液作用分析可知低温条件能够促进NHU溶液中的OH离子水合物对纤维素的润胀作用,破坏秸秆中的氢键网络。而HU中的尿素则能够在水中形成尿素水合物对断裂的纤维素分子产生包裹作用,防止断裂的氢键再次自聚集,从而提升了OH对秸秆的预处理效果。(3)由模型评估和预测可知,2019年我国可用于生物制氢的秸秆资源为4.70×10吨/年,可生产3.01×10 m/年的生物氢气,相当于天然气和煤炭消耗量的11.48%和1.95%,可减少9.43×10吨CO排放当量/年,相当于一年碳排放量的0.73%。在应用NHU预处理技术后,秸秆生物制氢的碳减排贡献将达到1.43%,秸秆生物甲烷的碳减排贡献为2.52%。以上结果为探究经济有效的秸秆生物能源转化预处理技术和技术路线提供了理论数据支撑。