醋渣废弃物的高效厌氧消化研究

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醋渣是工业制醋的主要副产物之一,由于我国制醋行业高度发达,伴随产生的醋渣数量也十分巨大,随着我国人口数量的不断增长,对食醋的需求也越来越大,因此每年有超过300万t的醋渣产生。醋渣是由稻壳、麸皮等富含木质纤维素的原料组成,由于其具有一定的酸性和腐蚀性,若处置不当会对环境造成严重的破坏。而现存的主要方法如填埋和焚烧不仅会对环境造成.定程度的二次污染,也是一种对资源的浪费。厌氧消化技术在快速稳定的降解醋渣的同时,还能够产生沼气等清洁能源。目前国内外关于醋渣厌氧消化产甲烷的研究较少,存在一定的空白。因此,为了能够有效地处理数量巨大地醋渣废弃物,同时将其作为一种资源进行利用,本课题对醋渣开展了一系列的高效厌氧消化处理研究。首先,通过使用响应面法中的中心复合设计来优化醋渣厌氧消化的基础条件,并探究原料与接种物比(F/I)、有机负荷以及初始pH值之间的协同关系。结果表明,最适合醋渣厌氧消化的条件为F/I比为0.5、有机负荷为31.49gVSL-1以及初始pH值为7.29,其对应获得的累计单位甲烷产量为 203.91 mLgVS-1,Bd为46.99%。除此之外,在F/I比和有机负荷之间发现了明显的协同作用,这为高F/I比(超过1.5)和有机负荷(超过40 gVS L-1)的使用提供了可能性。其次,在获得了醋渣厌氧消化的最佳基础条件后,通过使用多种不同的预处理方法来进一步提高其厌氧消化产甲烷效率,并全面比较各种预处理方法的优劣,找出最适合的预处理方法及条件。结果表明,碱预处理的去木质素作用最强,而酸预处理的去半纤维素作用更强。醋渣纤维素晶型呈Ⅰ型向Ⅱ型的过渡态,所有预处理都只起到溶胀纤维素的作用,但碱预处理溶胀作用更强,能够促进其再生重回纤维素Ⅰ型结构。碱预处理对醋渣发酵效率的提升最为明显,尤其是在3%氢氧化钠、5%氢氧化钾和4%碱性过氧化氢预处理条件下获得了 308.79、289.86以及294.32 mL gVS-1的累计单位甲烷产量,与未处理醋渣的194.04 mL gVS-1相比均获得了极显著性的提高。而4%的碱性过氧化氢也由于污染小和成本低等因素被确定为最佳预处理条件。另外,通过调节发酵体系的总固体含量(TS),探究比较了醋渣液态发酵和固态发酵产甲烷表现及其区别。结果表明,液态发酵在TS为10%的条件下获得了最大累计单位甲烷产量为194.82 mLgVS-1,但累计容积甲烷产量较低。而固态发酵在TS为20%条件下不仅获得了最高的累计容积甲烷产量,为23.53 LmethaneLwork volume-1,而且还获得仅略低于10%条件的累计单位甲烷产量为174.32 mLgVS-1。更重要的是,这一条件仅需16天时间就能获得最高产气的80%,因此可极大缩短发酵时间。最后,通过使用碱与微波的联合预处理来进一步提高醋渣固态发酵的产甲烷效率。结果表明,联合预处理能够进一步破坏木质纤维素结构,使更多的可降解部分暴露出来,其去木质素作用更强,但易受阻碍,对纤维素的溶胀作用也更强,能够进一步促进纤维素的再生重回Ⅰ型结构。氢氧化钠和氢氧化钾单独预处理效果不佳,不适用于固态发酵,但联合预处理能够弥补这一抑制情况,并降低系统的总氨氮含量,从而使系统朝着更利于产甲烷的方向发展。本研究对醋渣的资源化应用奠定了宝贵的理论基础,对未来能对醋渣这种废弃物真正工业化应用提供了有价值的参考。
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