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干发酵生物转化技术可以将低能量密度固体玉米秸秆转化为沼气,同时相对于湿发酵,具有用水量小、增温保温成本低和产生沼液少等优点。发酵后的沼渣中含有大量未被利用的半纤维素和纤维素,沼渣经有效的预处理后进行二次发酵可以最大限度利用生物质资源的产气潜力。本研究以玉米秸秆为原料,通过热化学预处理技术提高玉米秸秆的降解能力,并开展干发酵产沼气特性及沼渣二次发酵的研究。主要研究内容如下:(1)利用鼓泡流化床热解反应器,在150℃,170℃,190℃,210℃四个温度水平和载气流量为3m3/h下,对玉米秸秆进行热化学预处理。利用扫描式电子显微镜、粗纤维测定仪和X射线衍射仪等方法对秸秆进行了物化特性分析,结果表明热化学预处理能够破坏玉米秸秆的束状纤维结构,降低半纤维素和木质素的含量,使结晶度升高。其中190℃处理组半纤维素、纤维素和木质素的去除率分别为15.74%、9.37%和17.17%。总固体(TS)浓度为20%的干发酵试验研究结果表明,190℃预处理组产气效果最好,其累积产气量在30天内较对照组提高16.30%,且其发酵启动速率最快。(2)开展了TS浓度为20%、25%和30%的干发酵试验,结果表明玉米秸秆在20%和25%的条件下,各发酵体系均启动正常并发酵稳定,而30%发酵组由于基质中含水量过少而导致发酵失败。20%的发酵组在累积甲烷产率方面表现最好,比25%发酵组提高了5.89%-26.39%。同时,各浓度下的190℃处理组产气效果最好,累积甲烷产率较对照组分别提高了14.68%和36.88%。综合比较,20%发酵组的190℃预处理为最佳发酵条件,以该组作为研究对象,每6天从发酵装置中取一次样,直至42天发酵试验结束,取出的样品用于分析干发酵过程中各特性参数的动态变化规律。结果表明,在干发酵过程中,pH,COD,组分含量,结晶度和表面结构的动态变化具有协同关系,这为微生物提供了一个稳定的、适合发酵的环境。(3)开展了0.025 mol/L Fe2(SO4)3催化乙二酸预处理玉米秸秆试验,乙二酸质量分数分别为1%(w/w),3%(w/w),5%(w/w)和7%(w/w)。结果表明,Fe3+催化的乙二酸能够有效降解玉米秸秆中的木质素达7.57%。各组的甲烷产率分别为200.31,222.92,272.35,249.91,206.14 L/kg VS,其中最高甲烷产率组为3%处理组,较对照组提高了35.96%,而酸浓度过高时会因酸抑制和有机质损耗过高导致甲烷产率反而降低。(4)利用0.025 mol/L Fe2(SO4)3催化3%的乙二酸溶液预处理干发酵后的沼渣,进行了TS浓度为20%的二次发酵50天试验。结果表明,二次发酵过程中日产气量稳定,累积甲烷产量为4826.08mL,TS产气率为158.75L/kg TS,且沼气中甲烷含量大于45%,表明二次发酵是最大限度利用沼渣产气潜力的一种有效方式。