评估厌氧消化与水热碳化耦合工艺在生物能源生产中的应用

任何厌氧消化过程都包含四个降解步骤。首先，多糖被水解为单体。这些单体通过产酸作用转化为短链脂肪酸、乳酸和醇类。

在酮生成过程中，Agenesis的产物被转化为特定形式。最后一步是产甲烷作用，其中产甲烷微生物利用乙酰辅酶A的产物生成甲烷。

传统的固体生物质厌氧消化过程耗时且耗能。然而，一种新型的上流式好氧固态反应器有望克服这些缺点。此类反应器的显著优势在于能够实现自发的固液分离。

此外，液体循环可以消除昂贵的转向。水热碳化是一种热化学处理过程，其中将废弃的生物质在水饱和压力下加热至200至260摄氏度，持续4.5至6小时。在此条件下，亚临界水具有很高的反应活性。因此，半纤维素及其他提取物在约180至200摄氏度时发生降解，而纤维素在约220至230摄氏度时发生反应，木质素则残留在HTC生物炭中。

水热炭化（HTC）的固体产物易燃、疏水且稳定，其热值特性与褐煤相似。本研究的目的是将这两种生物能源生产过程结合起来。

在本视频中，我们将展示一种新型UASS反应器用于沼气生产的原理与操作。随后，我们还将展示对消化后产物进行水热碳化以制备生物炭的过程，用于好氧消化。所使用的UASS反应器容积为39升，颗粒尺寸为5至65毫米。

投喂原麦秸秆碎料。原料的有机干物质含量为85.9%，粗纤维组分为46.3%。UASS反应器由不锈钢制成，配有亚克力玻璃观察窗。每个39升的UASS反应器均与一个30升的厌氧滤池相连。

每个厌氧滤池中装填了325个聚乙烯生物膜载体。该生物膜载体的比表面积为305平方米/立方米。在中温与高温条件下均使用Dolf泵驱动5 2 0 1。对于工艺液体，加热装置设定在所需的反应器温度水平，用于UASS反应器的日常进料。

称取120克木屑。打开UASS进料管，移除残渣。将木屑填入对角进料管中，并推入反应器底部。

天花板表面已密封以确保气密性，进料管已关闭。泵持续运行，将每小时1.2升的工艺泄漏气输送通过反应器系统。使用工业沼气分析仪定期检测沼气成分。

每周取出约三千克的消化产物。对工艺样品、液体和消化产物的化学性质进行每周一次的分析。HTC 实验采用一套分级反应器，其规格为 18 升 4 5 5 5 系列，并配备一个 4 8 4 8 型控制器。

本研究使用了 Spec view 3 2 8 4 9 软件包。称量了消化后的秸秆。使用同一台天平称量了 10 千克的水。

在NU医疗密封之前，将消化物和水均注入反应容器中。通过人工搅拌反应器内容物，以防止搅拌桨堵塞。反应器通过横向装置关闭并固定。

用50牛顿米的力矩拧紧螺栓。本实验设置了特定的反应条件：温度设定为230摄氏度，以每分钟2摄氏度的加热速率升温，并在该温度下保持六小时。

冷却阶段结束后，关闭开关，气体被收集到一个20升的气体袋中。通过高温高压球阀排出污泥，收集液体并进行过滤。

制备的生物炭被撕碎。将湿润的生物炭放入105摄氏度的烘箱中。本研究使用了Vari EL三元素分析仪。

在样品坩埚中称取30毫克三氧化钨。将5至10毫克干燥样品放入样品坩埚中，混合并包好。

将样品盘放入vari EL自动进样器中。启动分析，数据存储于计算机中。嗜热条件下的最大甲烷产量为270.4升/千克，中温条件下的最大甲烷产量为216.9升/千克。

沼气中含有41%至61%的甲烷，其余成分为二氧化碳。干燥的消化产物外观类似于干燥的稻草，只是颜色略深一些。HTC生物炭中的纤维结构已被破坏。

由于缺乏纤维结构，水热炭化生物炭变得易碎，几乎无需施加压力即可将其粉碎。水热炭化生物炭具有很强的疏水性。

它可以长时间与水接触。如果将一千克原始秸秆进行水热碳化，所得的HTC生物炭具有11兆焦耳的能量潜力。但通过组合工艺，总共可获得12.1兆焦耳的生物能源。

厌氧消化的能量产率为20%至25%，而与水热炭化（HTC）结合后，能量产率可高达70%。