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我国秸秆资源丰富,但胡乱丢弃、无控焚烧、直接还田和加工粗饲料等传统的处理方式存在着“三低一重”的缺点,即秸秆利用率低、转化率低、经济效益低、环境污染严重。本文利用水稻秸秆结合活性污泥通过厌氧发酵生产小分子有机酸,为秸秆的资源化利用开辟了一条新的途径,也为有机酸的制备探索了一种新的方法。
本文利用废弃的水稻秸秆结合活性污泥进行厌氧发酵生产有机酸。通过对白腐菌预处理法、稀硫酸预处理法、NaOH预处理法、堆肥预处理法等四种方法预处理秸秆以后纤维素、半纤维素和木质素降解情况的考察,得出稀硫酸预处理法为较佳预处理法,半纤维素降解率为46.2%,纤维素降解率为43.8%,木质素降解率为50.0%。同时对污泥也进行了必要的预处理,得到高温蒸煮预处理方法为污泥的较佳预处理方法。
其次,对预处理后的秸秆和污泥混合间歇厌氧发酵产酸的条件进行的优化,得到较佳的发酵产酸条件为温度37℃、pH6.0、接种率1:3,氮源10.0g/L玉米浆,在此条件下间歇产酸量最大,可达30.5g/L,产酸率为1.2g/(g·TS),发酵液中主要成分是乙酸和丁酸。在自制半连续厌氧发酵反应器中,温度为37℃、起始pH控制为6.0、污泥(湿重)为30g/L,秸秆(预处理前)为90g/L,氮源为10g/L玉米浆的条件下,进行了两种操作方式,通过从反应器顶部连续流加浓度为5.0g/L的NaHCO3水溶液的反式虽然操作简单,能够连续产酸,但是得到的发酵液中有机酸的含量比较低不利于后期的发酵液中有机酸的分离提取。而通过定时挤出反应器中的发酵液经过补充少量培养液进行发酵液回流的操作方式得到的产酸浓度较高,在挤出间隔时间为36h时,高能达到108.5g/L,产酸总量达到108.5g,有机酸组成主要是乙酸和丁酸,分别占到了32.2%和57.6%,发酵类型呈典型的丁酸型发酵。
最后,将收集到的发酵液进行简单的过滤后通过萃取分离其中的有机酸,实验中考察了萃取过程中萃取剂种类、萃取剂用量以及盐效应对萃取效果的影响,结果表明采用乙酸乙酯作为最适萃取剂。当乙酸乙酯和水相的体积比为1:1时一次萃取效率可达到71.3%。经过11次萃取,有机相重的有机酸浓度达到231.5g/L,水溶液中盐析剂的存在有利于有机酸的萃取,其中盐析效应Na2SO4>NaCl>NaNO3。