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麦秸是重要的农业废弃物资源之一,可以通过厌氧消化的方法把其转化成可再生清洁能源-沼气。但是,麦秸的木质纤维素含量较高,生物降解性较差,导致厌氧消化效率低、消化时间长。预处理可提高其可生物降解性能,是解决该问题的有效方法。然而,目前的预处理方法大多是单一的物理、化学或者生物处理,预处理效果有限。此外,通过对强化厌氧消化过程也可以进一步提高物质的转化效率。基于此,本研究提出通过超声波强化KOH的方法,对麦秸进行物理与化学复合预处理,以提高麦秸厌氧消化性能。同时,研究厌氧消化过程中超声处理,以期可以进一步提高麦秸厌氧转化效率。为此,本研究分为三个阶段,开展试验研究,获得了如下结论。(1)对KOH/超声波(US)强化预处理方法进行了研究,并通过批式厌氧消化试验对其消化性能进行了分析。KOH投加量分别为2%、4%和6%,超声波频率为20kHz,处理温度20℃,处理时间36小时。未预处理和预处理后的麦秸在批式反应器中进行厌氧消化,消化温度35℃,负荷率50gTSL-1。试验结果显示,US强化的KOH复合预处理可以明显提高沼气产量和物质转化率。4%和6%的KOH/超声波预处理麦秸的处理效果最高,木质纤维素含量去除率分别为22.38%和27.51%,总VFA含量分别为3011.71±17.99和3188.51±10.42 mgL-1。此外,通过扫描电镜对预处理前后麦秸的微观物理结构进行了分析,结果显示KOH和US复合预处理可以有效破坏麦秸的微观物理结构形态,增加微生物的可及度,有利于促进麦秸生物降解性的改善。其中,4%KOH与US复合预处理麦秸的沼气和甲烷产量分别为555.49±6.96和282±6.90(mLg-1VSloaded),与未预处理相比,沼气产量和甲烷产量分别提高了 34.92%和46.88%。4%KOH处理组的生物可降解性最高,为68.5%。采用修正的Gompertz模型,对原料的甲烷产力进行了计算,结果表明模拟计算结果和试验数据基本一致。(2)对KOH/US复合预处理后的麦秸进行了超声波强化的厌氧消化性能研究。以通过(1)中确定的4%KOHUpt复合预处理后的麦秸为原料,分别在无超声波、有超声波强化的批式反应器中进行厌氧消化试验,以确定超声波强化是否可以改善厌氧消化过程、提高产气量能和物质转化效率。采用批式厌氧消化反应器,消化温度35℃,负荷率50gTSL-1,消化时间50d,超声波频率为20kHz,超声波处理10min/d。试验结果表明,在厌氧消化过程中实施超声波强化,可以有效提高沼气和甲烷产量。施加超声波强化的厌氧消化麦秸的沼气和甲烷产量分别为569.89±0.79和305.58±0.85 mL g-1 VSloaded。与未预处理的相比,沼气和甲烷产量分别提高32.86%和63%。经过50天的厌氧消化,4%KOH-ADUas的可生物降解性为76.15%,TS和VS去除率增加到64.10和76.08%。同时,在厌氧消化过程中超声强化时间和预处理的超声强化时间分别为8.33和36小时,施加超声可减少76.9%的消化时间。采用模型对原料的甲烷产力进行了计算,结果表明模拟计算结果和试验数据基本一致。(3)基于(1)和(2)的研究,开展了不同温度组合下麦秸两相厌氧消化试验研究。以原麦秸和4%KOH/US预处理麦秸为原料,采用不同温度组合(55℃+35℃、35℃+55℃),研究了施加和不施加超声波情况下麦秸的厌氧消化性能。共设计了 10种组合方式。结果表明,不同预处理和厌氧消化参数组合条件下,麦秸的厌氧消化性能有所不同。其中,厌氧消化过程施加超声波的实验组AR1(TPAD55-35)获得了最高的沼气和甲烷产量,分别为568.04±0.72和282.61±0.83 mLg-1VSloaded,比未处理组AR5提高了 31.59和50.91%。其pH、碱度和总氨等稳定性指标也很稳定。同时,AR1处理组的可生物降解性为74.63%,其证明TPAD55-35实验组对麦秸降解的积极影响。(4)上述研究结果表明,超声波强化的KOH预处理和厌氧消化都可以有效提高麦秸厌氧消化转化率,因而是一种有效提高麦秸产气能力的方法。