生態(tài)修復與生物能源生產全過程研究.pdf

1、資源、人口和環(huán)境壓力是全人類面臨的共同問題，開展科技創(chuàng)新、推動可持續(xù)發(fā)展，成為世界各國的共同目標。本研究提出生態(tài)修復和生物能源產出相結合的戰(zhàn)略思路，研究從重金屬、氮磷污染土地和水體中的植物生長，到能源作物和水生植物營養(yǎng)體生物能源產出的全過程，分析污染脅迫對植物生產力的影響，評價能源作物的生態(tài)修復能力、生物能源潛力、重金屬耐受閾值及應用前景，探索重金屬對厭氧發(fā)酵產甲烷過程的作用機制、影響因素，為進一步開展生態(tài)修復過程管理、提高木質纖維素材

2、料利用率和生物能源產出效率等提供依據(jù)。主要結論如下:
　　(1)生態(tài)修復過程中，植物對環(huán)境污染有一定的耐受性，生產力水平改變，影響后續(xù)生物質再利用。1）鎘(Cd)對植物生長整體上表現(xiàn)出低促高抑的作用。低濃度Cd促進株高和生物量的生產，高濃度Cd在整個生長期內表現(xiàn)出抑制作用;玉米、甜高粱、油菜、小麥和燕麥對Cd耐受閾值分別為30、10、50、10和10 mg/kg;Cd主要富集在植物根部，較高的地上生物量保證了能源作物較高的Cd提取

3、效率。2）水生植物對氮磷污染表現(xiàn)出形態(tài)學響應，吸收能力因物種而不同。香蒲葉片吸收水體中氮元素，降低水體中氮含量，具有較高的葉片氮積累量、較大的葉寬和莖粗;蘆葦莖葉生長對氮磷含量的變化不敏感，葉片氮磷積累量超過莖的氮磷積累量;荷葉對氮磷污染敏感，個體生長指標隨總氮含量增加而減小。3)植物對外界壓力引起的光抑制表現(xiàn)出一定的適應性，不同生長期的植物適應能力差異明顯。植物通過調整葉片生長、葉綠體結構等方法適應光抑制，提前或延后生長階段，改變淀粉

4、含量和生物量;Cd對植物光合作用的抑制在苗期最明顯，凈光合速率NPR與初始Cd濃度基本呈線性關系，苗期之后，植物對Cd污染逐漸適應;蘆葦NPR大于香蒲，且夏秋季節(jié)差異不明顯，荷葉夏秋NPR差異明顯，與水體氮磷存在對應關系;Cd污染提高了花期之前擬南芥植株揮發(fā)性固體(VS，6.33％TS)、纖維素(1.12％TS)和半纖維素(0.99％TS)含量，降低木質素(0.65％TS)的含量，有利于后續(xù)厭氧發(fā)酵的利用;新鮮秸稈比干秸稈具有更好的發(fā)酵

5、過程穩(wěn)定性、更高的產氣量(130％)和更短的發(fā)酵時間，即比后者更適合用于厭氧發(fā)酵產氣。
　　(2)生態(tài)修復后能源作物營養(yǎng)體具有較大的生物能源潛力，厭氧發(fā)酵產氣過程受到重金屬、預處理和溫度的影響。1）能源植物體內一定濃度的Cd可以提高其厭氧發(fā)酵產氣效率。經(jīng)折算厭氧發(fā)酵罐內的Cd濃度并分析其與累積產氣量之間的關系，高溫（55.0±1.0℃）條件下，秸稈和牛糞混合厭氧發(fā)酵體系對Cd的耐受閾值約為1 mg/L。2）弱酸預處理提高了原料中V

6、S、纖維素和半纖維素的含量，同時增加發(fā)酵過程中纖維素和半纖維素的降解量，提高發(fā)酵過程的穩(wěn)定性，最終提高總產氣量。3）Cd添加提高產氣高峰期的日產氣量(245％)，延長產氣高峰時間;促進二氧化碳(CO2)轉化為甲烷(CH4)的過程;降低了發(fā)酵體系中的ORP值，提高了pH值，增加系統(tǒng)的緩沖能力;提高纖維素酶的活性和纖維素的降解，產生更多易于被微生物利用的VFA，提高了形成短鏈脂肪酸尤其是乙酸的效率，使得乙酸（占總VFA的50％以上）＞丁酸＞

7、丙酸＞戊酸，保障了產CH4前體物的供給;提高了脫氫酶和輔酶的含量，進而提高了產氣量(405％)和CH4含量(6％)。4)溫度主要影響發(fā)酵過程中的酸化和乙酸化過程，高溫條件有利于提高厭氧發(fā)酵初期的原料水解，促進水解產物的酸化和乙酸化過程，維持較好的發(fā)酵平衡和過程穩(wěn)定性，從而提高產氣量。
　　(3)生態(tài)修復水生植物營養(yǎng)體具有較大的生物能源潛力，酸預處理、添加Fe2+和Ni2+有利于提高原料利用率和能源產量。1）磷酸預處理可以有效減少蘆

8、葦秸稈中木質素的含量(9.54％)，破壞木質纖維素結構，促進發(fā)酵過程中纖維素和半纖維素的降解，提高發(fā)酵過程穩(wěn)定性，提高產氣量(610％);2)添加Fe2+可以提高發(fā)酵過程的累積產氣量，提前產氣高峰，延長產氣高峰時間，提高產氣中CH4的含量;提高發(fā)酵啟動期脫氫酶的活性，加快啟動發(fā)酵過程，提高發(fā)酵前期纖維素酶的活性，從而提高發(fā)酵過程中可用有機物的量，同時提高了有機物的降解，減少化學需氧量(COD)的積累，提高產氣效率。3）添加Ni2+可以提

9、高產氣高峰期間和產氣高峰之后的產氣量，導致總累積產氣量增加;發(fā)酵初期，纖維素酶的活性足夠保證水解過程，提供足夠乙酸化和產甲烷過程的有機物，此時的產氣量主要取決于Ni2+添加對脫氫酶的影響，之后隨著發(fā)酵的進行，Ni2+添加對發(fā)酵過程的影響主要體現(xiàn)在對纖維素酶活性的影響。
　　本研究采用全過程控制的思想，將生物能源生產與環(huán)境污染控制結合起來，考察了重金屬污染土地和氮磷污染水體中生產生物能源的可能性，并為生物質原料的收割時間以及重金屬濃