预处理强化泥炭生物甲烷化的机理研究

Inner Mongolia has abundant coal resources, especially peat large reserves, shallow burial depth and easily exploited. At present, peat was mainly used as a horticultural substrate and organic fertilizer, of which the vast resource value potential has been not released. Therefore, biogas has been developed for high-value utilization of peat. However, the methane yield is small. In this project, we will research the mechanism of peat to biogas by pretreatment strengthening, aiming to improve biodegradability of peat, and help us to explore new ways of utilizing peat resources..We will use superfine pulverization, acid，alkali，ultrasonic wave to pretreat on peat, and reveal the influences of pretreatment on physical and chemical properties of natural peat. Through SEM, nitrogen adsorption and mercury intrusion method, we will explore the effect of the changed porous structure on the peat biomethanation; Using HPLC, HPGC and GC-MS to determine the component changing in the biomethanation process, especially the variation of inhibitor, we will reveal the effect of component changing (inhibitor removal) on the peat biomethanation. Using PCR-DGGE and pyrosequencing, we will study the influence of pretreatment on the dynamic change regulation of anaerobes and clarify interaction mechanism between anaerobes and pretreated peat. To conclude, this study is focused on revealing the mechanism of pretreatment influence on peat biomethanation, solving the common key issue of low methane yield in peat biomethanation, aiming to achieve cost-effective peat biogasification.

内蒙古有丰富的煤炭资源，其中泥炭储量大，埋藏浅，易开发，但目前泥炭资源存在生物甲烷化利用途径产甲烷收率不高的共性问题。本项目以泥炭为主要研究对象，研究超微粉碎、酸、碱、超声波预处理方法对泥炭物理化学特性的影响；用扫描电镜、氮气吸附法、压汞法研究预处理对天然泥炭多孔介质界面结构的改变，揭示泥炭多孔介质特性变化对泥炭生物气化的影响；利用HPLC、 HPGC和GC-MS，分析预处理前后泥炭生物甲烷化过程中化学组分腐殖酸及其降解产物结构和含量变化规律，揭示化学组分变化（抑制物脱除）对泥炭生物甲烷化的影响；采用PCR-DGGE和焦磷酸测序方法，研究预处理对泥炭生物甲烷化过程中厌氧微生物菌群的动态变化规律的影响，研究预处理对厌氧微生物与泥炭相互作用的影响机理。最终揭示预处理强化对泥炭生物甲烷化的影响机理，解决泥炭生物甲烷化过程中甲烷收率不高的关键共性问题，为实现泥炭低成本高效率转化为生物天然气奠定基础

内蒙古有丰富的煤炭资源，其中泥炭储量大、埋藏浅、易开发，但目前泥炭资源存在生物甲烷化利用途径产甲烷收率不高的共性问题。.本项目以泥炭为主要研究对象，研究超微粉碎、酸、碱、超声波预处理方法对泥炭物理化学特性的影响，研究结果表明预处理能够改变泥炭理化性质，提高泥炭生物甲烷产量；其中酸、碱预处理均能使泥炭的纤维素、半纤维素或木质素发生降解，继而转化为总腐植酸和水溶性腐植酸，其中碱预处理转化程度更加明显。酸、碱预处理使泥炭的化学结构、芳构化程度、共轭度均发生改变；用扫描电镜、氮气吸附法研究预处理对泥炭多孔介质界面结构的改变，预处理后泥炭比表面积和总孔容增加，孔径减小。其中碱预处理泥炭变化明显，碱预处理泥炭比表面积达4.43 m2/g，总孔容为0.0162 m3/g，平均孔径减小至14.64 nm。酸、碱、超声波和微波预处理会对泥炭物理结构中的孔结构产生影响，促进泥炭生物甲烷转化；.泥炭生物甲烷化过程中腐植酸及其降解产物苯甲醛促进泥炭生物甲烷转化。酸预处理泥炭产生的中间产物：甲酸、苯酚、糠醛等，采用活性炭、离子交换树脂、氢氧化钙吸附，对泥炭甲烷发酵有促进作用。碱预处理泥炭产生的中间产物：苯酚、甲酸、乙酰丙酸、5-羟甲基糠醛、香草醛等采用活性炭、离子交换树脂吸附对泥炭甲烷发酵有促进作用，采用氢氧化钙吸附，发现对泥炭甲烷发酵有抑制作用；.采用PCR-DGGE技术发现泥炭发酵产甲烷过程中古菌菌群中甲烷鬃菌属（Methanosaeta）为优势菌属，泥炭发酵产甲烷途径主要为乙酸营养代谢类型，同时伴随氢营养代谢类型，不同于以秸秆、牛粪、鸡粪、褐煤为原料的产甲烷途径。采用高通量测序技术，发现酸、碱预处理对泥炭甲烷发酵体系细菌和古菌菌群结构产生显著影响，能够改变泥炭甲烷发酵体系微生物菌群结构（优势菌门、优势菌属演替）进而影响产甲烷代谢途径，促进泥炭生物甲烷转化；.最终揭示预处理强化对泥炭生物甲烷化的影响机理，为实现泥炭低成本高效率转化为生物天然气奠定基础。