现代生物质资源化应用技术

生物质是由植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其产生的废弃物组成的，主要包括农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。生物质具有可再生性、低污染性、广泛分布等特点。生物质失去其原来价值或在一定时空中未能被利用，从而导致被搁置的状态，因其为固态，由此形成了生物质固体废物（全书简称“固废”）。作为一种可再生的生物质资源，木质纤维素等有机物质不仅存量丰富，而且十分廉价。受传统生产方式和生活习惯的影响，目前我国生物质固废利用率只有约30％，处理后再被利用的生物质资源也很少，相当数量的生物质秸秆资源被废弃或焚烧，不仅造成资源浪费，还污染空气。
生态文明作为人类文明的新形态，是人与自然和谐共赢的文明，也是绿水青山向金山银山转化的动力，更是全面建设小康社会和精准扶贫的重点要求。随着生态文明建设的不断深入，以生物质为纽带来建设生态文明独具优势，生物质的无害化、减量化、资源化与生态文明建设之间存在着重要的辩证关系，如能有效利用生物质资源，可有效减少生物质固废堆积、填埋、焚烧等带来的污染，更具有显著的经济效益、社会效益、环境效益、生态效益。
生物质资源化利用国家地方联合工程研究中心（南开大学）是依托南开大学成立的国家级工程研究中心。中心成立伊始就致力于生物质固废的高值转化与利用，中心集科学研究与产业转化于一身，以落实创新驱动发展战略要求，利用南开大学科研优势，汇聚各方研究力量，针对城乡生物质固废资源化利用问题开展研究，形成系列创新成果；通过技术创新促进产业技术进步和结构调整，服务地方现代化建设，提升区域发展竞争力。
本书从生物质固废的资源化、高值化利用入手，详细分析了现有的生物质固废主要处理处置方法及前沿技术。本书针对不同的原料与产品重点介绍了好氧堆肥技术、厌氧发酵技术、蚯蚓堆肥技术、生物质热解气化技术等当前主流工艺技术，同时针对学术前沿介绍了基于沸石的生物质炼制技术、光催化生物质高值转化技术以及生物炭复合材料等前沿处置技术。
本书由李维尊编著，在本书的编写过程中得到杨茜、韦良焕、黄访、陈昱、候其东、刘乐等的帮助。本书还参考了相关领域的著作、教材、文献、专利，在此向有关作者致以谢忱。
由于作者水平所限，书中难免存在不足和疏漏之处，希望得到专家、学者及广大读者的批评指正。

编著者
2021年5月

李维尊，南开大学环境科学与工程学院，副教授，职称职务：生物质资源化利用国家地方联合工程研究中心（南开大学）副主任；高级工程师、硕导
研究领域：生物质催化降解技术，生物质能源化技术，生物质炼制技术，生物质氢能技术
研究方向简介
 （1）生物质催化降解技术研究，重点关注不同催化体系下的生物质高效、低耗降解；
 （2）生物质固废能源化技术研究，重点关注多元催化下的生物质热解/气化条件及产能源情况；
 （3）生物质炼制技术研究，利用催化炼制技术降解、转化、分离与提纯具有工业应用前景的小分子产物；
 （4）生物质氢能技术研究，开发利用生物质的产氢技术及储氢材料。

《现代生物质资源化应用技术》从生物质固体废物的资源化、高值化利用入手，详细分析了现有的生物质固体废物主要处理处置方法及前沿技术。本书针对不同的原料与产品重点介绍了好氧堆肥技术、厌氧发酵技术、蚯蚓堆肥技术、生物质热解气化技术等当前主流工艺技术，同时针对学术前沿介绍了基于沸石的生物质炼制技术、光催化生物质高值转化技术以及生物炭复合材料等前沿处置技术。
本书可以供环境工程、资源循环科学与工程科研人员以及从事相关生产应用的工程技术人员阅读参考。

第1章概述1
1.1生物质固废1
1.2生物质固废木质纤维素结构特点1
1.3合理开发生物质固废资源的意义3
1.3.1在国民经济中的意义3
1.3.2在能源结构调整中的意义4
1.4本书编写的指导思想和原则5

第2章好氧堆肥技术在生物质固废中的应用6
2.1好氧堆肥技术的概述6
2.1.1好氧堆肥的概念6
2.1.2好氧堆肥技术所需条件7
2.1.3好氧堆肥技术的原理9
2.2好氧堆肥技术在农林生物质固废中的应用14
2.2.1农林生物质固废的概述15
2.2.2在农作物秸秆中的应用15
2.2.3在蔬菜类废弃物中的应用18
2.2.4在园林废弃物中的应用19
2.2.5在畜禽废弃物中的应用21
2.3好氧堆肥技术在城市生物质固废中的应用24
2.3.1在城市生活垃圾中的应用24
2.3.2餐厨垃圾26
2.3.3污泥28
2.4好氧堆肥技术在工业生物质固废中的应用29
2.5好氧堆肥技术面临的主要问题31
2.5.1有机肥生产臭气控制及处理技术31
2.5.2有机肥生产中渗滤液控制及处理技术34
2.5.3有机肥生产中重金属污染控制及处理技术35
2.5.4有机肥检测及生产装置创新36

第3章厌氧发酵技术在生物质固废中的应用38
3.1厌氧发酵概述38
3.2厌氧发酵的概念39
3.2.1定义39
3.2.2沼气的组成39
3.2.3厌氧发酵的特点39
3.3厌氧发酵的原理40
3.3.1原理40
3.3.2厌氧发酵所需的微生物42
3.3.3厌氧发酵的底物45
3.3.4厌氧发酵的降解路径51
3.4厌氧发酵的研究现状52
3.4.1基础理论研究52
3.4.2沼气工程56
3.5发酵条件和限制因素57
3.5.1环境因素58
3.5.2基础因素59
3.5.3限制因素61
3.6生物质固废厌氧发酵存在的问题及提高产气的方法64
3.6.1存在的问题64
3.6.2提高产气的方法66
3.7厌氧消化的经济效益、生态效益、社会效益74
3.7.1厌氧消化的经济效益74
3.7.2厌氧消化的生态效益75
3.7.3厌氧消化的社会效益75
3.8展望76

第4章蚯蚓堆肥技术在生物质固废中的应用77
4.1蚯蚓及其分类77
4.2蚯蚓堆肥原理78
4.2.1蚯蚓堆肥的概念79
4.2.2蚯蚓堆肥的关键条件80
4.2.3蚯蚓粪的应用81
4.3农业生物质固废蚯蚓堆肥82
4.3.1在农作物秸秆中的应用82
4.3.2畜禽粪便83
4.4城市生物质固废的蚯蚓堆肥85
4.4.1生活垃圾85
4.4.2餐厨垃圾86
4.4.3污泥86
4.5生物质固体废物的混合蚯蚓堆肥88

第5章生物质热解气化技术90
5.1概述90
5.2生物质热解的化学过程91
5.2.1生物质热解的机制91
5.2.2反应条件对生物质热解的影响92
5.3生物质热解过程碳、氧和氢的演变93
5.3.1生物油、生物炭、气体和焦油的形成过程93
5.3.2持久性有机污染物的形成95
5.4生物质热解过程中氮的演变96
5.4.1NOx及其前驱体的释放96
5.4.2生物油和生物炭中的含氮物质97
5.5其他无机元素在生物质热解过程中的演变98
5.5.1磷98
5.5.2硫99
5.5.3氯99
5.6生物质热解过程中金属的演变100
5.7元素演变规律对于优化生物质热解过程实现资源选择性回收和避免环境污染的重要性101
5.8结论和展望102

第6章沸石在生物质炼制技术中的应用105
6.1化学催化简介105
6.1.1沸石简介105
6.1.2布朗斯特酸性107
6.1.3脂肪和油的转化107
6.1.4木质纤维素的快速热裂解和裂解气精炼107
6.2液相催化转化糖类物质及其衍生物108
6.2.1木质素的液相催化转化109
6.2.2路易斯酸性110
6.2.3糖的异构110
6.2.45-羟甲基糠醛的转化和烷基乳酸/乳酸的生成111
6.2.5其他路易斯酸催化反应111
6.3木质纤维素及其衍生物的多功能催化112
6.3.1糖类及其衍生物的多功能催化112
6.3.2木质素衍生物的多功能催化113
6.3.3甘油三酯类物质的多功能催化113
6.4催化剂的选型在生物炼制中的应用114

第7章光催化生物质高值转化技术117
7.1引言117
7.2半导体光催化原理118
7.3半导体光催化剂的改性技术119
7.3.1金属掺杂改性120
7.3.2非金属掺杂改性120
7.3.3光催化剂的晶面调控120
7.3.4石墨烯/TiO2复合纳米材料124
7.4表面等离子体光催化剂126
7.4.1表面等离子体共振126
7.4.2等离子体光催化剂概念126
7.4.3等离子体光催化剂研究进展127
7.4.4等离子体光催化剂的光催化机理129
7.5光催化生物质重整制氢气131
7.5.1光催化分解水制氢反应131
7.5.2光催化重整木质纤维素基有机废弃物制氢133
7.6光催化升级木质纤维素基分子：高价值化学品的生产133

第8章生物炭复合材料的研究进展139
8.1生物质热解生物炭的制备、特征和机理141
8.2生物炭裂解过程的机理143
8.3生物炭的表征146
8.3.1生物炭的结构146
8.3.2生物炭的表面化学147
8.3.3生物炭的无机组成部分147
8.4生物炭材料的功能化148
8.4.1生物炭表面特性的调控148
8.4.2生物炭的孔隙结构151
8.5功能性生物炭材料的应用153
8.5.1催化应用154
8.5.2储能与环保应用156
8.6结论与展望157

参考文献159