李維尊，南開大學環境科學與工程學院，副教授，職稱職務：生物質資源化利用國家地方聯合工程研究中心（南開大學）副主任；高級工程師、碩導

研究領域：生物質催化降解技術，生物質能源化技術，生物質煉制技術，生物質氫能技術

研究方向簡介

  （1）生物質催化降解技術研究，重點關注不同催化體繫下的生物質高效、低耗降解；

  （2）生物質固廢能源化技術研究，重點催化下的生物質熱解/氣化條件及產能源情況；

  （3）生物質煉制技術研究，利用催化煉制技術降解、轉化、分離與提純具有工業應用前景的小分子產物；

  （4）生物質氫能技術研究，開發利用生物質的產氫技術及儲氫材料。

第1章概述1

1.1生物質固廢1

1.2生物質固廢木質纖維素結構特點1

1.3合理開發生物質固廢資源的意義3

1.3.1在國民經濟中的意義3

1.3.2在能源結構調整中的意義4

1.4本書編寫的指導思想和原則5



第2章好氧堆肥技術在生物質固廢中的應用6

2.1好氧堆肥技術的概述6

2.1.1好氧堆肥的概念6

2.1.2好氧堆肥技術所需條件7

2.1.3好氧堆肥技術的原理9

2.2好氧堆肥技術在農林生物質固廢中的應用14

2.2.1農林生物質固廢的概述15

2.2.2在農作物秸稈中的應用15

2.2.3在蔬菜類廢棄物中的應用18

2.2.4在園林廢棄物中的應用19

2.2.5在畜禽廢棄物中的應用21

2.3好氧堆肥技術在城市生物質固廢中的應用24

2.3.1在城市生活垃圾中的應用24

2.3.2餐廚垃圾26

2.3.3污泥28

2.4好氧堆肥技術在工業生物質固廢中的應用29

2.5好氧堆肥技術面臨的主要問題31

2.5.1有機肥生產臭氣控制及處理技術31

2.5.2有機肥生產中滲濾液控制及處理技術34

2.5.3有機肥生產中重金屬污染控制及處理技術35

2.5.4有機肥檢測及生產裝置創新36



第3章厭氧發酵技術在生物質固廢中的應用38

3.1厭氧發酵概述38

3.2厭氧發酵的概念39

3.2.1定義39

3.2.2沼氣的組成39

3.2.3厭氧發酵的特點39

3.3厭氧發酵的原理40

3.3.1原理40

3.3.2厭氧發酵所需的微生物42

3.3.3厭氧發酵的底物45

3.3.4厭氧發酵的降解路徑51

3.4厭氧發酵的研究現狀52

3.4.1基礎理論研究52

3.4.2沼氣工程56

3.5發酵條件和限制因素57

3.5.1環境因素58

3.5.2基礎因素59

3.5.3限制因素61

3.6生物質固廢厭氧發酵存在的問題及提高產氣的方法64

3.6.1存在的問題64

3.6.2提高產氣的方法66

3.7厭氧消化的經濟效益、生態效益、社會效益74

3.7.1厭氧消化的經濟效益74

3.7.2厭氧消化的生態效益75

3.7.3厭氧消化的社會效益75

3.8展望76



第4章蚯蚓堆肥技術在生物質固廢中的應用77

4.1蚯蚓及其分類77

4.2蚯蚓堆肥原理78

4.2.1蚯蚓堆肥的概念79

4.2.2蚯蚓堆肥的關鍵條件80

4.2.3蚯蚓糞的應用81

4.3農業生物質固廢蚯蚓堆肥82

4.3.1在農作物秸稈中的應用82

4.3.2畜禽糞便83

4.4城市生物質固廢的蚯蚓堆肥85

4.4.1生活垃圾85

4.4.2餐廚垃圾86

4.4.3污泥86

4.5生物質固體廢物的混合蚯蚓堆肥88



第5章生物質熱解氣化技術90

5.1概述90

5.2生物質熱解的化學過程91

5.2.1生物質熱解的機制91

5.2.2反應條件對生物質熱解的影響92

5.3生物質熱解過程碳、氧和氫的演變93

5.3.1生物油、生物炭、氣體和焦油的形成過程93

5.3.2持久性有機污染物的形成95

5.4生物質熱解過程中氮的演變96

5.4.1NOx及其前驅體的釋放96

5.4.2生物油和生物炭中的含氮物質97

5.5其素在生物質熱解過程中的演變98

5.5.1磷98

5.5.2硫99

5.5.3氯99

5.6生物質熱解過程中金屬的演變100

素演變規律對於優化生物質熱解過程實現資源選擇性回收和避免環境污染的重要性101

5.8結論和展望102



第6章沸石在生物質煉制技術中的應用105

6.1化學催化簡介105

6.1.1沸石簡介105

6.1.2布朗斯特酸性107

6.1.3脂肪和油的轉化107

6.1.4木質纖維素的快速熱裂解和裂解氣精煉107

6.2液相催化轉化糖類物質及其衍生物108

6.2.1木質素的液相催化轉化109

6.2.2路易斯酸性110

6.2.3糖的異構110

6.2.45-羥甲基糠醛的轉化和烷基乳酸/乳酸的生成111

6.2.5其他路易斯酸催化反應111

6.3木質纖維素及其衍生物的多功能催化112

6.3.1糖類及其衍生物的多功能催化112

6.3.2木質素衍生物的多功能催化113

6.3.3甘油三酯類物質的多功能催化113

6.4催化劑的選型在生物煉制中的應用114



第7章光催化生物質高值轉化技術117

7.1引言117

7.2半導體光催化原理118

7.3半導體光催化劑的改性技術119

7.3.1金屬摻雜改性120

7.3.2非金屬摻雜改性120

7.3.3光催化劑的晶面調控120

7.3.4石墨烯/TiO2復合納米材料124

7.4表面等離子體光催化劑126

7.4.1表面等離子體共振126

7.4.2等離子體光催化劑概念126

7.4.3等離子體光催化劑研究進展127

7.4.4等離子體光催化劑的光催化機理129

7.5光催化生物質重整制氫氣131

7.5.1光催化分解水制氫反應131

7.5.2光催化重整木質纖維素基有機廢棄物制氫133

7.6光催化升級木質纖維素基分子：高價值化學品的生產133



第8章生物炭復合材料的研究進展139

8.1生物質熱解生物炭的制備、特征和機理141

8.2生物炭裂解過程的機理143

8.3生物炭的表征146

8.3.1生物炭的結構146

8.3.2生物炭的表面化學147

8.3.3生物炭的無機組成部分147

8.4生物炭材料的功能化148

8.4.1生物炭表面特性的調控148

8.4.2生物炭的孔隙結構151

8.5功能性生物炭材料的應用153

8.5.1催化應用154

8.5.2儲能與環保應用156

8.6結論與展望157



參考文獻159

生物質是由植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其產生的廢棄物組成的，主要包括農作物、農作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動物糞便。生物質具有可再生性、低污染性、廣泛分布等特點。生物質失去其原來價值或在一定時空中未能被利用，從而導致被擱置的狀態，因其為固態，由此形成了生物質固體廢物（全書簡稱“固廢”）。作為一種可再生的生物質資源，木質纖維素等有機物質不僅存量豐富，而且十分廉價。受傳統生產方式和生活習慣的影響，目前我國生物質固廢利用率隻有約30％，處理後再被利用的生物質資源也很少，相當數量的生物質秸稈資源被廢棄或焚燒，不僅造成資源浪費，還污染空氣。

生態文明作為人類文明的新形態，是人與自然和諧共贏的文明，也是綠水青山向金山銀山轉化的動力，更是全面建設小康社會和精準扶貧的重點要求。隨著生態文明建設的不斷深入，以生物質為紐帶來建設生態文明獨具優勢，生物質的無害化、減量化、資源化與生態文明建設之間存在著重要的辯證關繫，如能有效利用生物質資源，可有效減少生物質固廢堆積、填埋、焚燒等帶來的污染，更具有顯著的經濟效益、社會效益、環境效益、生態效益。

生物質資源化利用國家地方聯合工程研究中心（南開大學）是依托南開大學成立的工程研究中心。中心成立伊始就致力於生物質固廢的高值轉化與利用，中心集科學研究與產業轉化於一身，以落實創新驅動發展戰略要求，利用南開大學科研優勢，彙聚各方研究力量，針對城鄉生物質固廢資源化利用問題開展研究，形成繫列創新成果；通過技術創新促進產業技術進步和結構調整，服務地方現代化建設，提升區域發展競爭力。

本書從生物質固廢的資源化、高值化利用入手，詳細分析了現有的生物質固廢主要處理處置方法及前沿技術。本書針對不同的原料與產品重點介紹了好氧堆肥技術、厭氧發酵技術、蚯蚓堆肥技術、生物質熱解氣化技術等當前主流工藝技術，同時針對學術前沿介紹了基於沸石的生物質煉制技術、光催化生物質高值轉化技術以及生物炭復合材料等前沿處置技術。

本書由李維尊編著，在本書的編寫過程中得到楊茜、韋良煥、黃訪、陳昱、候其東、劉樂等的幫助。本書還參考了相關領域的著作、教材、文獻、專利，在此向有關作者致以謝忱。

由於作者水平所限，書中難免存在不足和疏漏之處，希望得到專家、學者及廣大讀者的批評指正。



編著者

2021年5月