泥炭生物转化原理与技术

泥炭（又称泥煤、草炭），是植物残体在高湿厌氧环境及微生物作用下，未分解部分经过长期积累而形成的堆积成层的有机质矿体，是最年轻的煤。成炭植物在缺氧条件下经微生物降解作用形成泥炭，泥炭经成岩作用形成褐煤，当温度和压力逐渐增高，再经变质作用转变成烟煤直至无烟煤。成炭植物的种属差异造成泥炭类型有草本泥炭、木本泥炭和藓类泥炭。
煤炭产业在我国尤其是内蒙古、宁夏、山西、陕西、新疆宏观经济中的重要作用在一个相当长的时期内还难以撼动。我国泥炭资源量46.87亿吨，其中内蒙古泥炭储量1.28亿吨。泥炭由于水分高、灰分高、发热量低，经济价值远不如烟煤和无烟煤，因此在国内外长期受到冷落，尽管储量丰富但近30年来为人们所忽视。泥炭主要成分为有机质（腐殖酸），纤维含量丰富，疏松多孔，具有较多的孔隙和巨大的内表面积，吸附水分能力强，目前主要利用其物理性质作为园艺基质，在德国、芬兰、加拿大、瑞典、中国等国家广泛应用于花卉园艺、农作物种植、土壤改良等领域，没有最大限度发挥资源价值。仅将泥炭用于园艺基质是一种浪费，应将泥炭定位为一种化工原料，针对泥炭化学组成特点进行综合利用，实现泥炭产品多元化，提高其经济价值，才是泥炭资源高值化综合利用的未来发展方向。
目前关于泥炭的研究专著有：王钜谷等编《不同沉积类型泥炭的研究》（1987年）、郎惠卿等著《泥炭的鉴别与利用》（1988年）、柴岫主编《泥炭地学》（1990年）、尹善春等著《中国泥炭资源及其开发利用》（1991年）、张则有编著《泥炭资源开发与利用》（1992年）、陈淑云编著《中国泥炭》（1998年）、马学慧等编著《中国泥炭地碳储量与碳排放》（2013年）、孟宪民等编著《泥炭工程学》（2019年）。在前辈们的基础上，结合我们2012年至今系统深入的研究，在国家自然科学基金项目（21766025）的资助下，撰写了《泥炭生物转化原理与技术》一书，希望凭借此书抛砖引玉，与国内外的同行进行交流，促进泥炭资源高值化利用！
本书以草本泥炭、木本泥炭和藓类泥炭为研究对象，基于分级转化物尽其用的学术思想，从泥炭物理-化学-生物学相互作用关系出发，运用化学-微生物耦合系统研究泥炭转化为清洁能源（氢气、甲烷）、高值化学品（乙醇、腐殖酸、黄腐殖酸、泥炭蜡）、成型燃料、高腐殖酸有机肥，重点对其炼制应用工艺进行了阐述。本书是国内首部系统研究泥炭作为化工原料降碳转化的专著。依托内蒙古科技大学化学与化工学院、生物煤化工综合利用内蒙古自治区工程研究中心（Inner Mongolia Engineering Research Center of Comprehensive Utilization of Bio-coal Chemical Industry），作者在泥炭领域的研究得到了国家自然科学基金项目（21766025）、教育部“春晖计划”合作科研项目（2018042）、内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目（2022年度科研平台创新能力建设项目）、内蒙古科技大学基本科研业务费专项资金资助（2022年度）、内蒙古自治区自然科学基金项目【2017MS（LH）0210】、内蒙古科技大学产学研合作培育基金项目（PY-201507、PY-201213）的资助；感谢内蒙古自治区“草原英才”工程、内蒙古自治区“新世纪321人才工程”、内蒙古自治区人才开发基金（2021年度）、中国科学院“西部之光”人才培养引进计划“西部青年学者”（2019年度）人才项目的支持；感谢内蒙古科技大学、中国能源学会、内蒙古可再生能源学会的支持。另外，特别感谢内蒙古蒙肥生物科技有限公司的赵果荣女士、吉林省敦化市吉祥泥炭开发有限责任公司的于巧女士、中向旭耀科技有限公司的谭钧先生、青岛双福农业发展有限公司张本明先生，为本书提供实验原料草本泥炭、木本泥炭、藓类泥炭和部分产业化的重要素材；研究生郝思雯、路亚楠、王颖、孙慎光、李丽萍的研究工作构成了本书的重要素材；在本书编著过程中，参考了大量国内外前辈和同行们撰写的书籍和期刊论文资料，在此一并表示衷心的感谢！
书中如有不当之处，诚请读者批评指正，并欢迎来函指导。

马力通　李珺　

马力通，内蒙古科技大学化学化工学院副教授。专注于煤基清洁能源转化技术，从事低阶煤微生物转化利用、生物质能源化利用，采用化学-微生物耦合分级转化低阶煤（褐煤、泥炭）、生物质（秸秆）为可再生能源（绿色能源氢气和甲烷）、高值化学品，实现煤炭、生物质等含碳原料的高值转化。发表论文20余篇；申获得授权专利10项；参编中、英文学术专著7部。

本书基于作者团队多项研究成果，在扼要介绍全世界以及我国泥炭资源分布以及泥炭资源的物理化学性质的基础上，系统阐述了采用化学-微生物耦合分级将泥炭资源转化为清洁能源（包括绿色能源氢气和甲烷等）、高值化学品，实现泥炭这种高含碳资源的降碳转化，并对泥炭生物转化的工艺与设备进行了介绍，重点对其炼制应用工艺进行了阐述。内容原创性较强，具有一定的实际应用推广价值。
本书可供广大高校、科研院所和泥炭相关企业从事泥炭资源开发利用与研究的人员参考阅读。

第1章泥炭资源分布	1
1.1世界泥炭的分布	1
1.2中国泥炭的分布	1
1.3中国泥炭资源的分布特点	2
1.3.1东北地区	3
1.3.2青藏高原	3
1.3.3新疆	3
1.3.4云贵高原	3
1.3.5沿海平原	3
1.3.6内蒙古泥炭资源的分布	4
1.4泥炭的国内外研究现状	5
1.4.1泥炭育苗基质	5
1.4.2泥炭堆肥	5
1.4.3泥炭提取腐殖酸	5
1.4.4泥炭吸附重金属离子	5
1.4.5泥炭修复土壤	7
1.4.6泥炭产生物甲烷	7
1.4.7泥炭提取泥炭蜡	8
1.4.8泥炭资源利用展望	8

第2章泥炭的形成与成炭植物	11
2.1泥炭的形成与开采	11
2.1.1泥炭的形成	11
2.1.2泥炭的开采	12
2.2泥炭的分类	15
2.2.1草本泥炭	15
2.2.2木本泥炭	16
2.2.3藓类泥炭	17
2.3泥炭的主要成炭植物	18
2.3.1草本植物	18
2.3.2木本植物	20
2.3.3藓类植物	20

第3章泥炭的理化性质	23
3.1泥炭的主要组成	23
3.1.1泥炭中的有机质	23
3.1.2泥炭中的水分	26
3.2泥炭的可燃性	27
3.3泥炭的酸碱度	27
3.4泥炭的离子交换作用	27
3.5泥炭的农用化学性质	28
3.5.1全氮	28
3.5.2全磷	28
3.5.3全钾	28
3.6泥炭的理化性质测定	29
3.6.1泥炭组分	29
3.6.2泥炭形貌特征	29
3.6.3泥炭紫外可见光谱	30
3.6.4泥炭红外光谱	31
3.6.5泥炭X射线衍射	32
3.6.6泥炭X射线光电子能谱	32

第4章泥炭转化前的预处理	35
4.1泥炭的物理预处理	35
4.1.1超细粉碎预处理	35
4.1.2微波预处理	36
4.1.3蒸汽爆破预处理	40
4.2泥炭的化学预处理	40
4.2.1酸预处理	40
4.2.2碱预处理	44
4.2.3氢氧化钠-尿素预处理	47
4.3预处理对泥炭性质的改变	48
4.3.1预处理对泥炭孔结构的影响	48
4.3.2预处理对泥炭性质改变的表征方法	53
4.3.3酸、碱预处理对泥炭理化性质的影响	60

第5章泥炭直接燃烧与制备成型燃料	67
5.1泥炭的直接燃烧	67
5.1.1泥炭直燃	67
5.1.2泥炭混燃	69
5.2泥炭制备成型燃料	69
5.2.1泥炭颗粒成型燃料	70
5.2.2泥炭块状成型燃料	71

第6章泥炭制备清洁能源	73
6.1泥炭制备甲烷	74
6.1.1接种物的驯化	74
6.1.2产甲烷微生物菌群解析	78
6.1.3产甲烷工艺控制	94
6.2泥炭制备氢气	129
6.2.1泥炭产氢气的装置	129
6.2.2产氢气工艺控制	129

第7章泥炭制备化学品	140
7.1泥炭制备乙醇	141
7.1.1泥炭制备乙醇的实验装置	141
7.1.2泥炭制备乙醇的工艺	142
7.1.3泥炭酶解发酵产乙醇	143
7.2泥炭提取腐殖酸	146
7.2.1液体酸对碱溶酸析法提取泥炭腐殖酸光谱学变化特征的影响	147
7.2.2硫酸预处理对泥炭腐殖酸的光谱学特征影响	152
7.2.3萃取剂与氢氧化钠预处理对甲烷发酵泥炭腐殖酸结构的影响	157
7.2.4不同成炭植物泥炭提取腐殖酸	163
7.3泥炭提取黄腐酸	169
7.3.1甲烷发酵对液体酸酸析泥炭黄腐酸光谱学特性的影响	170
7.3.2硫酸预处理与液体酸酸析对泥炭黄腐酸光谱学特征的影响	177
7.3.3不同成炭植物泥炭提取黄腐酸	183
7.4泥炭提取泥炭蜡	189
7.4.1提取工艺流程	190
7.4.2有机溶剂对泥炭蜡的影响	190

第8章泥炭制备有机肥	196
8.1泥炭制备高腐殖酸有机肥	198
8.1.1玉米秸秆混合泥炭发酵高腐殖酸有机肥	199
8.1.2泥炭添加比例对高腐殖酸有机肥的影响	202
8.2泥炭制备高腐殖酸有机肥的中试研究	206
8.2.1堆肥发酵实验的原料	206
8.2.2堆肥发酵中有机质含量变化	206
8.2.3堆肥发酵总腐殖酸含量变化	209
8.2.4堆肥发酵水溶性腐殖酸含量变化	210
8.2.5堆肥发酵pH变化	210
8.2.6堆肥发酵温度变化	211
8.2.7堆肥发酵含水率变化	212
8.2.8堆肥发酵产品得率和有机碳转化率	213
8.2.9研究结论	213
8.3泥炭制备生物有机肥	214
8.3.1泥炭制备生物有机肥菌种	214
8.3.2泥炭制备生物有机肥工艺	214
8.3.3研究结论	218