作物秸秆沼气转化潜力及厌氧种泥活性保存规律研究

【摘要】：农作物秸秆是重要的沼气生产原料,本研究针对秸秆生物降解率低及产气效率差等问题,利用物理化学联合预处理技术,系统地评价了碱种类、碱浓度以及气爆与碱处理联用对玉米秸秆厌氧消化性能的影响；并通过批式厌氧发酵实验,详尽地探讨了甘薯藤单发酵及其与牛粪不同配比或同一配比不同含固率的共发酵沼气转化潜力。厌氧反应器的高效启动对沼气工程极为重要,反应器启动过程中需要大量的微生物菌源,而厌氧微生物的培养耗时长,种泥运输成本高。为实现厌氧反应器的快速低耗启动,本研究以高温厌氧污泥为研究对象,系统地评价了贮存时间及贮存温度对高温厌氧浓缩污泥产甲烷活性的影响,为以浓缩污泥为菌源启动高温厌氧反应装置提供理论依据。主要研究结果如下：(1)玉米秸秆经不同浓度NaOH或KOH以及气爆与NaOH或气爆与KOH联合预处理作用后,木质纤维素结构受到不同程度的破坏；并随碱浓度的增加,木质素和半纤维素含量逐渐降低。与未处理玉米秸秆相比,单独碱预处理和气爆与碱联合预处理秸秆木质素含量降低了18%-73%,半纤维素含量降低了11%-76%。相同碱浓度下：对木质素和半纤维素的破坏能力,单用NaOH的效果大于单用KOH；气爆与碱联合预处理时,NaOH仅对木质素的破坏能力强于KOH。原料产甲烷潜力测试结果表明,与未处理玉米秸秆相比,单独碱预处理及气爆与碱联合预处理秸秆最大甲烷生成速率明显提高了44%～258%,厌氧消化T80时间缩短了5-11天；在15%和20%高浓度碱预处理作用下,玉米秸秆甲烷累积产气量提高了1.0%-24.6%。(2)原料产甲烷潜力测试结果表明,甘薯藤和牛粪的产甲烷潜力分别为208.5和194.5 mL/g VSadded；且与牛粪相比,甘薯藤具有较高的产气速率。不同配比甘薯藤与牛粪批式共发酵实验结果表明：底物添加量为50g-VS/L条件下,在厌氧发酵前20天内,与原料单发酵相比,所有共发酵处理均具有正向的甲烷产气协同性,并且产气速率稳定；甘薯藤与牛粪共发酵工艺有效地缩短了原料单发酵厌氧消化T80时间。不同含固率下甘薯藤与牛粪固定配比(5：5和2：8)批式厌氧发酵结果表明：随底物添加量的增加,共发酵处理的原料特殊产甲烷效率逐渐下降,而甲烷容积产气率明显升高。(3)对不同菌源高温厌氧污泥分别进行离心浓缩处理和离心及真空旋转蒸发浓缩处理,并对浓缩污泥产甲烷活性进行监测。结果表明,以餐厨垃圾为发酵底物且底物与种泥添加比(S/I Ratio)为1：1条件下,原始种泥经过浓缩处理后,厌氧消化最大甲烷产气速率均有不同程度下降。以市政污水处理厂厌氧污泥为菌源,浓缩污泥产甲烷潜力与其原始种泥较为相近；以沼气工厂厌氧反应器污泥为菌源,离心浓缩污泥甲烷累积产气量比其原始污泥提高了7.0%,但离心及旋转蒸发浓缩污泥因厌氧反应初期挥发性脂肪酸的积累而导致厌氧发酵失败。(4)高温厌氧反应器原始种泥经离心浓缩处理后,污泥含水率下降至82.0%；离心后的污泥经进一步真空旋转蒸发浓缩处理后,含水率降至71.5%。将原始种泥及两种浓缩污泥置于20±2℃培养箱内,分别保存了2个月和4个月。以餐厨垃圾和脱脂奶粉为发酵底物,在S/I Ratio为1：2发酵条件下,测定贮存污泥的产甲烷活性变化。结果表明,未贮存原始种泥甲烷累积产气量最高,贮存的原始种泥及浓缩污泥甲烷累积产气量下降了1%-34%；与贮存2个月的浓缩污泥相比,贮存4个月的浓缩污泥甲烷累积产气量及最大产甲烷速率均有所提高。(5)将高温厌氧污泥进行离心浓缩处理,并在不同温度下(7℃,20℃,55℃)保存10个月。以保存后的离心浓缩污泥为菌源,以葡萄糖、乙酸和成分复杂的餐厨垃圾为发酵底物进行批式厌氧发酵实验,评价了不同保存温度对离心浓缩污泥产甲烷活性的影响以及浓缩污泥微生物活性的恢复能力。实验结果表明：7℃下保存的浓缩污泥具有最高甲烷累积产气量和最大甲烷产气速率；55℃下保存的浓缩污泥甲烷累积产气量和产气速率均最低,但具有最快的微生物活性恢复速率。 【关键词】：农作物秸秆 预处理技术 共发酵工艺 厌氧污泥 浓缩污泥 活性保存
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 缩略语表8-12
• 第一章 绪论12-27
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.1.1 能源与环境危机12-13
• 1.1.2 生物质能源13
• 1.1.3 产业沼气13-14
• 1.2 厌氧发酵技术14-19
• 1.2.1 厌氧发酵原料多样性14-16
• 1.2.2 厌氧发酵基本理论16-19
• 1.3 国内外研究现状19-25
• 1.3.1 木质纤维素原料的预处理技术19-22
• 1.3.2 木质纤维素原料的厌氧共发酵工艺22-23
• 1.3.3 厌氧污泥产甲烷活性的研究进展23-25
• 1.4 主要研究内容及技术路线25-27
• 1.4.1 研究目标25
• 1.4.2 研究内容25-26
• 1.4.3 技术路线26-27
• 第二章 玉米秸秆的预处理方法对沼气转化效果的影响27-52
• 2.1 材料与方法27-32
• 2.1.1 实验材料27-28
• 2.1.2 预处理方法28-29
• 2.1.3 厌氧甲烷发酵29-30
• 2.1.4 测定项目和方法30-32
• 2.2 结果与分析32-50
• 2.2.1 玉米秸秆的理化性质32-34
• 2.2.2 玉米秸秆扫描电镜分析34-37
• 2.2.3 预处理后黑液pH的变化37-38
• 2.2.4 预处理后黑液VFA的变化38-39
• 2.2.5 预处理后黑液SCOD的变化39-40
• 2.2.6 厌氧发酵BMP测定40-49
• 2.2.7 厌氧发酵动力学分析49-50
• 2.3 结论50-52
• 第三章 甘薯藤与牛粪共发酵产沼气研究52-70
• 3.1 材料与方法52-55
• 3.1.1 实验材料52-53
• 3.1.2 厌氧甲烷发酵53
• 3.1.3 测定项目与方法53-54
• 3.1.4 数据分析和计算54-55
• 3.2 结果与分析55-68
• 3.2.1 原料的基本性质55-56
• 3.2.2 厌氧发酵BMP测定56-58
• 3.2.3 不同配比甘薯藤和牛粪的共发酵产气特征58-63
• 3.2.4 甘薯藤与牛粪5：5配比条件下不同含固率批式厌氧发酵效果63-65
• 3.2.5 甘薯藤与牛粪2：8配比条件下不同含固率批式厌氧发酵效果65-68
• 3.3 小结68-70
• 第四章 浓缩对两种菌源厌氧种泥产甲烷活性的影响70-80
• 4.1 材料与方法70-73
• 4.1.1 实验材料70
• 4.1.2 实验设计70-71
• 4.1.3 测定项目及方法71-72
• 4.1.4 数据分析方法72-73
• 4.2 结果与分析73-78
• 4.2.1 发酵原料与厌氧污泥73-74
• 4.2.2 不同菌源厌氧污泥产甲烷活性74-75
• 4.2.3 两种菌源离心浓缩污泥产甲烷活性75-76
• 4.2.4 两种菌源离心及旋转蒸发浓缩污泥产甲烷活性76-77
• 4.2.5 两种菌源原始污泥及浓缩污泥产甲烷活性的综合评价77-78
• 4.2.6 产甲烷活性动力学分析78
• 4.3 结论78-80
• 第五章 贮存时间对厌氧种泥产甲烷活性的影响80-94
• 5.1 材料与方法80-82
• 5.1.1 实验材料80-81
• 5.1.2 实验设计81-82
• 5.1.3 测定项目及方法82
• 5.1.4 数据分析方法82
• 5.2 结果与分析82-92
• 5.2.1 发酵原料与厌氧污泥82-83
• 5.2.2 贮存时间对原始种泥产甲烷活性的影响83-85
• 5.2.3 贮存时间对离心浓缩污泥产甲烷活性的影响85-87
• 5.2.4 贮存时间对离心及旋转蒸发浓缩污泥产甲烷活性的影响87-88
• 5.2.5 原始种泥与浓缩污泥在贮存过程中产甲烷活性的综合评价88-91
• 5.2.6 产甲烷活性动力学分析91-92
• 5.3 结论92-94
• 第六章 贮存温度对厌氧种泥产甲烷活性的影响94-109
• 6.1 材料与方法94-96
• 6.1.1 实验材料94
• 6.1.2 实验设计94-95
• 6.1.3 测定项目及方法95
• 6.1.4 数据分析方法95-96
• 6.2 结果与分析96-108
• 6.2.1 发酵原料与厌氧污泥96
• 6.2.2 三种温度保存的浓缩污泥在葡萄糖培养下的产甲烷活性变化96-100
• 6.2.3 三种温度保存的浓缩污泥在乙酸培养下的产甲烷活性变化100-104
• 6.2.4 三种温度保存的浓缩污泥在餐厨垃圾培养下的产甲烷活性变化104-108
• 6.3 结论108-109
• 第七章 结论与展望109-112
• 7.1 主要结论109-111
• 7.2 研究创新点111
• 7.3 研究展望111-112
• 参考文献112-121
• 致谢121-122
• 作者简介122-123

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