利用仿生反应器厌氧消化玉米秸秆研究

【摘要】：我国每年大量的玉米秸秆被闲置或焚烧,以玉米秸秆为原料厌氧消化生产沼气有利于环境、生态、资源的协调发展。玉米秸秆是草本木质纤维素生物质,其特殊的木质纤维结构使厌氧消化过程中秸秆的水解效率较低,从而影响后续产甲烷反应的有效进行。本文以玉米秸秆为原料,模拟反刍动物高效消化木质纤维素生物质的原理,设计了仿生厌氧消化反应器,并开展了厌氧消化研究,旨在提高玉米秸秆厌氧消化生产沼气的效率,通过分析玉米秸秆的产气情况、固相特性、液相特性以及它们的光谱学特性,考察了仿生反应器的可行性、系统运行的稳定性和产气的高效性；探讨了pH条件对玉米秸秆厌氧消化产沼气的影响。主要研究结果如下： 构建了基于反刍动物消化策略的仿生反应器,反应器由上下两部分组成,中间用可更换式筛网隔开,形成完全消化与未完全消化物质的有效分离和液相回流的厌氧消化系统。该反应器模拟了反刍动物胃的区域化和食糜的分层,有机物从反应器上部玉米秸秆的固相释放到液体中,液体通过筛网过滤转移到反应器下部,使反应器上部玉米秸秆中固体含量逐渐减少,反应器下部液相中有机物有效增加。利用仿生反应器降解玉米秸秆,每24h将反应器下部液相的1/3回流到反应器上部固相,总液体产生量为76.39mL/gVS。反应器上部和反应器下部的最高挥发性脂肪酸(VFA)浓度分别达到31.2g/L和15.75g/L,反应器下部溶解性化学需氧量(SCOD)/总化学需氧量(TCOD)比率基本保持在90%以上。仿生反应器上部固相TSS的减少量和VSS的减少量呈现良好的线性关系,VSS减/TSS减达到89.68%,表明仿生反应器中有机物质的液化效果良好。采用仿生反应器厌氧消化的最高产气速率达到21.6mL/gVS·d,累计产气量达到256.52mL/gVS,表明仿生反应器实现了玉米秸秆良好的液化效果,并显著促进了后续产甲烷活动的高效进行。 利用三维荧光光谱(EEM)和傅里叶红外变换光谱(FTIR)分析了仿生反应器内玉米秸秆厌氧消化过程固相和液相中有机物的组成和结构。结果显示,厌氧消化前期在Ex/Em:420/495nm和Ex/Em:430/514nm处出现了辅酶F420和核黄素两个荧光吸收峰,辅酶F420荧光强度较高；厌氧消化后期在Ex/Em:280/356-361nm和Ex/Em:340/425-440nm处出现了蛋白质和辅酶NADH两个主要荧光吸收峰,但是荧光强度均较低。FTIR光谱显示反应器上部吸收峰强度明显强于反应器下部吸收峰强度,有机物组分主要与脂质类、纤维素、碳水化合物等物质相关。 微碱性的厌氧消化环境有利于提高用玉米秸秆生产甲烷的效率。不同pH条件对厌氧消化系统的pH值、碱度、VFA、SCOD等影响显著。各系统产气主要集中在厌氧消化前6天。不同pH条件的厌氧消化系统,累计产气量从大到小依次为：pH值=7pH值=9pH值=5pH值=11,pH为7时的累计产气量分别为pH值=9、pH值=5和pH值=11时的1.11、3.23和6.71倍。 利用EEM光谱和紫外(UV)光谱分析了不同pH值条件厌氧消化系统液相中有机物的组成和结构。EEM光谱显示,pH值不仅影响有机物的类型还影响荧光峰的强度。(UV)光谱显示,在280nm附近出现了一个与木质素组分相关的吸收峰。 【关键词】：玉米秸秆 厌氧消化 仿生反应器 pH值 光谱特性
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 玉米秸秆概述10-13
• 1.1.1 玉米秸秆的产量和分布10
• 1.1.2 玉米秸秆的结构和组分10-12
• 1.1.3 玉米秸秆的利用途径12-13
• 1.2 厌氧消化技术13-16
• 1.2.1 厌氧消化技术概述13-15
• 1.2.2 玉米秸秆厌氧消化及存在的问题15-16
• 1.3 反刍动物消化策略与应用16-17
• 1.4 pH值对厌氧消化的影响17-18
• 1.5 研究内容、方案及目标18-21
• 1.5.1 研究内容18
• 1.5.2 研究方案18-20
• 1.5.3 研究目标20-21
• 2 实验内容与研究方法21-25
• 2.1 实验对象21
• 2.1.1 接种污泥21
• 2.1.2 厌氧消化原料21
• 2.2 实验装置21-22
• 2.2.1 仿生反应器21-22
• 2.2.2 静态厌氧消化装置22
• 2.3 实验方法22-23
• 2.3.1 仿生反应器中厌氧消化研究22-23
• 2.3.2 不同pH条件厌氧消化研究23
• 2.4 分析方法23-25
• 2.4.1 仿生反应器厌氧消化试验分析方法23-24
• 2.4.2 不同pH条件厌氧消化研究分析方法24-25
• 3 仿生反应器厌氧消化研究25-41
• 3.1 仿生反应器的构建25-27
• 3.1.1 反刍动物消化策略25-26
• 3.1.2 仿生反应器及仿生原理26-27
• 3.1.2.1 仿生反应器26
• 3.1.2.2 仿生原理26-27
• 3.2 仿生反应器厌氧消化研究27-36
• 3.2.1 仿生反应器厌氧消化产气情况27-29
• 3.2.2 仿生反应器厌氧消化液相特性分析29-33
• 3.2.2.1 玉米秸秆的液化过程29-31
• 3.2.2.2 仿生反应器中SCOD的变化情况31-32
• 3.2.2.3 仿生反应器中碱度和pH变化情况32-33
• 3.2.3 仿生反应器厌氧消化固相特性分析33-36
• 3.3 仿生反应器厌氧消化光谱学特性分析36-39
• 3.3.1 三维荧光光谱分析36-38
• 3.3.2 傅里叶红外变换光谱38-39
• 3.4 本章小结39-41
• 4 不同初始pH值对玉米秸秆的厌氧消化研究41-53
• 4.1 不同初始pH值对玉米秸秆厌氧消化的影响41-47
• 4.1.1 pH值对厌氧消化系统pH值和碱度的影响41-43
• 4.1.2 pH值对厌氧消化产酸的影响43-44
• 4.1.3 pH值对厌氧消化产气的影响44-46
• 4.1.4 pH值对厌氧消化固相特性的影响46-47
• 4.2 不同初始pH条件下厌氧消化液相光谱学特性分析47-52
• 4.2.1 三维荧光光谱分析47-50
• 4.2.2 紫外光谱50-52
• 4.3 本章小结52-53
• 5 结论与建议53-55
• 5.1 结论53-54
• 5.2 问题与建议54-55
• 参考文献55-61
• 个人简介61-62
• 导师简介62-63
• 获得成果目录63-64
• 致谢64

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