农作物秸秆厌氧发酵的接种物驯化特性研究

【摘要】： 厌氧发酵产沼技术可以将秸秆等一类有机质在厌氧微生物作用下转化成一种可替代化石能源的清洁能源——沼气。它不仅可以对大量秸秆资源进行充分利用,还能解决秸秆生物质的能源转化问题。 本课题以切碎的稻草秸秆为底物,对厌氧活性污泥进行直接驯化,并针对稻草秸秆中元素成分比例以及厌氧发酵微生物所需的营养元素,在培养液中添加一定量的不同种类营养盐。根据接种后培养液的产气、产甲烷情况以及物料的理化环境指标来考察接种物的活性和驯化情况,优化接种物驯化条件。最后采用厌氧发酵一级反应动力学模型对试验数据进行拟合,比较不同反应条件下的动力学参数差异,进一步探讨其反应机理。 试验结果表明,在常温以及不经其他预处理的条件下,以秸秆为唯一底物的厌氧发酵能够稳定运行,发酵持续时间约100d,产气率在204.3～373.3 ml·g~(-1)TS秸秆,平均甲烷含量在60%～80%之间。所有工况在整个发酵过程中均有两个明显的产气高峰;发酵前期的水解酸化过程对后续甲烷化过程有促进作用,这是发酵中后期出现第二个产气高峰的主要原因。不同营养盐的添加对接种物驯化的影响主要在于日产气高峰的提前、发酵周期的缩短,一定程度上也会对产气量提高有所贡献。磷酸盐的添加作用在于满足了接种物对于P、K营养元素的需求,有利于其高效发挥。从产气量来看,效果最显著的是添加Ca~(2+)和Mg~(2+),产气高峰比对照组提前5～10d;添加Mg~(2+)的试验产气量比发酵正常的对照组高出10%左右。这两种金属离子能提高微生物细胞的通透性,有利于养分的吸收。 厌氧发酵一级反应动力学模型能较好地适用于以秸秆为底物的厌氧发酵过程。本课题首次、重复发现秸秆直接厌氧发酵呈明显的两阶段反应,且第一阶段的速率常数低于第二阶段。该动力学研究结果与实际的秸秆发酵试验数据相吻合。 【关键词】：厌氧发酵 秸秆 接种物 驯化 营养盐 模型
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 英文缩写、符号一览表6-7
• 第一章 绪论7-18
• 1.1 农作物秸秆概述7-9
• 1.1.1 农作物秸秆产量及环境问题7
• 1.1.2 农作物秸秆组成及潜在价值7-8
• 1.1.3 农作物秸秆处理处置技术及主要问题8-9
• 1.2 厌氧发酵法在有机固体废弃物处理中的应用9-13
• 1.2.1 厌氧发酵理论9-10
• 1.2.2 厌氧发酵法在有机固体废弃物处理中的研究进展10-13
• 1.3 农作物秸秆厌氧发酵技术的研究进展13-17
• 1.3.1 我国的发展历程13-14
• 1.3.2 国内外研究进展14-16
• 1.3.3 秸秆厌氧发酵技术的主要问题及研究展望16-17
• 1.4 研究目的和意义17-18
• 第二章 课题的试验设计、试验内容与方法18-26
• 2.1 总体试验设计18
• 2.2 试验内容18-19
• 2.3 试验方法19-22
• 2.4 试验材料、仪器与分析手段22-24
• 2.4.1 试验材料、试剂与相关仪器22-23
• 2.4.2 试验指标及分析方法23-24
• 2.5 数据分析24-25
• 2.5.1 秸秆的产气量及产气率24
• 2.5.2 模型评价24-25
• 2.6 本章小结25-26
• 第三章 影响接种物驯化活性的主要因素26-55
• 3.1 不同TS浓度及接种物投加量的影响26-29
• 3.1.1 产气率26-28
• 3.1.2 TS、VS、pH和VFA28-29
• 3.1.3 初步发酵条件确定29
• 3.2 添加磷酸盐的影响29-44
• 3.2.1 产气率29-34
• 3.2.2 产甲烷率34-38
• 3.2.3 秸秆的降解率38-39
• 3.2.4 pH、VFA和COD39-44
• 3.3 NH_4~+、Mg~(2+)、Ca~(2+)添加后的影响44-50
• 3.3.1 产气率44-46
• 3.3.2 产甲烷率46-47
• 3.3.3 秸秆的降解率47
• 3.3.4 pH、VFA、COD和碱度47-50
• 3.4 接种物单独发酵试验50-53
• 3.4.1 产气率和产甲烷率50-51
• 3.4.2 pH、VFA、COD和碱度51-53
• 3.5 发酵前后稻草秸秆与接种物的C、H、N分析53-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第四章 秸秆厌氧发酵反应动力学研究55-61
• 4.1 厌氧发酵一级反应动力学模型55
• 4.2 不同磷酸盐添加量的动力学比较55-57
• 4.3 NH_4~+、Mg~(2+)、ca~(2+)添加后的动力学比较57-60
• 4.4 本章小节60-61
• 第五章 结论与建议61-62
• 5.1 结论61
• 5.2 建议61-62
• 参考文献62-66
• 附录66-74
• 硕士期间发表论文情况74-75
• 致谢75-76

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