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预处理对水葫芦和稻秸厌氧消化产沼气性能的影响研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 12:34:22
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预处理对水葫芦和稻秸厌氧消化产沼气性能的影响研究【摘要】:绿色可再生能源的研究开发已成为世界各国科研工作的重点。生物能源将成为未来可持续能源系统的重要组成部分。稻秸和水葫芦来源丰富

【摘要】:绿色可再生能源的研究开发已成为世界各国科研工作的重点。生物能源将成为未来可持续能源系统的重要组成部分。稻秸和水葫芦来源丰富,是作为能源化原料的首选之一,但因其含有木质纤维素成分,需进行预处理提高其厌氧消化效果。本文研究稻秸和水葫芦单独预处理以及两者混合青贮预处理对厌氧消化产气性能的影响,获取稻秸与水葫芦预处理及其共混厌氧消化的关键工艺参数,阐明厌氧消化产气特性与过程参数变化规律,旨在提高原料利用率和甲烷产率,以期为最大化净能量产出及工程化应用提供理论依据。 (1)研究了稻秸NaOH水热预处理和3种生物预处理下中温批式厌氧消化产气特性。结果发现,NaOH水热预处理的累积沼气产率和甲烷产率最高,分别为454.5L/kg VS和236.3L/kg VS,比未处理稻秸各增加77.3%和87.1%。菌剂和沼液预处理可一定程度提高稻秸厌氧消化过程中甲烷浓度,厌氧消化第5天菌剂和沼液预处理甲烷浓度分别比未处理高出280%和61%,但并未提高累积沼气和甲烷产率。内源微生物预处理的累积沼气和甲烷产率最低,分别为129.7L/kg VS和52.8L/kg VS. 拉曼光谱分析发现,NaOH碱处理通过破坏稻秸组织中半纤维素、纤维素和木质素的空间交联结构,促进稻秸组织中半纤维素和纤维素在厌氧消化中的利用率,从而提高NaOH预处理后稻秸的甲烷产率。 (2)研究了水葫芦叶、茎、根分别青贮(0-4d)后进行中温批式厌氧消化产气特性。并对青贮4d预处理、未处理水葫芦厌氧消化前后的叶进行切片显微镜微观比较分析。0-4d青贮后厌氧消化,水葫芦叶甲烷产率随着青贮时间的增加而增加。水葫芦叶经4d青贮,甲烷产率最高,为177.6L/kg VS,比未处理增加了26.0%。水葫芦茎经1-3d青贮,甲烷产率均高于未青贮。经2d青贮水葫芦茎累积甲烷产率达138.8L/kg VS,比未处理增加了12.3%。经4d青贮水葫芦茎甲烷产率与未处理没有显著差异。水葫芦根经1-4d青贮,甲烷产率均高于未青贮,且水葫芦根经2d青贮,甲烷产率最高,为30.2L/kg VS,比未处理增加了127.4%。未处理的水葫芦叶、茎、根的累积甲烷产率,叶最大,其次是茎,根最小。切片微观分析表明,青贮预处理可提高水葫芦叶细胞壁的降解性,从而提高其厌氧消化效率。 (3)研究了水葫芦与稻秸不同质量配比(75:25-100:0,湿基)混合青贮(30℃,25d)对其厌氧消化的影响。结果表明,混合青贮预处理可提高厌氧消化甲烷浓度和累积甲烷产率。随着稻秸比例增加,甲烷产率增加。水葫芦与稻秸按配比95:5、85:15和75:25(湿基)混合青贮后厌氧消化累积甲烷产率各为65.5、74.1和83.7L/kg VS,比未青贮分别提高了4.2%、26.8%和33.69%。 水葫芦单独青贮,添加青贮发酵液比不添加青贮发酵液,青贮料VS损失率更大,分别为25.75%和20.67%;厌氧消化甲烷浓度近似,在50%-60%之间;添加发酵液水葫芦青贮甲烷产率与未处理无显著差异,约为58L/kgVS。水葫芦添加发酵液单独青贮,并不能提高其厌氧消化产气率。水葫芦与稻秸以75:25质量配比(1:4,干基)下,经0、7、14、21d青贮后厌氧消化。结果表明,随着青贮时间增加,青贮料的质量、TS及VS减少,VS损失率增大;pH值减小;厌氧消化的甲烷浓度有一定程度提高,尤其在厌氧消化前期的甲烷浓度明显提高;累积甲烷产率提高。青贮21d甲烷产率达61.41±0.66L/kg VS,比未青贮增加了52.2%。 (4)研究了水葫芦与稻秸以75:25质量配比(1:4,干基)下混合连续厌氧消化产气特性。随着全混合连续厌氧消化系统有机负荷率从0.5gVS/(L·d)提高到1.5gVS/(L·d),沼气日产率也提高,从0.17L/g VS提高到0.28L/g VS;甲烷浓度先上升再略下降后趋向稳定;pH值先下降后上升。有机负荷率为2gVS/(L·d)时,甲烷浓度、pH值迅速下降,出现酸抑制,沼气日产率大幅度下降。对于水葫芦与稻秸以75:25(1:4,干基)质量配比下混合连续厌氧消化,有机负荷率最高不超过1.5gVS/(L·d)。研究了水葫芦与稻秸以75:25(1:4,干基)质量配比下混合青贮(30℃,25d)后连续厌氧消化产气特性。水葫芦与稻秸粉碎后混合青贮,青贮料pH值为3.98,乳酸含量为14.32mg/g。水葫芦与稻秸以1:4TS配比混合青贮后连续厌氧发酵,有机负荷率从0.5gVS/(L·d)升高到2gVS/(L·d),产气率在各阶段最终都保持稳定;甲烷浓度提高,尤其在提高有机负荷率的厌氧消化前期;且连续厌氧发酵底物pH值较稳定;随着水力停留时间的减少,发酵系统的容积产气率稳步提升。青贮预处理可提高水葫芦与稻秸混合连续厌氧消化产气性能,累积沼气产率和甲烷产率比未青贮混合产气分别增加67.3%和138.5%。 【关键词】:水葫芦 稻秸 青贮预处理 厌氧消化 沼气 甲烷
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:S216.4
【目录】:
  • 本论文受以下项目资助5-6
  • 致谢6-7
  • 摘要7-9
  • Abstract9-12
  • 插图清单12-14
  • 表格清单14-15
  • 英文缩略表15-16
  • 目录16-20
  • 第一章 绪论20-33
  • 1.1 概述20-21
  • 1.2 稻秸的能源化利用21-24
  • 1.2.1 稻秸资源利用状况21-22
  • 1.2.2 稻秸厌氧消化的国内外研究现状22-24
  • 1.3 水葫芦的能源化利用24-28
  • 1.3.1 水葫芦的生物学特性及危害24
  • 1.3.2 水葫芦能源化利用24-26
  • 1.3.3 水葫芦厌氧消化产甲烷国内外研究现状26-27
  • 1.3.4 水葫芦预处理的国内外研究现状27-28
  • 1.4 青贮预处理28-32
  • 1.4.1 青贮预处理28-30
  • 1.4.2 稻秸与水葫芦混合青贮的可行性30-31
  • 1.4.3 青贮添加剂31-32
  • 1.5 研究内容32-33
  • 第二章 不同预处理对稻秸厌氧消化产气性能的影响33-61
  • 2.1 稻秸与接种污泥配比对厌氧消化产气性能的影响33-41
  • 2.1.1 引言33-34
  • 2.1.2 材料与方法34-36
  • 2.1.2.1 试验材料34
  • 2.1.2.2 批式厌氧消化试验方法34-35
  • 2.1.2.3 分析项目及方法35-36
  • 2.1.2.4 数据统计分析36
  • 2.1.3 结果与讨论36-41
  • 2.1.3.1 沼气日产率和累积产率36-38
  • 2.1.3.2 沼气气体成分38-39
  • 2.1.3.3 甲烷产率39-41
  • 2.2 不同预处理对稻秸厌氧消化产气性能的影响41-52
  • 2.2.1 引言41-42
  • 2.2.2 材料与方法42-45
  • 2.2.2.1 试验材料42
  • 2.2.2.2 预处理方法42-44
  • 2.2.2.3 批式厌氧消化方法44
  • 2.2.2.4 分析项目及方法44-45
  • 2.2.3 结果与讨论45-52
  • 2.2.3.1 稻秸特性参数45-46
  • 2.2.3.2 沼气日产率和累积产率46-47
  • 2.2.3.3 甲烷含量47-48
  • 2.2.3.4 氧化碳含量48-49
  • 2.2.3.5 甲烷产率49-51
  • 2.2.3.6 预处理对稻秸木质纤维素成分的影响51-52
  • 2.3 基于共聚焦显微拉曼光谱研究碱处理对稻秸发酵产沼气的影响52-60
  • 2.3.1 引言52-53
  • 2.3.2 样品的准备53
  • 2.3.3 拉曼光谱仪参数53
  • 2.3.4 结果与讨论53-60
  • 2.3.4.1 稻秸组织的超微观结构53-54
  • 2.3.4.2 显微拉曼光谱面扫描54
  • 2.3.4.3 稻叶组织拉曼光谱的主成分分析54-56
  • 2.3.4.4 稻秸组织的化学成像分析56-60
  • 2.4 本章小结60-61
  • 第三章 青贮预处理对水葫芦厌氧消化产气性能的影响61-85
  • 3.1 引言61
  • 3.2 接种污泥C/N对青贮水葫芦厌氧消化产气性能的影响61-65
  • 3.2.1 材料与方法61-62
  • 3.2.1.1 试验材料61-62
  • 3.2.1.2 青贮试验方法62
  • 3.2.1.3 批式厌氧消化试验方法62
  • 3.2.1.4 分析项目及方法62
  • 3.2.2 结果与讨论62-65
  • 3.2.2.1 元素分析62-63
  • 3.2.2.2 厌氧消化沼气产率63-65
  • 3.3 接种污泥浓度对水葫芦厌氧消化产气性能的影响65-66
  • 3.3.1 材料与方法65
  • 3.3.1.1 试验材料65
  • 3.3.1.2 试验方法65
  • 3.3.2 结果与讨论65-66
  • 3.4 不同青贮时间预处理对水葫芦叶茎根厌氧消化产气性能的影响66-81
  • 3.4.1 材料与方法66-69
  • 3.4.1.1 试验材料66
  • 3.4.1.2 青贮试验方法66-67
  • 3.4.1.3 批式厌氧消化试验方法67
  • 3.4.1.4 分析项目及方法67-69
  • 3.4.2 结果与讨论69-81
  • 3.4.2.1 原料特性参数69-72
  • 3.4.2.2 水葫芦叶茎根的沼气产率72-76
  • 3.4.2.3 水葫芦叶茎根的甲烷产率76-81
  • 3.5 水葫芦叶的微观分析81-83
  • 3.5.1 样品切片的制备81-82
  • 3.5.2 结果与讨论82-83
  • 3.6 本章小结83-85
  • 第四章 水葫芦与稻秸混合青贮对厌氧消化产气性能的影响85-108
  • 4.1 引言85
  • 4.2 水葫芦与稻秸不同配比混合青贮对厌氧消化产气性能的影响85-97
  • 4.2.1 材料与方法85-87
  • 4.2.1.1 试验材料85
  • 4.2.1.2 试验设计85-86
  • 4.2.1.3 厌氧消化试验86
  • 4.2.1.4 分析项目及方法86-87
  • 4.2.2 结果与讨论87-97
  • 4.2.2.1 原料特性参数的变化87-89
  • 4.2.2.2 厌氧消化沼气及甲烷产率89-97
  • 4.3 青贮添加剂对水葫芦青贮后厌氧消化产气性能的影响97-102
  • 4.3.1 材料与方法97-98
  • 4.3.1.1 试验材料97
  • 4.3.1.2 试验方法97-98
  • 4.3.2 结果与讨论98-102
  • 4.3.2.1 水葫芦青贮特性参数的变化98-99
  • 4.3.2.2 厌氧消化沼气及甲烷产率99-102
  • 4.4 同青贮时间对原料厌氧消化产气性能的影响102-108
  • 4.4.1 材料与方法102-103
  • 4.4.1.1 试验材料102
  • 4.4.1.2 试验设计102-103
  • 4.4.1.3 批式厌氧消化试验方法103
  • 4.4.1.4 分析项目及方法103
  • 4.4.2 结果与讨论103-107
  • 4.4.2.1 发酵原料的特性参数变化103-104
  • 4.4.2.2 厌氧消化沼气及甲烷产量与产率104-107
  • 4.4.3 本章小结107-108
  • 第五章 水葫芦与稻秸混合青贮预处理对其连续厌氧消化产气性能的影响108-120
  • 5.1 引言108
  • 5.2 水葫芦与稻秸混合连续厌氧消化产气性能108-114
  • 5.2.1 材料与方法108-110
  • 5.2.1.1 试验材料108-109
  • 5.2.1.2 试验装置109
  • 5.2.1.3 试验设计109-110
  • 5.2.1.4 分析项目及方法110
  • 5.2.2 结果与讨论110-114
  • 5.3 青贮预处理对水葫芦与稻秸混合连续厌氧消化产气性能的影响114-119
  • 5.3.1 材料与方法114
  • 5.3.1.1 试验材料114
  • 5.3.1.2 试验设计114
  • 5.3.1.3 分析项目及方法114
  • 5.3.2 结果与讨论114-119
  • 5.5 本章小结119-120
  • 第六章 结论与展望120-123
  • 6.1 主要研究结论120-121
  • 6.2 主要创新点121-122
  • 6.3 足与展望122-123
  • 参考文献123-130
  • 作者简历130


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