沼气高效厌氧发酵的条件及产气效应研究

【摘要】：随着我国能源结构的调整,生物质能以其资源丰富、廉价易得、低碳等优势成为能源的重要组成部分。沼气作为生物质能的一种已被广泛应用于我们的生产和生活中,具有显著的能源、经济和生态效益。厌氧是一个复杂的过程,预处理、接种比例、总固体浓度、原料、温度和外源添加物等因素都对厌氧发酵有显著影响。试验采用可控性恒温发酵装置,模拟沼气池的发酵环境,选取粪便和秸秆为原料,系统的研究了不同预处理、接种比例、总固体浓度、原料、温度和外源添加物对厌氧发酵产沼气的影响,得到如下结论: 1.秸秆经生物预处理后,碳氮比下降,5种生物预处理菌剂(微生物催腐剂、腐秆剂、复合菌剂、糖酵酶和沼液)中,沼液的预处理效果最好;糖酵酶的预处理效果最差,在发酵过程中易出现酸化现象。麦秆、稻秆、玉米秆分别经沼液预处理6d、6d、9d后的产气效率最高。 2.在中温范围内,各接种比例的干物质产气速率和干物质总产气量随着温度的升高呈先升高后下降的变化趋势;随着接种比例的增加,干物质产气速率和干物质总产气量呈先增大后减小的变化趋势。多元回归分析结果表明,最佳发酵温度为36.6℃,最佳接种比例为发酵原料干重的0.24。 3.在发酵温度为40℃时,鸡粪总固体浓度为20%时总产气量最大(17653mL);麦秆总固体浓度为16%时总产气量最大(26855mL);鸡粪与麦秆的混合原料总固体浓度为16%时的总产气量最大(11733mL)。4种总固体浓度下的干物质产气量大小顺序为:8%12%16%20%。 4.单一原料中猪粪的产气效率最高,干物质产气量为459.54mL/g;人粪的产气效率最低,干物质产气量仅为144.13mL/g;秸秆中玉米秆的产气效率最高,干物质产气量为216.03mL/g。混合原料中猪粪与麦秆、稻秆、玉米秆配比分别为1﹕1、3﹕1、2﹕1的混合物产气效率最高,干物质产气量分别为为327.4、422.86、413.71mL/g;牛粪与麦秆、稻秆、玉米秆配比分别为2﹕1、2﹕1、1﹕1的混合物产气效率最高,干物质产气量分别为321.72、274.96、308.08mL/g;鸡粪与麦秆、稻秆、玉米秆配比分别为3﹕1、1﹕1、2﹕1的混合物产气效率最高,干物质产气量分别为325.22、296.13、284.47mL/g;人粪与麦秆、稻秆、玉米秆配比分别为2﹕1、2﹕1、1﹕1的混合物产气效率最高,干物质产气量分别为132.56、168.75、126.83mL/g;猪粪、鸡粪分别与麦秆、稻秆、玉米秆配比为1.2﹕0.8﹕1的混合物产气效率最高,干物质产气量分别为252.44mL/g、253.53、247.75mL/g。 5.猪粪在30℃时,干物质产气量最大为468.60mL/g;牛粪45℃时,干物质产气量最大为373.91mL/g;鸡粪在50℃时干物质产气量最大为355.28 mL/g;麦秆在50℃时干物质产气量最大为314.79mL/g;稻秆在45℃时干物质产气量最大为364.22mL/g;玉米秆在55℃时干物质产气量最大为355.06mL/g;猪粪麦秆混合原料在55℃时干物质产气量最大为362.19mL/g;猪粪稻秆混合原料在35℃时干物质产气量最大为416.80mL/g;猪粪玉米秆混合原料在35℃时干物质产气量最大为413.71mL/g;牛粪麦秆混合原料在45℃时干物质产气量最大为357.97mL/g;牛粪稻秆混合原料在50℃时干物质产气量最大为345.50mL/g;牛粪玉米秆混合原料在40℃时干物质产气量最大为391.31mL/g;鸡粪麦秆混合原料在45℃时,干物质产气量最大为344.47mL/g;鸡粪稻秆混合原料在45℃时干物质产气量最大为323.59mL/g;鸡粪玉米秆混合原料在50℃时干物质产气量最大,为389.93mL/g。 6.添加尿素和纤维素酶可增加沼气的产气量,分别比对照提高2.46%～214.32%和1.63%～104.28%。 在进行厌氧发酵时,要选择适宜的接种比例和总固体浓度,当接种比例为0.24、总固体浓度为8%时,产气效率最高。不同发酵原料产气效率不同,单一猪粪原料产气效率最高。以秸秆为主要发酵原料时,用沼液预处理6～9d后,再加入适量的畜禽粪便进行混合发酵,产气效率明显提高;而在混合原料的发酵过程中添加尿素或纤维素酶,可以进一步提高产气效率。温度不同,原料的产气效率亦不同,各种原料适宜的发酵温度范围在30～55℃。因此,农村户用沼气应根据其实际的设施情况和所选的发酵原料,采取相应的保温或加热措施。 【关键词】：沼气 厌氧发酵 生物预处理 温度
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 文献综述12-26
• 1.1 研究背景12
• 1.2 厌氧发酵的基本原理及影响因素12-16
• 1.2.1 厌氧发酵的原理12-14
• 1.2.2 影响厌氧发酵的因素14-16
• 1.3 国内外研究进展16-23
• 1.3.1 沼气的发展情况16
• 1.3.2 秸秆预处理的研究进展16-19
• 1.3.3 厌氧发酵的接种物19
• 1.3.4 厌氧发酵的总固体浓度19
• 1.3.5 厌氧发酵的原料19-21
• 1.3.6 厌氧发酵的温度21-22
• 1.3.7 外源添加物22
• 1.3.8 其它因素22-23
• 1.4 农村户用沼气存在的问题23
• 1.5 研究内容23-24
• 1.6 研究方法和技术路线24-26
• 第二章 预处理对秸秆厌氧发酵的影响26-43
• 2.1 材料与方法26-27
• 2.1.1 材料26-27
• 2.1.2 菌剂种类27
• 2.1.3 试验方法27
• 2.1.4 测定项目及方法27
• 2.2 结果与分析27-40
• 2.2.1 生物预处理对麦秆的影响27-30
• 2.2.2 生物预处理对稻秆的影响30-33
• 2.2.3 生物预处理对玉米秆的影响33-36
• 2.2.4 不同预处理时间对麦秆的影响36-37
• 2.2.5 不同预处理时间对稻秆的影响37-38
• 2.2.6 不同预处理时间对玉米秆的影响38-39
• 2.2.7 不同预处理时间对秸秆产气量影响39-40
• 2.3 讨论40-41
• 2.4 小结41-43
• 第三章 不同温度和接种比例对牛粪厌氧发酵的影响43-53
• 3.1 材料与方法43-44
• 3.1.1 试验材料43
• 3.1.2 试验方法43-44
• 3.1.3 测定项目及方法44
• 3.2 结果与分析44-51
• 3.2.1 不同温度下接种比例对牛粪厌氧发酵的影响44-47
• 3.2.2 发酵过程中pH 值、挥发性脂肪酸和碱度的变化47-50
• 3.2.3 不同接种比例和温度对沼气产量的影响50
• 3.2.4 模型的建立50-51
• 3.3 讨论51-52
• 3.4 小结52-53
• 第四章 不同温度和总固体浓度对厌氧发酵的影响53-63
• 4.1 材料与方法53
• 4.1.1 试验材料53
• 4.1.2 试验方法53
• 4.2 结果与分析53-61
• 4.2.1 总固体浓度对鸡粪厌氧发酵的影响53-56
• 4.2.2 总固体浓度对麦秆厌氧发酵的影响56-59
• 4.2.3 总固体浓度对鸡粪麦秆混合厌氧发酵的影响59-61
• 4.3 讨论61-62
• 4.4 小结62-63
• 第五章 不同原料对厌氧发酵的影响63-79
• 5.1 材料与方法63-64
• 5.1.1 试验材料63-64
• 5.1.2 试验方法64
• 5.2 结果与分析64-76
• 5.2.1 单一原料的厌氧发酵64-65
• 5.2.2 粪便与秸秆混合原料的厌氧发酵65-74
• 5.2.3 牛粪、鸡粪与秸秆混合原料的厌氧发酵74-76
• 5.3 讨论76-77
• 5.4 小结77-79
• 5.4.1 单一原料77
• 5.4.2 混合原料77-79
• 第六章 不同温度对厌氧发酵的影响79-103
• 6.1 材料与方法79-80
• 6.1.1 试验材料79
• 6.1.2 试验方法79-80
• 6.2 结果与分析80-101
• 6.2.1 不同温度对粪便发酵厌氧发酵的影响80-85
• 6.2.2 不同温度对秸秆厌氧发酵的影响85-90
• 6.2.3 不同温度对猪粪秸秆混合厌氧发酵的影响90-94
• 6.2.4 不同温度对牛粪秸秆混合厌氧发酵的影响94-97
• 6.2.5 不同温度对鸡粪秸秆混合厌氧发酵的影响97-101
• 6.3 讨论101-102
• 6.4 小结102-103
• 第七章 尿素和纤维素酶对厌氧发酵的影响103-108
• 7.1 材料与方法103-104
• 7.1.1 试验材料103
• 7.1.2 试验方法103-104
• 7.2 结果与分析104-106
• 7.2.1 添加尿素对沼气产量的影响104-105
• 7.2.2 添加纤维素酶对沼气产量的影响105-106
• 7.3 讨论106
• 7.4 小结106-108
• 第八章 结论与展望108-112
• 8.1 预处理对秸秆厌氧发酵的影响108
• 8.2 接种比例厌氧发酵的影响108
• 8.3 总固体浓度对厌氧发酵的影响108
• 8.4 原料对厌氧发酵的影响108-109
• 8.5 温度对厌氧发酵的影响109
• 8.6 尿素和纤维素酶对厌氧发酵的影响109-110
• 8.7 沼气高效厌氧发酵的最佳方案110
• 8.8 讨论与展望110-112
• 参考文献112-121
• 致谢121-122
• 作者简介122

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