混合原料沼气厌氧发酵影响因素分析及工艺优化

【摘要】：开展农业废弃物多元物料混合厌氧发酵研究是实现农业废弃物资源化利用和减少环境污染的重要途径。开展多种类物料混合厌氧发酵技术研究，可避免单一原料厌氧发酵缺陷，提高沼气发酵产气效率，从而高效率地解决环境污染与能源生产问题。基于该技术的产业价值和科学问题的前沿性，进行此方面的研究具有重要意义。本研究从原料配比、碳氮比（C/N）、底物浓度、接种物比例和温度等方面分析了这些因素对混合原料沼气厌氧发酵效果的影响，并基于这些因素，对混合原料沼气厌氧发酵工艺进行了优化。研究取得以下主要结果： （1）原料混合发酵CH_4产量较原料单独发酵时有显著提高；3种原料按一定比例混合后沼气发酵效率高于2种原料混合。不同原料混合组，随原料配比的变化，沼气产量和CH_4产量呈先增加后减少的趋势；沼气产量和CH_4产量最大时的原料配比不同，牛鸡麦组为牛粪和鸡粪配比50:50，牛猪麦组为牛粪和猪粪配比75:25，鸡猪麦组为鸡粪和猪粪配比25:75。适宜配比下较高的发酵效率在于其保持了发酵料液中适宜的pH、总铵态氮和游离态NH3含量。混合原料发酵存在协同作用，鸡猪麦混合后CH_4产量提高程度最大，其次为牛猪麦组，牛鸡麦组最小，说明猪粪最适宜与其它粪便混合发酵。 （2）C/N对混合原料沼气发酵效果有显著影响。不同原料混合组，随C/N的增加，沼气产量和CH_4产量呈先增加后减少的趋势。对牛鸡麦组，适宜C/N为30:1，沼气产量和CH_4产量分别为589.6mL g~(-1)VS和262.5mL g~(-1)VS；对牛猪麦组，适宜C/N为25:1，沼气产量和CH_4产量分别为614.0mL g~(-1)VS和286.5mL g~(-1)VS；对鸡猪麦组，适宜C/N为25:1，沼气产量和CH_4产量分别为543.5mL g~(-1)VS和259.7mL g~(-1)VS。低C/N易导致铵态氮积累，降低产气率；高C/N易导致发酵液pH降低，抑制CH_4菌活性而降低产气效率。 （3）混料试验设计结果表明，3种原料混合厌氧发酵的CH_4产量显著高于单一原料及2种原料混合发酵；多原料间在发酵过程中的协同作用提高了CH_4产量；在混合发酵中，粪便对整体CH_4产量的贡献量显著高于秸秆，但不同种类粪便及秸秆间差异不明显。中心组合试验设计结果表明，原料配比和C/N比均影响CH_4产量，且两因素间存在交互作用，说明混合原料发酵体系中不同原料间的协同作用不仅仅在于平衡C/N比，还可能存在微生物协同、营养平衡等方面的作用。混料设计和中心组合设计均得到了优化的原料配比及对应的CH_4产量，两者间差异不明显，但中心组合设计具有更高的精度和更广泛的适用性。 （4）底物浓度对混合原料沼气发酵效果有显著影响。当底物浓度小于20gVS L~(-1)时，累积产气量和CH_4产量都随底物浓度的增加而线性增大，但过高的底物浓度会导致料液酸化，降低发酵效率。同一底物浓度下，牛猪麦组发酵效率最高，其次为牛鸡麦组，鸡猪麦组最差。接种比例（ISR）对混合原料沼气发酵效果有显著影响。当ISR小于2.4时，随接种比例增大，累积产气量和CH_4产量均线性增大；ISR越低，有机酸越容易积累而抑制CH_4菌活性，降低发酵效率。当ISR高于2.4时，进一步提高接种物量，并不能提高发酵效率。各组累积产气量和CH_4产量在同一ISR下表现的大小规律与底物浓度影响相同。 （5）温度对混合原料沼气厌氧发酵有显著影响。随温度升高，料液pH、铵态氮和游离NH3含量都显著增加。20℃下，料液酸化降低了产气效率；中温及高温下，CH_4菌对游离NH3的耐受性增强，较高的游离NH3浓度没有对发酵过程产生明显的抑制作用。不同温度下，C/N对混合原料沼气厌氧发酵的影响存在差异。35℃下，C/N15:1和20:1发生氨氮抑制，而55℃下C/N25:1也产生一定的氨氮抑制。35℃下，最佳C/N为25:1，CH_4产量为272mL g~(-1)VS；55℃下，最佳C/N为30:1，CH_4产量为286mL g~(-1)VS。氨氮是否对发酵产生抑制同时取决于底物的C/N和发酵温度。 （6）响应面法可以用于牛粪（DM）、鸡粪（CM）和麦秆混合厌氧发酵产沼气的工艺参数优化。C/N、DM/CM、底物浓度、ISR对混合厌氧发酵CH_4产量都有显著影响并且C/N和DM/CM、C/N和底物浓度、底物浓度和ISR之间存在的交互作用对CH_4产量也有显著影响。随C/N和DM/CM的增大，CH_4产量呈先升高后下降的趋势，但C/N对CH_4产量的影响大于DM/CM；随C/N和底物浓度的增大，CH_4产量呈先升高后下降的趋势，但C/N对CH_4产量的影响大于底物浓度；随底物浓度和接种比例的增加，CH_4产量呈先增大后减小的趋势，接种比例对CH_4产量的影响大于底物浓度，在底物浓度和ISR都较小时，CH_4产量较低。通过模型预测得到牛粪、鸡粪和麦秆混合厌氧发酵产沼气的最优工艺组合为C/N为26.31，DM/CM为42.96:57.04，底物浓度为15.90g VS L~(-1)，ISR为2.34，预期可得最大CH_4产量为394mL g~(-1)VS。 【关键词】：沼气 混合原料 C/N 混料试验设计 中心组合试验设计
【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】：2013
【分类号】：S216.4;X713
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 文献综述13-28
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 厌氧发酵技术概述14-21
• 1.2.1 厌氧发酵四阶段理论14-16
• 1.2.2 厌氧发酵的影响因素16-21
• 1.2.3 厌氧发酵的优点及缺点21
• 1.3 混合厌氧发酵研究概况21-24
• 1.4 响应面法概述24-25
• 1.5 研究的目的和意义25
• 1.6 研究内容、方法和技术路线25-28
• 1.6.1 研究内容25-26
• 1.6.2 研究方法和技术路线26-28
• 第二章 原料配比对混合原料沼气厌氧发酵的影响28-44
• 2.1 材料与方法28-32
• 2.1.1 发酵原料、接种物及其预处理28
• 2.1.2 试验设计28-30
• 2.1.3 测定指标及方法30-32
• 2.2 结果与分析32-41
• 2.2.1 单一原料沼气发酵32-33
• 2.2.2 牛粪、鸡粪和麦秆（牛鸡麦）混合沼气发酵33-36
• 2.2.3 牛粪、猪粪和麦秆（牛猪麦）混合沼气发酵36-38
• 2.2.4 鸡粪、猪粪和麦秆（鸡猪麦）混合沼气发酵38-40
• 2.2.5 不同原料混合沼气发酵效果比较40-41
• 2.3 讨论41-42
• 2.4 小结42-44
• 第三章 C/N 对混合原料沼气厌氧发酵的影响44-54
• 3.1 材料与方法44-45
• 3.1.1 原料及预处理44
• 3.1.2 试验设计44
• 3.1.3 测定指标及方法44-45
• 3.2 结果与分析45-51
• 3.2.1 牛粪、鸡粪和麦秆（牛鸡麦）混合沼气发酵45-48
• 3.2.2 牛粪、猪粪和麦秆（牛猪麦）组及鸡粪、猪粪和麦秆（鸡猪麦）组混合沼气发酵48-51
• 3.3 讨论51-52
• 3.4 小结52-54
• 第四章 基于配比和 C/N 的混合原料沼气发酵优化54-70
• 4.1 材料与方法54-58
• 4.1.1 原料及预处理54
• 4.1.2 试验设计54-57
• 4.1.3 测定指标及方法57-58
• 4.2 结果与分析58-67
• 4.2.1 多种粪便组合与稻秆混合的原料组成优化研究58-63
• 4.2.2 猪粪、鸡粪与不同秸秆混合的原料组成优化研究63-67
• 4.3 讨论67-68
• 4.4 小结68-70
• 第五章 底物浓度和接种比例对混合原料沼气发酵的影响70-81
• 5.1 材料与方法70-72
• 5.1.1 原料、接种物及预处理70-71
• 5.1.2 试验设计71
• 5.1.3 测定指标及方法71-72
• 5.2 结果与分析72-78
• 5.2.1 底物浓度对混合原料发酵的影响72-76
• 5.2.2 接种比例对混合原料发酵的影响76-78
• 5.3 讨论78-80
• 5.4 小结80-81
• 第六章 温度对混合原料沼气厌氧发酵的影响81-90
• 6.1 材料与方法81-82
• 6.1.1 原料及预处理81
• 6.1.2 试验设计81-82
• 6.1.3 测定指标及方法82
• 6.2 结果与分析82-88
• 6.2.1 试验一：温度对固定 C/N 混合原料沼气发酵的影响82-84
• 6.2.2 试验二：35℃和 55℃下不同 C/N 混合原料沼气发酵84-88
• 6.3 讨论88-89
• 6.4 小结89-90
• 第七章 基于原料配比、C/N、底物浓度和接种比例的混合原料厌氧发酵工艺优化90-99
• 7.1 材料与方法90-93
• 7.1.1 发酵原料及接种物90
• 7.1.2 试验设计90-91
• 7.1.3 试验方法91-92
• 7.1.4 指标测定方法92
• 7.1.5 数据分析92-93
• 7.2 结果与分析93-96
• 7.2.1 回归分析和模型检验93-94
• 7.2.2 发酵工艺参数的优化94-96
• 7.2.3 模型的验证96
• 7.3 讨论96-97
• 7.4 小结97-99
• 第八章 结论与创新点99-102
• 8.1 结论99-100
• 8.2 创新点100-102
• 参考文献102-111
• 致谢111-112
• 作者简介112

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