生物质组成成分对厌氧发酵产甲烷的影响

【摘要】：随着社会的快速发展,人类生产活动的不断加快,对资源的掠夺和环境的破坏也随之加快。越来越多的污染物被排放到自然环境当中,大自然以特有的方式已经不断在向人类发出警告信号。在众多被排放的污染物对环境的影响中,由有机废弃物引发的各类环境问题显得尤为突显。不经任何处理或不正当处理的有机废弃物势必会对环境产生影响和破坏,包括对水、空气和土壤的污染,直接威胁人类的生存。如何采取有效措施对有机固液废弃物进行无公害处理,逐渐成为社会关注的热点。近些年来,采用厌氧发酵手段处理有机固体废弃物得到了广泛的研究。一方面,经过一定程度的厌氧发酵,可以大幅度去除废弃物中的有机物质,达到处理有机废弃物的目的;另一方面,在发酵过程中会产生大量的甲烷气体,甲烷气体经净化提出后,可以直接注入天然气管道或作为车用燃料,以此来缓解日益紧张的化石燃料。因此,无论是从处理有机废弃物角度还是从发展可再生能源角度来看,厌氧发酵方式均具有一定的优势。随着厌氧发酵技术的不断发展,从传统单一底物发酵逐渐转向两种或多种底物混合发酵。混合发酵可以起到均衡营养,提高产气率和防止体系出现氨氮抑制或酸败等风险。然而,在研究混合厌氧发酵的文献报道中,大多是以试验设计,譬如正交设计、混料模型等角度出发而开展的。很少以有机化合物成分比例对厌氧发酵产甲烷性能影响的研究,从这一点看,以往的混合物料发酵试验存在一定的盲目性。针对这一问题,为了更好地开展多种底物混合发酵试验,了解生物质内在有机化合物成分比例对厌氧发酵产甲烷性能的影响显得尤为必要。本论文选取了常见的九种生物质物料作为厌氧发酵的原料,采用湿法单相连续厌氧发酵工艺进行发酵,考察生物质组成成分对其在连续厌氧发酵过程中性能的影响。在试验过程中,首先对九种生物质物料的理化性质和有机营养组成进行了化验与分析。然后,通过110天的连续厌氧发酵,观察并记录各反应器运行过程中的日产气情况、p H、NH4+-N以及料液物质浓度的变化情况。试验结束后,利用SPSS数据处理软件对试验结果进行分析。本试验获得主要研究结果如下:(1)在生物质自身营养组成的相关性分析试验中,其结果显示,生物质中粗蛋白与粗脂肪的含量与其他组份之间均不存在显著相关性;总糖含量与半纤维素和木质素含量呈显著负相关关系,表明生物质中总糖含量随半纤维素和木质素含量的增加而减少;粗纤维含量与纤维素和木质素含量呈极显著正相关关系,回归分析表明,生物质中纤维素和木质素的含量可以有效解释95.59%的粗纤维含量。(2)在对发酵液碱度的检测中,首次提出甲烷菌碱度这一概念,即在传统碱度测定过程中,当p H下降到6.5时计算出的碱度值。甲烷菌碱度较传统总碱度(甲基橙碱度)可以有效反映出料液能将p H稳定在6.5(甲烷菌耐受p H的最低线)以上的能力,可以更好的服务于厌氧发酵试验与生产。在对生物质组成成分与甲烷菌碱度的相关性分析中,其结果表明发酵料液中的甲烷菌碱度值仅与粗蛋白含量呈显著正相关。(3)在对发酵液中NH4+-N浓度的分析中,首次提出了TS产氨率这一概念,即进料中每克干物质经过厌氧发酵后产生铵态氮的毫克数。TS产氨率可通过实际试验结果计算得出,它可以预测生物质在厌氧发酵过程中产NH4+-N的能力,对避免产生氨氮抑制有着重要实用意义。在本试验的九种物料中,TS产氨率最强的物料为鸡粪,其值达到了86.87 mg/gTS。在对生物质组成成分与TS产氨率的相关性分析中,其结果表明生物质的TS产氨率仅与生物质中粗蛋白含量呈显著正相关。(4)在对VS去除率的考察中,发现生物质通过连续厌氧发酵后,其VS去除率仅与原料中总糖含量呈极显著正相关。其线性回归模型方差检验结果极显著,决定系数R2=0.7911,表明生物质中总糖含量可以有效解释79.11%的去除率。(5)本论文首次提出有效碳氮比概念,即在传统碳氮比的计算中,其总有机碳部分减除粗纤维或酸性洗涤纤维中的碳量,利用剩余碳量与总氮量进行比较。有效碳氮比可以真实反应出厌氧发酵产甲烷的最适碳氮比,为两种或多种物料混合发酵的配比提供依据。通过对本试验九种物料在连续厌氧发酵过程中各方面稳定性的比较,得出以牛粪和猪粪作为底物的反应器稳定性最强,二者有效碳氮比范围在10-16之间。(6)根据有效碳氮比的概念,引出有效有机负荷率的概念,即在传统有机负荷率的计算中,其分子部分的挥发性固体需减除粗纤维或酸性洗涤纤维的质量,利用剩余挥发性固体质量进行计算得出。最后,假定在同等有效有机负荷下,对本试验中有效碳氮比在16以上的物料进行连续厌氧发酵时引起酸败的可能性进行了比较,其比较结果为木薯渣玉米秸秆≈玉米粉餐厨垃圾大豆秸秆,即有效碳氮比越高,引起酸败的可能性也就越大。 【关键词】：有机废弃物 厌氧发酵 沼气 甲烷产率预测模型 有效碳氮比
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要8-10
• 英文摘要10-12
• 1 前言12-30
• 1.1 研究的意义与目的12-14
• 1.1.1 研究的意义12-13
• 1.1.2 研究的目的13-14
• 1.2 国内外研究现状14-19
• 1.2.1 有机废弃物的传统处理14-16
• 1.2.2 有机废弃物的沼气化处理16-19
• 1.3 厌氧发酵概述和存在的问题19-28
• 1.3.1 厌氧发酵的原料来源19-22
• 1.3.2 厌氧发酵的生化过程22-25
• 1.3.3 影响厌氧发酵的因素25-27
• 1.3.4 厌氧发酵研究存在的问题27-28
• 1.4 研究内容与技术路线28-30
• 2 材料与分析方法30-37
• 2.1 发酵原料及接种物30-31
• 2.2 试验设备及试剂31-32
• 2.2.1 试验设备31
• 2.2.2 试验试剂31-32
• 2.3 试验测定指标及方法32-37
• 2.3.1 TS和VS的测定32-33
• 2.3.2 p H的测定33
• 2.3.3 气体产量及成分的测定33-34
• 2.3.4 总凯氏氮的测定34-35
• 2.3.5 总碱度的测定35
• 2.3.6 生物质组成成分分析35-37
• 3 试验设计与试验方法37-44
• 3.1 材料的准备与前处理37
• 3.2 生物质组成成分分析37-39
• 3.2.1 粗蛋白含量的测定37-38
• 3.2.2 粗脂肪含量的测定38
• 3.2.3 总糖含量的测定38-39
• 3.2.4 木质纤维素类物质的测定39
• 3.3 接种物驯化试验39-41
• 3.4 连续厌氧发酵41-44
• 4 结果与讨论44-76
• 4.1 生物质组成成分分析44-49
• 4.1.1 生物质基本理化参数的分析44-45
• 4.1.2 生物质组成成分分析45-47
• 4.1.3 生物质组成成分相关性分析47-49
• 4.2 接种物驯化阶段49-51
• 4.2.1 日产甲烷体积变化情况49-50
• 4.2.2 反应器中p H变化情况50-51
• 4.3 连续厌氧发酵阶段51-54
• 4.3.1 HRT为 35d每日产气情况51-52
• 4.3.2 HRT为 25d每日产气情况52-54
• 4.4 生物质组成成分对产甲烷率的影响54-60
• 4.4.1 生物质组成成分与产甲烷率的相关性54-55
• 4.4.2 厌氧发酵甲烷产率预测模型55-60
• 4.5 生物质组成成分对厌氧发酵稳定性的影响60-70
• 4.5.1 发酵液中p H变化情况60-62
• 4.5.2 对发酵液中碱度的影响62-64
• 4.5.3 对发酵液中NH4+-N的影响64-66
• 4.5.4 物料的TS与VS去除率66-70
• 4.6 有效碳氮比与有效有机负荷率70-76
• 4.6.1 有效碳氮比70-74
• 4.6.2 有效有机负荷率74-76
• 5 结论与建议76-78
• 5.1 结论76-77
• 5.2 建议77-78
• 创新点78-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-87
• 附录87-88
• 攻读博士学位期间发表的学术论文88

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