作物秸稈沼氣轉(zhuǎn)化潛力及厭氧種泥活性保存規(guī)律研究

【摘要】：農(nóng)作物秸稈是重要的沼氣生產(chǎn)原料,本研究針對秸稈生物降解率低及產(chǎn)氣效率差等問題,利用物理化學(xué)聯(lián)合預(yù)處理技術(shù),系統(tǒng)地評價了堿種類、堿濃度以及氣爆與堿處理聯(lián)用對玉米秸稈厭氧消化性能的影響；并通過批式厭氧發(fā)酵實驗,詳盡地探討了甘薯藤單發(fā)酵及其與牛糞不同配比或同一配比不同含固率的共發(fā)酵沼氣轉(zhuǎn)化潛力。厭氧反應(yīng)器的高效啟動對沼氣工程極為重要,反應(yīng)器啟動過程中需要大量的微生物菌源,而厭氧微生物的培養(yǎng)耗時長,種泥運輸成本高。為實現(xiàn)厭氧反應(yīng)器的快速低耗啟動,本研究以高溫厭氧污泥為研究對象,系統(tǒng)地評價了貯存時間及貯存溫度對高溫厭氧濃縮污泥產(chǎn)甲烷活性的影響,為以濃縮污泥為菌源啟動高溫厭氧反應(yīng)裝置提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：(1)玉米秸稈經(jīng)不同濃度NaOH或KOH以及氣爆與NaOH或氣爆與KOH聯(lián)合預(yù)處理作用后,木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞；并隨堿濃度的增加,木質(zhì)素和半纖維素含量逐漸降低。與未處理玉米秸稈相比,單獨堿預(yù)處理和氣爆與堿聯(lián)合預(yù)處理秸稈木質(zhì)素含量降低了18%-73%,半纖維素含量降低了11%-76%。相同堿濃度下：對木質(zhì)素和半纖維素的破壞能力,單用NaOH的效果大于單用KOH；氣爆與堿聯(lián)合預(yù)處理時,NaOH僅對木質(zhì)素的破壞能力強于KOH。原料產(chǎn)甲烷潛力測試結(jié)果表明,與未處理玉米秸稈相比,單獨堿預(yù)處理及氣爆與堿聯(lián)合預(yù)處理秸稈最大甲烷生成速率明顯提高了44%～258%,厭氧消化T80時間縮短了5-11天；在15%和20%高濃度堿預(yù)處理作用下,玉米秸稈甲烷累積產(chǎn)氣量提高了1.0%-24.6%。(2)原料產(chǎn)甲烷潛力測試結(jié)果表明,甘薯藤和牛糞的產(chǎn)甲烷潛力分別為208.5和194.5 mL/g VSadded；且與牛糞相比,甘薯藤具有較高的產(chǎn)氣速率。不同配比甘薯藤與牛糞批式共發(fā)酵實驗結(jié)果表明：底物添加量為50g-VS/L條件下,在厭氧發(fā)酵前20天內(nèi),與原料單發(fā)酵相比,所有共發(fā)酵處理均具有正向的甲烷產(chǎn)氣協(xié)同性,并且產(chǎn)氣速率穩(wěn)定；甘薯藤與牛糞共發(fā)酵工藝有效地縮短了原料單發(fā)酵厭氧消化T80時間。不同含固率下甘薯藤與牛糞固定配比(5：5和2：8)批式厭氧發(fā)酵結(jié)果表明：隨底物添加量的增加,共發(fā)酵處理的原料特殊產(chǎn)甲烷效率逐漸下降,而甲烷容積產(chǎn)氣率明顯升高。(3)對不同菌源高溫厭氧污泥分別進(jìn)行離心濃縮處理和離心及真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮處理,并對濃縮污泥產(chǎn)甲烷活性進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明,以餐廚垃圾為發(fā)酵底物且底物與種泥添加比(S/I Ratio)為1：1條件下,原始種泥經(jīng)過濃縮處理后,厭氧消化最大甲烷產(chǎn)氣速率均有不同程度下降。以市政污水處理廠厭氧污泥為菌源,濃縮污泥產(chǎn)甲烷潛力與其原始種泥較為相近；以沼氣工廠厭氧反應(yīng)器污泥為菌源,離心濃縮污泥甲烷累積產(chǎn)氣量比其原始污泥提高了7.0%,但離心及旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮污泥因厭氧反應(yīng)初期揮發(fā)性脂肪酸的積累而導(dǎo)致厭氧發(fā)酵失敗。(4)高溫厭氧反應(yīng)器原始種泥經(jīng)離心濃縮處理后,污泥含水率下降至82.0%；離心后的污泥經(jīng)進(jìn)一步真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮處理后,含水率降至71.5%。將原始種泥及兩種濃縮污泥置于20±2℃培養(yǎng)箱內(nèi),分別保存了2個月和4個月。以餐廚垃圾和脫脂奶粉為發(fā)酵底物,在S/I Ratio為1：2發(fā)酵條件下,測定貯存污泥的產(chǎn)甲烷活性變化。結(jié)果表明,未貯存原始種泥甲烷累積產(chǎn)氣量最高,貯存的原始種泥及濃縮污泥甲烷累積產(chǎn)氣量下降了1%-34%；與貯存2個月的濃縮污泥相比,貯存4個月的濃縮污泥甲烷累積產(chǎn)氣量及最大產(chǎn)甲烷速率均有所提高。(5)將高溫厭氧污泥進(jìn)行離心濃縮處理,并在不同溫度下(7℃,20℃,55℃)保存10個月。以保存后的離心濃縮污泥為菌源,以葡萄糖、乙酸和成分復(fù)雜的餐廚垃圾為發(fā)酵底物進(jìn)行批式厭氧發(fā)酵實驗,評價了不同保存溫度對離心濃縮污泥產(chǎn)甲烷活性的影響以及濃縮污泥微生物活性的恢復(fù)能力。實驗結(jié)果表明：7℃下保存的濃縮污泥具有最高甲烷累積產(chǎn)氣量和最大甲烷產(chǎn)氣速率；55℃下保存的濃縮污泥甲烷累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率均最低,但具有最快的微生物活性恢復(fù)速率。 【關(guān)鍵詞】：農(nóng)作物秸稈 預(yù)處理技術(shù) 共發(fā)酵工藝 厭氧污泥 濃縮污泥 活性保存
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S216.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 縮略語表8-12
• 第一章 緒論12-27
• 1.1 研究背景及意義12-14
• 1.1.1 能源與環(huán)境危機12-13
• 1.1.2 生物質(zhì)能源13
• 1.1.3 產(chǎn)業(yè)沼氣13-14
• 1.2 厭氧發(fā)酵技術(shù)14-19
• 1.2.1 厭氧發(fā)酵原料多樣性14-16
• 1.2.2 厭氧發(fā)酵基本理論16-19
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-25
• 1.3.1 木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理技術(shù)19-22
• 1.3.2 木質(zhì)纖維素原料的厭氧共發(fā)酵工藝22-23
• 1.3.3 厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性的研究進(jìn)展23-25
• 1.4 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線25-27
• 1.4.1 研究目標(biāo)25
• 1.4.2 研究內(nèi)容25-26
• 1.4.3 技術(shù)路線26-27
• 第二章 玉米秸稈的預(yù)處理方法對沼氣轉(zhuǎn)化效果的影響27-52
• 2.1 材料與方法27-32
• 2.1.1 實驗材料27-28
• 2.1.2 預(yù)處理方法28-29
• 2.1.3 厭氧甲烷發(fā)酵29-30
• 2.1.4 測定項目和方法30-32
• 2.2 結(jié)果與分析32-50
• 2.2.1 玉米秸稈的理化性質(zhì)32-34
• 2.2.2 玉米秸稈掃描電鏡分析34-37
• 2.2.3 預(yù)處理后黑液pH的變化37-38
• 2.2.4 預(yù)處理后黑液VFA的變化38-39
• 2.2.5 預(yù)處理后黑液SCOD的變化39-40
• 2.2.6 厭氧發(fā)酵BMP測定40-49
• 2.2.7 厭氧發(fā)酵動力學(xué)分析49-50
• 2.3 結(jié)論50-52
• 第三章 甘薯藤與牛糞共發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究52-70
• 3.1 材料與方法52-55
• 3.1.1 實驗材料52-53
• 3.1.2 厭氧甲烷發(fā)酵53
• 3.1.3 測定項目與方法53-54
• 3.1.4 數(shù)據(jù)分析和計算54-55
• 3.2 結(jié)果與分析55-68
• 3.2.1 原料的基本性質(zhì)55-56
• 3.2.2 厭氧發(fā)酵BMP測定56-58
• 3.2.3 不同配比甘薯藤和牛糞的共發(fā)酵產(chǎn)氣特征58-63
• 3.2.4 甘薯藤與牛糞5：5配比條件下不同含固率批式厭氧發(fā)酵效果63-65
• 3.2.5 甘薯藤與牛糞2：8配比條件下不同含固率批式厭氧發(fā)酵效果65-68
• 3.3 小結(jié)68-70
• 第四章 濃縮對兩種菌源厭氧種泥產(chǎn)甲烷活性的影響70-80
• 4.1 材料與方法70-73
• 4.1.1 實驗材料70
• 4.1.2 實驗設(shè)計70-71
• 4.1.3 測定項目及方法71-72
• 4.1.4 數(shù)據(jù)分析方法72-73
• 4.2 結(jié)果與分析73-78
• 4.2.1 發(fā)酵原料與厭氧污泥73-74
• 4.2.2 不同菌源厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性74-75
• 4.2.3 兩種菌源離心濃縮污泥產(chǎn)甲烷活性75-76
• 4.2.4 兩種菌源離心及旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮污泥產(chǎn)甲烷活性76-77
• 4.2.5 兩種菌源原始污泥及濃縮污泥產(chǎn)甲烷活性的綜合評價77-78
• 4.2.6 產(chǎn)甲烷活性動力學(xué)分析78
• 4.3 結(jié)論78-80
• 第五章 貯存時間對厭氧種泥產(chǎn)甲烷活性的影響80-94
• 5.1 材料與方法80-82
• 5.1.1 實驗材料80-81
• 5.1.2 實驗設(shè)計81-82
• 5.1.3 測定項目及方法82
• 5.1.4 數(shù)據(jù)分析方法82
• 5.2 結(jié)果與分析82-92
• 5.2.1 發(fā)酵原料與厭氧污泥82-83
• 5.2.2 貯存時間對原始種泥產(chǎn)甲烷活性的影響83-85
• 5.2.3 貯存時間對離心濃縮污泥產(chǎn)甲烷活性的影響85-87
• 5.2.4 貯存時間對離心及旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮污泥產(chǎn)甲烷活性的影響87-88
• 5.2.5 原始種泥與濃縮污泥在貯存過程中產(chǎn)甲烷活性的綜合評價88-91
• 5.2.6 產(chǎn)甲烷活性動力學(xué)分析91-92
• 5.3 結(jié)論92-94
• 第六章 貯存溫度對厭氧種泥產(chǎn)甲烷活性的影響94-109
• 6.1 材料與方法94-96
• 6.1.1 實驗材料94
• 6.1.2 實驗設(shè)計94-95
• 6.1.3 測定項目及方法95
• 6.1.4 數(shù)據(jù)分析方法95-96
• 6.2 結(jié)果與分析96-108
• 6.2.1 發(fā)酵原料與厭氧污泥96
• 6.2.2 三種溫度保存的濃縮污泥在葡萄糖培養(yǎng)下的產(chǎn)甲烷活性變化96-100
• 6.2.3 三種溫度保存的濃縮污泥在乙酸培養(yǎng)下的產(chǎn)甲烷活性變化100-104
• 6.2.4 三種溫度保存的濃縮污泥在餐廚垃圾培養(yǎng)下的產(chǎn)甲烷活性變化104-108
• 6.3 結(jié)論108-109
• 第七章 結(jié)論與展望109-112
• 7.1 主要結(jié)論109-111
• 7.2 研究創(chuàng)新點111
• 7.3 研究展望111-112
• 參考文獻(xiàn)112-121
• 致謝121-122
• 作者簡介122-123

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