提高香蕉（Musa sapientum Linn.）秸稈厭氧消化性能的預(yù)處理方法及工藝研究

【摘要】：我國是農(nóng)業(yè)大國,大部分農(nóng)作物秸稈因得不到合理利用而被遺棄,甚至造成環(huán)境污染。以農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈為基質(zhì)的厭氧消化技術(shù),既可實(shí)現(xiàn)秸稈的減量化處理,又可為生產(chǎn)清潔能源提供有效原材料。然而,以木質(zhì)纖維素為主要成分的農(nóng)作物秸稈在厭氧消化中存在諸多難點(diǎn),不僅降解效果差,產(chǎn)氣效率低,而且由于秸稈密度小、體積大,吸水后會發(fā)生膨脹和漂浮,流動性差等特點(diǎn),很難直接使用已規(guī)?；瘧?yīng)用的反應(yīng)器進(jìn)行厭氧消化。因此,采用低成本、高效的預(yù)處理技術(shù),改善木質(zhì)纖維類農(nóng)作物秸稈的厭氧消化性能,并設(shè)計(jì)出適用于秸稈類固體物料的厭氧消化工藝,可為農(nóng)作物秸稈的大規(guī)模應(yīng)用提供解決途徑。本研究利用全自動甲烷潛能測試裝置,探討了化學(xué)預(yù)處理劑對香蕉秸稈厭氧消化性能的影響,并優(yōu)化了NaOH預(yù)處理的工藝參數(shù)。采用新型兩相一體厭氧消化反應(yīng)器,對香蕉秸稈厭氧消化的穩(wěn)定性和系統(tǒng)效率進(jìn)行研究,旨在為香蕉秸稈高效厭氧消化提供技術(shù)支撐。主要研究結(jié)果如下：(1)香蕉秸稈中纖維素和半纖維素含量較高,木質(zhì)素含量低,葡萄糖和木糖是秸稈的主要單糖組分；粒徑破碎至5mmn時可縮短香蕉秸稈的厭氧消化時間；采用傳統(tǒng)的單相全混反應(yīng)器對破碎處理的香蕉秸稈進(jìn)行厭氧消化,難以實(shí)現(xiàn)在高有機(jī)負(fù)荷率下的穩(wěn)定運(yùn)行；香蕉秸稈纖維易與攪拌裝置纏繞,在反應(yīng)器內(nèi)呈現(xiàn)非均質(zhì)態(tài),致使均質(zhì)態(tài)的厭氧污泥隨出料流失快,反應(yīng)器揮發(fā)性脂肪酸濃度迅速上升造成丙酸積累,因此反應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定,系統(tǒng)效率低下。(2)四種酸堿預(yù)處理劑,在不同預(yù)處理時間(3 d,7 d和14 d)和不同預(yù)處理溫度(20℃,30℃和50℃)下,對香蕉秸稈的化學(xué)組分及厭氧消化性能的影響表明：半纖維素的降解率與預(yù)處理時間和預(yù)處理溫度呈正相關(guān),纖維素和木質(zhì)素的降解率受預(yù)處理時間和溫度的影響不大；延長預(yù)處理時間和提高預(yù)處理溫度均會造成更多的秸稈干物質(zhì)損失,減少厭氧消化過程可利用的底物量；在30℃,4% NaOH處理7 d后,香蕉秸稈的甲烷產(chǎn)率最高,可達(dá)343.8 NmL CH4/gVS,推薦NaOH為香蕉秸稈預(yù)處理試劑。(3)不同NaOH添加量(2%,4%和6%)和不同厭氧消化進(jìn)料總固體濃度(4%,6%和8%)預(yù)處理香蕉秸稈的厭氧消化性能表明：NaOH預(yù)處理香蕉秸稈的最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件和厭氧消化參數(shù)為：香蕉秸稈含水率90%,NaOH添加量為香蕉秸稈干重的4%,30-C,處理7 d,厭氧消化進(jìn)料TS濃度為6%時,可獲得最高累積產(chǎn)甲烷量和甲烷產(chǎn)率,且均比未處理香蕉秸稈提高了81.1%,消化時間縮短近25%。以最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件處理香蕉秸稈后,利用連續(xù)攪拌式全混反應(yīng)器對預(yù)處理秸稈進(jìn)行連續(xù)厭氧消化試驗(yàn),結(jié)果表明：在水力停留時間為36 d,有機(jī)負(fù)荷率為1.8 kgVS/(m3·d)條件下可以穩(wěn)定運(yùn)行,VS去除率為55.4%,容積產(chǎn)氣率為0.64 Nm3/(m3·d),甲烷產(chǎn)率為0.31 Nm3CH4/kgVS.(4)新型兩相一體厭氧反應(yīng)器以續(xù)批式進(jìn)料方式,以10 d為進(jìn)出料周期,穩(wěn)定運(yùn)行220 d。在有機(jī)負(fù)荷率為2.2 kgVS/(m3·d)時,以新鮮香蕉秸稈為進(jìn)料,平均容積產(chǎn)氣率最高可達(dá)1.27 Nm3/(m3·d),最大甲烷產(chǎn)率為0.325 Nm3CH4/kgVS,揮發(fā)性固體去除率為62.5%；以NaOH預(yù)處理香蕉秸稈為進(jìn)料,每周期累積產(chǎn)氣量可提高11%,平均容積產(chǎn)氣率達(dá)1.41 Nm3/(m3·d),甲烷產(chǎn)率為0.37 Nm3CH4/kgVS, VS去除率達(dá)68.38%。堿預(yù)處理香蕉秸稈在新型兩相一體厭氧反應(yīng)器內(nèi)停留10 d后,其厭氧生物降解率達(dá)90%以上。(5)新型兩相一體厭氧反應(yīng)器內(nèi)部微生物種群結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不均一性,總體而言,水解產(chǎn)酸單元的細(xì)菌和古菌多樣性均高于產(chǎn)甲烷單元。水解產(chǎn)酸單元中有大量與纖維素降解和利用相關(guān)的細(xì)菌,嗜氫型甲烷菌與嗜乙酸型甲烷菌相對豐度相當(dāng)；甲烷單元中甲烷鬃毛菌占據(jù)絕對優(yōu)勢。以上結(jié)果說明：新型兩相一體厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷單元以利用乙酸產(chǎn)甲烷的途徑為主,在水解產(chǎn)酸單元中氫型和乙酸型產(chǎn)甲烷途徑共同存在,實(shí)現(xiàn)了同一反應(yīng)器內(nèi)的兩種產(chǎn)甲烷方式協(xié)調(diào)共存。新型兩相一體厭氧反應(yīng)器處理香蕉秸稈時不易產(chǎn)生浮渣,運(yùn)行過程中可實(shí)現(xiàn)固液分離,固體停留時間、水力停留時間和平均細(xì)胞停留時間分離,是適合香蕉秸稈高效厭氧消化的處理工藝。 【關(guān)鍵詞】：香蕉秸稈 厭氧消化 兩相一體 厭氧反應(yīng)器 微生物種群結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S216
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 英文縮寫詞表9-15
• 第一章 緒論15-31
• 1 香蕉秸稈的產(chǎn)生和處置現(xiàn)狀15-19
• 1.1 香蕉秸稈的產(chǎn)生與分布15
• 1.2 香蕉秸稈的利用現(xiàn)狀15-19
• 2 香蕉秸稈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)19-20
• 2.1 纖維素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)19-20
• 2.2 半纖維素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)20
• 2.3 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)20
• 2.4 香蕉秸稈特有的化學(xué)成分20
• 3 秸稈生物氣轉(zhuǎn)化存在的主要困難20-22
• 3.1 預(yù)處理技術(shù)方面21
• 3.2 厭氧消化工藝方面21
• 3.3 厭氧消化反應(yīng)器方面21-22
• 4 秸稈厭氧消化技術(shù)及進(jìn)展22-26
• 4.1 厭氧消化的基本理論22-23
• 4.2 厭氧處理工藝23-24
• 4.3 厭氧消化的影響因素24-26
• 5 秸稈預(yù)處理技術(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展26-29
• 5.1 物理預(yù)處理26-27
• 5.2 化學(xué)預(yù)處理27-28
• 5.3 微生物預(yù)處理28-29
• 6 本研究的目的、內(nèi)容和技術(shù)路線29-31
• 第二章 香蕉秸稈的厭氧生物可降解性及工藝運(yùn)行研究31-43
• 1 材料和方法31-35
• 1.1 試驗(yàn)原料31-32
• 1.2 試驗(yàn)接種物32
• 1.3 試驗(yàn)裝置32-33
• 1.4 試驗(yàn)儀器和分析測試方法33-35
• 2 結(jié)果與分析35-41
• 2.1 香蕉秸稈的基本理化特性35-36
• 2.2 破碎粒徑對香蕉秸稈厭氧消化性能的影響36-37
• 2.3 香蕉秸稈的厭氧產(chǎn)甲烷潛能37-39
• 2.4 香蕉秸稈的CSTR厭氧消化工藝研究39-41
• 3 本章小結(jié)41-43
• 第三章 化學(xué)預(yù)處理對香蕉秸稈生物降解性能的影響研究43-60
• 1 材料與方法43-46
• 1.1 試驗(yàn)材料43
• 1.2 預(yù)處理參數(shù)的確定43-44
• 1.3 厭氧消化參數(shù)的確定44-45
• 1.4 試驗(yàn)儀器和分析測試方法45-46
• 2 結(jié)果與分析46-59
• 2.1 預(yù)處理前后香蕉秸稈化學(xué)組分的變化46-50
• 2.2 預(yù)處理對香蕉秸厭氧消化性能的影晌50-59
• 3 本章小結(jié)59-60
• 第四章 NaOH預(yù)處理參數(shù)優(yōu)化及預(yù)處理香蕉秸稈的CSTR工藝研究60-72
• 1 材料與方法60-61
• 1.1 試驗(yàn)材料60
• 1.2 試驗(yàn)裝置60
• 1.3 試驗(yàn)儀器60
• 1.4 厭氧消化參數(shù)60
• 1.5 預(yù)處理參數(shù)的確定60-61
• 2 結(jié)果與分析61-70
• 2.1 NaOH預(yù)處理參數(shù)優(yōu)化結(jié)果61-68
• 2.2 NaOH預(yù)處理香蕉秸稈的CSTR工藝運(yùn)行研究68-70
• 3 本章小結(jié)70-72
• 第五章 香蕉秸稈兩相一體高效厭氧消化工藝研究72-88
• 1 材料與方法72-74
• 1.1 試驗(yàn)材料72
• 1.2 試驗(yàn)儀器和分析測試方法72
• 1.3 試驗(yàn)裝置72-73
• 1.4 反應(yīng)器運(yùn)行方案73-74
• 2 結(jié)果與分析74-87
• 2.1 新型兩相一體厭氧消化工藝的特點(diǎn)74-76
• 2.2 兩相一體厭氧消化工藝的穩(wěn)定性和系統(tǒng)效率研究76-81
• 2.3 兩相一體厭氧消化反應(yīng)器反應(yīng)動力學(xué)研究81-83
• 2.4 預(yù)處理前后香蕉秸稈兩相一體消化工藝比較83-87
• 3 本章小結(jié)87-88
• 第六章 兩相一體厭氧反應(yīng)器微生物種群結(jié)構(gòu)研究88-99
• 1 試驗(yàn)材料與研究方法88-91
• 1.1 污泥樣品來源88-89
• 1.2 樣品總DNA的提取89
• 1.3 高通量測序方法89
• 1.4 16s rDNA克隆文庫的構(gòu)建89-90
• 1.5 數(shù)據(jù)分析計(jì)算90-91
• 1.6 主要儀器與設(shè)備91
• 2 結(jié)果與分析91-98
• 2.1 微生物的樣品豐度和多樣性92-93
• 2.2 樣品間相似度分析93
• 2.3 微生物組成分析93-98
• 3 本章小結(jié)98-99
• 第七章 結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)與建議99-102
• 1 主要結(jié)論99-100
• 2 創(chuàng)新點(diǎn)100
• 3 建議100-102
• 參考文獻(xiàn)102-113
• 致謝113-114
• 個人簡歷及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文114

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來了解更多相關(guān)內(nèi)容

溫度對城市生活垃圾厭氧消化的影響    吳滿昌,孫可偉,李如燕,孫艷,張海東

稻草中溫厭氧消化產(chǎn)氣初步研究    鄒星星;鄭正;陳廣銀;李繼紅;楊世關(guān);

兩相連續(xù)固體床厭氧消化反應(yīng)器的試驗(yàn)    鮑安紅;

低維持厭氧消化系統(tǒng)及其出水后處理利用技術(shù)    楊浩;鄧良偉;孔垂雪;劉刈;李淑蘭;樊戰(zhàn)輝;

攪拌對麥秸厭氧消化性能影響的試驗(yàn)研究    傅國志;李秀金;袁海榮;馬淑勍;龐云芝;

信息長廊    蔣銘;聞有成;楊朝暉;劉育英;李小萌;王淳;

流動式厭氧消化試驗(yàn)車簡解    龔德根;

第5屆國際厭氧消化(沼氣)會議    吳力斌 ,趙一章

厭氧消化在立體養(yǎng)殖生態(tài)模式中的應(yīng)用    衛(wèi)克儉,李成

第6屆國際厭氧消化會議    章斌

特定有益菌對奶牛糞便中溫厭氧消化體系中指示菌存活的影響    孫翠平;柴同杰;張紅雙;姚美玲;李曉霞;段會勇;

生活垃圾與人糞尿混合厭氧消化的試驗(yàn)研究    韓艷霄;林聰;黃瑩;程東林;

林可霉素菌渣厭氧消化工況優(yōu)化及抑制因素分析    吳鐸;管冬興;呂凡;邵立明;何品晶;

城市生活垃圾厭氧消化反應(yīng)動力學(xué)分析    盧旭珍;邱凌;張波;

厭氧消化時間對養(yǎng)豬場廢水處理影響    吳根義;譚建純;顏智勇;楊仁斌;

生物質(zhì)廢物中溫聯(lián)合厭氧消化的動力學(xué)研究    王典;孫軼斐;王偉;朱天樂;

微量金屬元素對農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化的作用    潘云霞;

畜禽糞便與玉米秸稈厭氧消化產(chǎn)氣特性    羅娟;董保成;陳羚;高新星;萬小春;趙立欣;

秸稈厭氧消化系統(tǒng)pH調(diào)控措施初探    段娜;林聰;蘇珊;

四川省畜禽糞便的能源環(huán)境工程建設(shè)探討    吳香堯;

沒有最好 只有最適宜    吳文偉　馬婧一

沼氣產(chǎn)業(yè)：給2.8億噸秸稈找出路    黃朝武

從技術(shù)到制度    本報記者 陳衛(wèi)東通訊員 房樹芬

新加坡用木材廢料生產(chǎn)沼氣    張敬然

餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷工藝特性及其微生物學(xué)機(jī)理研究    郭曉慧

餐廚垃圾厭氧消化效率研究    裴占江

不同生物預(yù)處理對蘆竹和玉米秸稈及其厭氧消化性能影響研究    柳珊

微量元素添加對餐廚垃圾和雞糞厭氧消化性能的調(diào)控研究    張萬欽

提高香蕉（Musa sapientum Linn.）秸稈厭氧消化性能的預(yù)處理方法及工藝研究    王翀

基于提高麥秸厭氧消化性能的堿預(yù)處理方法研究及工程應(yīng)用    龐云芝

水解酶預(yù)處理對城市有機(jī)生活垃圾厭氧消化的影響    李建昌

微波結(jié)合堿解預(yù)處理改善剩余污泥厭氧消化效能的研究    池勇志

城市生活垃圾厭氧消化的關(guān)鍵生態(tài)因子強(qiáng)化研究    張記市

預(yù)處理對水葫蘆和稻秸厭氧消化產(chǎn)沼氣性能的影響研究    夏益華

外源氫強(qiáng)化厭氧消化產(chǎn)甲烷過程數(shù)學(xué)模擬研究    劉高杰

生物炭介導(dǎo)的雞糞厭氧消化碳氮形態(tài)轉(zhuǎn)化特性    蒲霜蘭

居民生物質(zhì)垃圾漿料沉降性能及相關(guān)分層物厭氧消化研究    仲猛

有機(jī)固體廢棄物厭氧、好氧發(fā)酵特性及細(xì)菌多樣性對比研究    梁銀春

預(yù)處理和Cr~(3+)對秸桿中溫厭氧消化影響的研究    王軍

低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣的研究    趙崧岐

蘭州市生活垃圾分類方案及典型有機(jī)組分厭氧消化實(shí)驗(yàn)研究    張明龍

鹽分和氨氮在餐廚垃圾干式厭氧消化系統(tǒng)中的積累及其對產(chǎn)氣的影響分析    唐波

小球藻高濃度厭氧消化產(chǎn)沼工藝研究    王楠楠

牛糞和鴨糞厭氧消化產(chǎn)氣的影響因素研究    李禮