生物預(yù)處理玉米秸稈厭氧干發(fā)酵特性及沼渣基質(zhì)利用的研究

【摘要】：我國農(nóng)作物秸稈資源豐富,有效利用秸稈等生物質(zhì)資源,將其轉(zhuǎn)化為高附加值的沼氣及有機(jī)副產(chǎn)物是秸稈能源化利用中的一項(xiàng)重要途徑。采用厭氧干發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行秸稈沼氣轉(zhuǎn)化由于提高了容積產(chǎn)氣能力已經(jīng)成為秸稈沼氣技術(shù)的研究熱點(diǎn)。然而,農(nóng)作物秸稈的特點(diǎn)是木質(zhì)纖維素含量較高,而厭氧微生物的木質(zhì)纖維素降解消化能力較弱,從而限制了秸稈生物氣化的大規(guī)模應(yīng)用。因此,針對(duì)原料特點(diǎn)開展秸稈厭氧發(fā)酵的預(yù)處理技術(shù)、干發(fā)酵產(chǎn)氣工藝及機(jī)制、殘留物利用等研究對(duì)推進(jìn)秸稈生物氣化的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要意義。本論文以玉米秸稈為研究對(duì)象,生物預(yù)處理技術(shù)為切入點(diǎn),開展厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣特性及殘留物沼渣基質(zhì)利用的研究。主要研究內(nèi)容如下： (1)采用稀釋平板法在愈創(chuàng)木酚固體選擇培養(yǎng)基、苯胺蘭篩選培養(yǎng)基和α-萘酚篩選培養(yǎng)基上,利用定性篩選和定量木質(zhì)磺酸鈣降解試驗(yàn)相結(jié)合的方法從林區(qū)朽木中分離篩選出漆酶活力較高的木質(zhì)素降解菌S4,對(duì)該菌株的生物學(xué)特性和液體發(fā)酵產(chǎn)木質(zhì)素降解酶的條件進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示菌株S4主要產(chǎn)生漆酶和木質(zhì)素過氧化物酶,培養(yǎng)最佳碳氮源為葡萄糖和酒石酸銨,培養(yǎng)條件為28℃、pH值為5.0、接種量5%,影響Lac產(chǎn)量的主要因素為酒石酸銨、Tween80和葡萄糖,最優(yōu)培養(yǎng)基組合為葡萄糖15g/L,酒石酸銨0.2g/L, MnSO40. 01g/L, Tween80 1g/L,優(yōu)化后Lac產(chǎn)量為279.5U/L,是優(yōu)化前的1.21倍；影響LiP產(chǎn)量的主要因素為葡萄糖和酒石酸銨,最優(yōu)培養(yǎng)基組合為葡萄糖15g/L,酒石酸銨0.4g/L,Tween80 0.5g/L,MnS040.015g/L,優(yōu)化后LiP產(chǎn)量為221.3U/L,是優(yōu)化前的1.16倍。 (2)綜合酶產(chǎn)生能力和兼容性試驗(yàn)結(jié)果,利用產(chǎn)酶互補(bǔ)的原則將Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor及與環(huán)境中篩選出的能協(xié)同降解木質(zhì)素的菌株S4進(jìn)行混合培養(yǎng)降解玉米秸稈,通過對(duì)溫度、含水率、接種量和培養(yǎng)時(shí)間等降解條件進(jìn)行研究,結(jié)果表明混合菌降解玉米秸稈較優(yōu)的培養(yǎng)條件為28℃、含水量65%、接種量5%,此時(shí)7d-15d木質(zhì)素降解速率較快,20d固態(tài)發(fā)酵的木質(zhì)素降解率為35.75%。將混合菌用于玉米秸稈厭氧干發(fā)酵前的預(yù)處理,結(jié)合木質(zhì)素的降解和厭氧干發(fā)酵啟動(dòng)及30d累積產(chǎn)沼氣情況,確定預(yù)處理時(shí)間為11d,預(yù)處理后木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的降解率分別為28.74%、17.74%和28.35%,有效縮短后續(xù)發(fā)酵的啟動(dòng)時(shí)間。利用掃描式電子顯微鏡和紅外光譜分析儀對(duì)降解前后的玉米秸稈對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)玉米秸稈表面形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化,紅外光譜中的芳香環(huán)和醚鍵吸收減少,說明混合菌對(duì)木質(zhì)素有較強(qiáng)降解作用。 (3)在比較不同生物預(yù)處理產(chǎn)氣效果的基礎(chǔ)上,研究了玉米秸稈經(jīng)混合菌生物預(yù)處理后,在溫度、粒徑、總固體濃度、接種物添加量、C/N不同的條件下,其厭氧干發(fā)酵沼氣生產(chǎn)過程穩(wěn)定性及沼氣產(chǎn)量的變化。結(jié)果表明混合菌預(yù)處理玉米秸稈厭氧干發(fā)酵效果最好,累積產(chǎn)氣量高于堆腐處理組21.2%,青貯后玉米秸稈用于發(fā)酵需定期監(jiān)測(cè)并調(diào)節(jié)基質(zhì)pH值,否則易引起消化障礙；高溫發(fā)酵有優(yōu)勢(shì),但能耗大,中溫35℃較適合玉米秸稈厭氧干發(fā)酵；減小玉米秸稈粒徑對(duì)厭氧消化具有促進(jìn)作用,一定范圍內(nèi)粒徑越小達(dá)到產(chǎn)氣高峰的時(shí)間越短,但粒徑過小影響底物疏松狀態(tài),試驗(yàn)條件下粒徑為1-3mm的玉米秸稈干發(fā)酵效果及產(chǎn)氣穩(wěn)定性最好?？偣腆w濃度對(duì)玉米秸稈的厭氧發(fā)酵也有顯著影響,在保證較高的處理效率的情況下,選擇較低的總固體濃度有利于后期產(chǎn)甲烷階段的進(jìn)行。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選擇混合菌預(yù)處理、中溫(35℃),粒徑1-3mm的條件下,利用響應(yīng)面法進(jìn)行進(jìn)一步的工藝參數(shù)優(yōu)化,確定出最優(yōu)的工藝條件為原料TS濃度為21.4%,接種物添加量為25.5%,初始C/N為30.2：1,累積產(chǎn)氣量相比優(yōu)化前提高23.15%。最優(yōu)工藝條件下,100d發(fā)酵周期的玉米秸稈干發(fā)酵試驗(yàn),發(fā)酵原料TS產(chǎn)氣率為0.476L/g,沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)平均為50.13%。優(yōu)化后工藝條件有效促進(jìn)了玉米秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的進(jìn)行,為玉米秸稈厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供理論依據(jù)。 (4)通過對(duì)玉米秸稈厭氧干發(fā)酵殘留物的營養(yǎng)成分及污染性指標(biāo)測(cè)試分析,結(jié)果表明：以玉米秸稈為原料的發(fā)酵殘留物中含有豐富的營養(yǎng)性物質(zhì),其中沼渣中各種營養(yǎng)成分明顯高于沼液,沼渣中全氮、全磷和全鉀含量均較高,相對(duì)于畜禽糞便發(fā)酵后的沼渣相比處于較高水平。對(duì)照農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)(GB4284-84),本試驗(yàn)條件下的沼渣中各重金屬元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。表明沼渣不僅含有豐富的營養(yǎng)元素,并且可作為一種高效無公害有機(jī)基質(zhì)的原料長期使用。 (5)不同配比的沼渣基質(zhì)容重、含水量、pH值、EC值等指標(biāo)均在適宜范圍內(nèi),其中沼渣：蛭石為1：2-3的處理促進(jìn)根系發(fā)育,干物質(zhì)積累多,光系統(tǒng)(PSⅡ)有較大的光合電子受體庫(Sm),可接受較多的電子,有利于在電子傳遞鏈中的傳遞,使光能的最大轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)及PSⅡ的潛在活性(Fv/Fo)提高。添加一定比例的沼渣后,改變了基質(zhì)的微生物區(qū)系組成,明顯提高草莓根際基質(zhì)中放線菌和細(xì)菌的比例,其中沼渣：蛭石為1：2處理中細(xì)菌/真菌為對(duì)照的3.09倍,放線菌/真菌比例達(dá)76.23倍,基質(zhì)中活性物質(zhì)的提高改善了草莓根際環(huán)境,表現(xiàn)為草莓根系活力比對(duì)照提高了19.17%,根系總呼吸速率較對(duì)照顯著提高47.67%,根系生化呼吸代謝途徑向產(chǎn)能較高的TCA呼吸途徑轉(zhuǎn)化,為植株良好發(fā)育提供能量。 (6)干旱逆境下,沼渣：蛭石為1：2基質(zhì)的草莓植株凈光合速率較對(duì)照顯著提高44.39%,植株的水分利用效率提高,草莓葉片PSⅡ電子傳遞體未受到明顯傷害；低溫條件下沼渣：蛭石為1：3處理葉片Pn處于較高水平,但PSⅡ受體側(cè)電子從QA-向QB-的傳遞受到一定的抑制；強(qiáng)光照條件下沼渣：蛭石為1：2處理光化學(xué)性能指數(shù)(PIABC)明顯高于其他處理,光合電子傳遞效率高。研究表明沼渣：蛭石為1：2處理的草莓植株抗逆性強(qiáng),是一種較為理想的栽培基質(zhì)。 【關(guān)鍵詞】：玉米秸稈 生物預(yù)處理 厭氧干發(fā)酵 沼渣基質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：S216.4
【目錄】：

• 摘要10-13
• Abstract13-17
• 第一章 緒論17-42
• 1.1 課題的提出及研究意義17-20
• 1.1.1 課題的提出17-18
• 1.1.2 課題的研究意義18-20
• 1.2 秸稈資源性質(zhì)及綜合利用現(xiàn)狀20-27
• 1.2.1 秸稈的種類、產(chǎn)量及性質(zhì)20-23
• 1.2.2 秸稈能源利用模式分析23-27
• 1.3 秸稈厭氧發(fā)酵技術(shù)的研究現(xiàn)狀27-40
• 1.3.1 原料預(yù)處理27-34
• 1.3.2 外源添加物34-35
• 1.3.3 厭氧發(fā)酵過程及工藝35-38
• 1.3.4 殘留物利用38-40
• 1.4 論文的研究思路與主要內(nèi)容40-42
• 第二章 木質(zhì)素降解菌的篩選及其產(chǎn)酶條件的研究42-66
• 2.1 試驗(yàn)材料與方法43-50
• 2.1.1 試驗(yàn)材料43-45
• 2.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)45-48
• 2.1.3 測(cè)試分析48-50
• 2.1.4 數(shù)據(jù)分析50
• 2.2 結(jié)果與分析50-65
• 2.2.1 木質(zhì)素降解菌初篩結(jié)果50-54
• 2.2.2 菌株S4在培養(yǎng)過程中生物量、PH及產(chǎn)酶情況分析54-56
• 2.2.3 菌株S4的產(chǎn)酶條件分析56-65
• 2.3 小結(jié)65-66
• 第三章 混合菌降解玉米秸稈條件的試驗(yàn)研究66-79
• 3.1 試驗(yàn)材料與方法67-69
• 3.1.1 試驗(yàn)材料67
• 3.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)67-68
• 3.1.3 分析測(cè)試68-69
• 3.1.4 數(shù)據(jù)分析69
• 3.2 結(jié)果與分析69-77
• 3.2.1 混合菌液體產(chǎn)酶及固態(tài)發(fā)酵試驗(yàn)分析69-70
• 3.2.2 混合菌預(yù)處理玉米秸稈條件的研究70-73
• 3.2.3 混合菌降解玉米秸稈預(yù)處理時(shí)間的確定73-74
• 3.2.4 預(yù)處理對(duì)玉米秸稈微觀物理結(jié)構(gòu)分析74-75
• 3.2.5 預(yù)處理對(duì)玉米秸稈化學(xué)結(jié)構(gòu)影響分析75-77
• 3.3 小結(jié)77-79
• 第四章 玉米秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣特性及影響因素研究79-100
• 4.1 試驗(yàn)材料與方法79-84
• 4.1.1 試驗(yàn)材料79-80
• 4.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)80-82
• 4.1.3 分析測(cè)試82-84
• 4.1.4 數(shù)據(jù)分析84
• 4.2 結(jié)果與分析84-98
• 4.2.1 預(yù)處理方式對(duì)秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律的影響84-87
• 4.2.2 溫度對(duì)秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律的影響87-89
• 4.2.3 粒徑對(duì)秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律的影響89-92
• 4.2.4 TS對(duì)秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律的影響92-93
• 4.2.5 接種物投加量對(duì)秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律的影響93-96
• 4.2.6 原料碳氮比對(duì)秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律的影響96-98
• 4.3 小結(jié)98-100
• 第五章 玉米秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝條件優(yōu)化100-107
• 5.1 試驗(yàn)材料與方法100-101
• 5.1.1 試驗(yàn)材料100
• 5.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)100-101
• 5.1.3 分析測(cè)試101
• 5.1.4 數(shù)據(jù)分析101
• 5.2 結(jié)果與分析101-106
• 5.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果101-102
• 5.2.2 二次回歸模型擬合及方差分析102-103
• 5.2.3 響應(yīng)面分析及最優(yōu)工藝條件的確定和驗(yàn)證103-104
• 5.2.4 最優(yōu)工藝條件發(fā)酵試驗(yàn)104-106
• 5.3 小結(jié)106-107
• 第六章 基于沼渣的有機(jī)栽培基質(zhì)的研究107-129
• 6.1 試驗(yàn)材料與方法107-111
• 6.1.1 試驗(yàn)材料107-108
• 6.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)108-109
• 6.1.3 測(cè)定方法109-111
• 6.1.4 數(shù)據(jù)分析111
• 6.2 結(jié)果與分析111-127
• 6.2.1 發(fā)酵殘留物成分分析及評(píng)價(jià)111-112
• 6.2.2 不同配比沼渣基質(zhì)的理化性質(zhì)分析112-113
• 6.2.3 不同配比沼渣基質(zhì)對(duì)植株生長發(fā)育的影響113-115
• 6.2.4 不同配比沼渣基質(zhì)對(duì)植株葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/span>115-117
• 6.2.5 逆境條件下添加沼渣對(duì)基質(zhì)性質(zhì)及植株生長發(fā)育的影響117-126
• 6.2.6 討論126-127
• 6.3 小結(jié)127-129
• 第七章 結(jié)論與展望129-133
• 7.1 結(jié)論129-131
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)131
• 7.3 展望131-133
• 參考文獻(xiàn)133-145
• 致謝145-146
• 攻讀學(xué)位論文期間發(fā)表文章146

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機(jī)械化秸稈還田技術(shù)及配套機(jī)具(綜述)    夏萍,江家伍

利用回歸模型比較秸稈利用方式    韓佳慧;楊揚(yáng);張景來;

利用木薯渣進(jìn)行纖維素分解菌混合發(fā)酵工藝研究    林捷;譚兆贊;羅偉誠;

不同基質(zhì)通透性對(duì)草莓生長及光合特性的影響    杜國棟;郭修武;武建;蔡明;

施用沼肥對(duì)溫室內(nèi)草莓產(chǎn)量及品質(zhì)的影響    陳道華;劉慶玉;艾天;李金洋;

畜禽糞便處理利用現(xiàn)狀、問題與展望    陳通;

    記者　李陳續(xù)

生物纖維原料汽爆預(yù)處理技術(shù)與應(yīng)用研究    王許濤

稻田土壤對(duì)甲烷的吸收作用及其影響因素研究    張弛

生菜水培營養(yǎng)液配方模型構(gòu)建及專家系統(tǒng)的建立    楊振超

草莓基質(zhì)栽培研究    張全軍

有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵特性的研究    周嶺

麗格海棠無土栽培基質(zhì)和營養(yǎng)液配方的優(yōu)化篩選    李文杰

生物與化學(xué)預(yù)處理對(duì)玉米秸稈生物氣產(chǎn)量的影響研究    楊懂艷

畜禽糞便高溫厭氧干發(fā)酵罐加熱保溫研究    晏水平

畜禽糞便厭氧干發(fā)酵處理攪拌反應(yīng)器的研究設(shè)計(jì)    甘如海

畜禽糞便高溫厭氧干發(fā)酵關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究    何麗紅

沼氣發(fā)酵生態(tài)系統(tǒng)與殘留物綜合利用技術(shù)研究    王金花

生物陶粒反應(yīng)器水源水處理工藝研究    李永秋，王占生

上?；菽纤畯S微污染水源水生物預(yù)處理工程設(shè)計(jì)    張華,徐彬士

上海惠南水廠生物預(yù)處理工藝的運(yùn)行效果    張華

飲用水處理中的生物預(yù)處理工藝    王琳

微污染原水生物預(yù)處理填料選型    金曉云,俞國平

人工YDT及PWT填料接觸氧化池生物預(yù)處理效果與原水BOD_5/COD_(Cr)的關(guān)系    楊文進(jìn),李樹苑,李家就,周力,張懷宇,張賜承,田應(yīng)芳,雷培樹,王早文,劉海燕

組合工藝流程處理微污染源水研究    葛旭,陸坤明

微污染水源水生物預(yù)處理氨氮去除影響因素探討    張文妍,朱亮,薛紅琴

一組水質(zhì)及水處理技術(shù)信息    王占生

懸浮填料在微污染原水生物預(yù)處理中的應(yīng)用    周建平,鄭國興

BPSS&CF秸稈纖維燃料乙醇生產(chǎn)工藝的試驗(yàn)研究(英文)    宋安東;張百良;吳坤;杜風(fēng)光;

BIOSMEDI生物濾池處理微污染源水    鄒偉國;李春森;萬毅峰;鄭一寧;

生物預(yù)處理麥草化學(xué)機(jī)械法制漿的研究    盧雪梅;胡明;高培基;

厭氧發(fā)酵過程數(shù)學(xué)模型研究    何光設(shè);蔣恩臣;

東深源水生物預(yù)處理工程停水期間及通水后填料上動(dòng)物群落的研究    陳漢輝;

微污染高藻湖泊水深度處理的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究    鐘燕敏;周建平;

東深源水生物預(yù)處理對(duì)深圳水庫水生態(tài)環(huán)境的影響    陳漢輝;

白腐菌預(yù)處理竹粉獲取還原糖的可行性研究    徐春燕;張曉昱;

白腐菌降解生物質(zhì)木質(zhì)素分子機(jī)制研究    楊雪薇;張曉昱;

白腐菌不同極性與木質(zhì)素降解關(guān)系研究    黃慧艷;孫中六;張曉昱;

三水廠生物預(yù)處理項(xiàng)目加快建設(shè)    傅益群王嵐

生物預(yù)處理在微污染水源水凈化中的應(yīng)用    王占生

嘉興制水模式贏取掌聲一片    記者　 徐行翔

破解城市垃圾處理難點(diǎn)    記者 李新龍 通訊員 陳繼榮

白腐真菌在秸稈飼料資源開發(fā)中的應(yīng)用前景    趙紅霞楊建軍 詹勇

松江將建景觀垃圾處理廠    記者 宋鵬霞

大幅度改善飲用水質(zhì)    本版編輯本報(bào)記者 陳果 實(shí)習(xí)生 黃亞婷 花箋

嘉興市民喝水更放心    記者　 褚定華 陳培華 通訊員　 葉萍

尋求高效的垃圾處理新路徑    建設(shè)部城市建設(shè)司副司長 張悅

打造“讓群眾滿意 使政府放心”工程    

生物預(yù)處理玉米秸稈厭氧干發(fā)酵特性及沼渣基質(zhì)利用的研究    趙玲

麥草原料生物預(yù)處理與酚類化合物生物降解動(dòng)力學(xué)研究    李群

生物質(zhì)白腐菌改性與抗性變化的關(guān)系研究    徐春燕

木質(zhì)素降解微生物特性及其對(duì)農(nóng)業(yè)廢物堆肥腐殖化的影響研究    黃紅麗

同步厭氧脫氮除硫工藝及微生物學(xué)特性的研究    蔡靖

農(nóng)業(yè)廢物堆肥化中木質(zhì)素的降解及其微生物特性研究    郁紅艷

白腐菌生物處理草漿堿法蒸煮黑液研究    王宏勛

糙皮側(cè)耳（Pleurotus ostreatus）降解棉漿黑液木質(zhì)素的研究    趙麗紅

城市生活垃圾堆肥過程管理中的綜合處理與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究    劉劍瀟

基于非培養(yǎng)生物技術(shù)的堆肥微生物群落研究及木質(zhì)纖維素降解    喻曼

纖維素乙醇生產(chǎn)中木質(zhì)素生物預(yù)處理工藝研究    盛濤

生活垃圾生物預(yù)處理及產(chǎn)物堆肥化研究    劉曉

生物預(yù)處理—常規(guī)處理—膜處理工藝凈水技術(shù)的研究    陳小春

基于玉米秸稈乙醇化的氨化預(yù)處理與酶解工藝研究    晏飛來

竹材木質(zhì)素降解菌的選育    梁帥

竹材木質(zhì)素降解菌營養(yǎng)調(diào)控及產(chǎn)酶影響因子研究    董曉娜

高溫木質(zhì)素降解菌Geobacillus caldoxylosilyticus J16的篩選及其產(chǎn)酶發(fā)酵性質(zhì)研究    晉果果

木質(zhì)素溶劑熱降解研究    陳嘯

堆肥中木質(zhì)降解素復(fù)合菌的篩選及其生理特性研究    蔣榮清

化學(xué)氧化法裂解木質(zhì)素    趙磊