利用仿生反應(yīng)器厭氧消化玉米秸稈研究

【摘要】：我國每年大量的玉米秸稈被閑置或焚燒,以玉米秸稈為原料厭氧消化生產(chǎn)沼氣有利于環(huán)境、生態(tài)、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。玉米秸稈是草本木質(zhì)纖維素生物質(zhì),其特殊的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)使厭氧消化過程中秸稈的水解效率較低,從而影響后續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)的有效進(jìn)行。本文以玉米秸稈為原料,模擬反芻動(dòng)物高效消化木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的原理,設(shè)計(jì)了仿生厭氧消化反應(yīng)器,并開展了厭氧消化研究,旨在提高玉米秸稈厭氧消化生產(chǎn)沼氣的效率,通過分析玉米秸稈的產(chǎn)氣情況、固相特性、液相特性以及它們的光譜學(xué)特性,考察了仿生反應(yīng)器的可行性、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和產(chǎn)氣的高效性；探討了pH條件對(duì)玉米秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響。主要研究結(jié)果如下： 構(gòu)建了基于反芻動(dòng)物消化策略的仿生反應(yīng)器,反應(yīng)器由上下兩部分組成,中間用可更換式篩網(wǎng)隔開,形成完全消化與未完全消化物質(zhì)的有效分離和液相回流的厭氧消化系統(tǒng)。該反應(yīng)器模擬了反芻動(dòng)物胃的區(qū)域化和食糜的分層,有機(jī)物從反應(yīng)器上部玉米秸稈的固相釋放到液體中,液體通過篩網(wǎng)過濾轉(zhuǎn)移到反應(yīng)器下部,使反應(yīng)器上部玉米秸稈中固體含量逐漸減少,反應(yīng)器下部液相中有機(jī)物有效增加。利用仿生反應(yīng)器降解玉米秸稈,每24h將反應(yīng)器下部液相的1/3回流到反應(yīng)器上部固相,總液體產(chǎn)生量為76.39mL/gVS。反應(yīng)器上部和反應(yīng)器下部的最高揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度分別達(dá)到31.2g/L和15.75g/L,反應(yīng)器下部溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)/總化學(xué)需氧量(TCOD)比率基本保持在90%以上。仿生反應(yīng)器上部固相TSS的減少量和VSS的減少量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,VSS減/TSS減達(dá)到89.68%,表明仿生反應(yīng)器中有機(jī)物質(zhì)的液化效果良好。采用仿生反應(yīng)器厭氧消化的最高產(chǎn)氣速率達(dá)到21.6mL/gVS·d,累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到256.52mL/gVS,表明仿生反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了玉米秸稈良好的液化效果,并顯著促進(jìn)了后續(xù)產(chǎn)甲烷活動(dòng)的高效進(jìn)行。 利用三維熒光光譜(EEM)和傅里葉紅外變換光譜(FTIR)分析了仿生反應(yīng)器內(nèi)玉米秸稈厭氧消化過程固相和液相中有機(jī)物的組成和結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示,厭氧消化前期在Ex/Em:420/495nm和Ex/Em:430/514nm處出現(xiàn)了輔酶F420和核黃素兩個(gè)熒光吸收峰,輔酶F420熒光強(qiáng)度較高；厭氧消化后期在Ex/Em:280/356-361nm和Ex/Em:340/425-440nm處出現(xiàn)了蛋白質(zhì)和輔酶NADH兩個(gè)主要熒光吸收峰,但是熒光強(qiáng)度均較低。FTIR光譜顯示反應(yīng)器上部吸收峰強(qiáng)度明顯強(qiáng)于反應(yīng)器下部吸收峰強(qiáng)度,有機(jī)物組分主要與脂質(zhì)類、纖維素、碳水化合物等物質(zhì)相關(guān)。 微堿性的厭氧消化環(huán)境有利于提高用玉米秸稈生產(chǎn)甲烷的效率。不同pH條件對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的pH值、堿度、VFA、SCOD等影響顯著。各系統(tǒng)產(chǎn)氣主要集中在厭氧消化前6天。不同pH條件的厭氧消化系統(tǒng),累計(jì)產(chǎn)氣量從大到小依次為：pH值=7pH值=9pH值=5pH值=11,pH為7時(shí)的累計(jì)產(chǎn)氣量分別為pH值=9、pH值=5和pH值=11時(shí)的1.11、3.23和6.71倍。 利用EEM光譜和紫外(UV)光譜分析了不同pH值條件厭氧消化系統(tǒng)液相中有機(jī)物的組成和結(jié)構(gòu)。EEM光譜顯示,pH值不僅影響有機(jī)物的類型還影響熒光峰的強(qiáng)度。(UV)光譜顯示,在280nm附近出現(xiàn)了一個(gè)與木質(zhì)素組分相關(guān)的吸收峰。 【關(guān)鍵詞】：玉米秸稈 厭氧消化 仿生反應(yīng)器 pH值 光譜特性
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：X712
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目錄8-10
• 1 緒論10-21
• 1.1 玉米秸稈概述10-13
• 1.1.1 玉米秸稈的產(chǎn)量和分布10
• 1.1.2 玉米秸稈的結(jié)構(gòu)和組分10-12
• 1.1.3 玉米秸稈的利用途徑12-13
• 1.2 厭氧消化技術(shù)13-16
• 1.2.1 厭氧消化技術(shù)概述13-15
• 1.2.2 玉米秸稈厭氧消化及存在的問題15-16
• 1.3 反芻動(dòng)物消化策略與應(yīng)用16-17
• 1.4 pH值對(duì)厭氧消化的影響17-18
• 1.5 研究?jī)?nèi)容、方案及目標(biāo)18-21
• 1.5.1 研究?jī)?nèi)容18
• 1.5.2 研究方案18-20
• 1.5.3 研究目標(biāo)20-21
• 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與研究方法21-25
• 2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象21
• 2.1.1 接種污泥21
• 2.1.2 厭氧消化原料21
• 2.2 實(shí)驗(yàn)裝置21-22
• 2.2.1 仿生反應(yīng)器21-22
• 2.2.2 靜態(tài)厭氧消化裝置22
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法22-23
• 2.3.1 仿生反應(yīng)器中厭氧消化研究22-23
• 2.3.2 不同pH條件厭氧消化研究23
• 2.4 分析方法23-25
• 2.4.1 仿生反應(yīng)器厭氧消化試驗(yàn)分析方法23-24
• 2.4.2 不同pH條件厭氧消化研究分析方法24-25
• 3 仿生反應(yīng)器厭氧消化研究25-41
• 3.1 仿生反應(yīng)器的構(gòu)建25-27
• 3.1.1 反芻動(dòng)物消化策略25-26
• 3.1.2 仿生反應(yīng)器及仿生原理26-27
• 3.1.2.1 仿生反應(yīng)器26
• 3.1.2.2 仿生原理26-27
• 3.2 仿生反應(yīng)器厭氧消化研究27-36
• 3.2.1 仿生反應(yīng)器厭氧消化產(chǎn)氣情況27-29
• 3.2.2 仿生反應(yīng)器厭氧消化液相特性分析29-33
• 3.2.2.1 玉米秸稈的液化過程29-31
• 3.2.2.2 仿生反應(yīng)器中SCOD的變化情況31-32
• 3.2.2.3 仿生反應(yīng)器中堿度和pH變化情況32-33
• 3.2.3 仿生反應(yīng)器厭氧消化固相特性分析33-36
• 3.3 仿生反應(yīng)器厭氧消化光譜學(xué)特性分析36-39
• 3.3.1 三維熒光光譜分析36-38
• 3.3.2 傅里葉紅外變換光譜38-39
• 3.4 本章小結(jié)39-41
• 4 不同初始pH值對(duì)玉米秸稈的厭氧消化研究41-53
• 4.1 不同初始pH值對(duì)玉米秸稈厭氧消化的影響41-47
• 4.1.1 pH值對(duì)厭氧消化系統(tǒng)pH值和堿度的影響41-43
• 4.1.2 pH值對(duì)厭氧消化產(chǎn)酸的影響43-44
• 4.1.3 pH值對(duì)厭氧消化產(chǎn)氣的影響44-46
• 4.1.4 pH值對(duì)厭氧消化固相特性的影響46-47
• 4.2 不同初始pH條件下厭氧消化液相光譜學(xué)特性分析47-52
• 4.2.1 三維熒光光譜分析47-50
• 4.2.2 紫外光譜50-52
• 4.3 本章小結(jié)52-53
• 5 結(jié)論與建議53-55
• 5.1 結(jié)論53-54
• 5.2 問題與建議54-55
• 參考文獻(xiàn)55-61
• 個(gè)人簡(jiǎn)介61-62
• 導(dǎo)師簡(jiǎn)介62-63
• 獲得成果目錄63-64
• 致謝64

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《城市環(huán)境與城市生態(tài)》第16卷總目次(2003年)    

化學(xué)前處理——改善城市污水污泥厭氧消化處理的有效途徑    李敏,郭靜羅,王景

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反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)甲烷產(chǎn)生及其調(diào)控    韓繼福

提高廚余垃圾厭氧消化甲烷產(chǎn)量的研究進(jìn)展    王琦;李亞紅;蔡偉民;

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