汽爆玉米秸稈高溫固態(tài)階梯厭氧消化的研究

【摘要】： 作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,我國每年產(chǎn)生的生物質(zhì)資源總量超過30億噸,其中以各種植物秸稈最具代表性。而傳統(tǒng)的利用方式導(dǎo)致大量秸稈資源的過剩,秸稈焚燒現(xiàn)象在各地均十分普遍,不僅造成了環(huán)境污染,而且是對(duì)秸稈資源的一種浪費(fèi)。 當(dāng)前,世界人口不斷增加和化石燃料儲(chǔ)量的減少已成為人類無法回避的問題,能源和資源危機(jī)對(duì)各國的影響都日益顯著。尋找化石燃料的清潔替代能源成為各國共同的研究熱點(diǎn)。氫氣和沼氣是兩種具有代表性的清潔可再生能源,利用生物質(zhì)資源進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)氫氣和沼氣有助于解決大量秸稈過剩和能源危機(jī)的問題。 天然植物秸稈結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了微生物對(duì)其降解是一個(gè)困難和緩慢的過程。因此,原料的預(yù)處理技術(shù)是秸稈有效利用過程中的一個(gè)關(guān)鍵因素。現(xiàn)有研究主要采用物理、化學(xué)和生物方法進(jìn)行預(yù)處理,通過液態(tài)發(fā)酵的方式進(jìn)行生物氣化,存在周期長、能耗高、污染嚴(yán)重等問題。本文以玉米秸稈為原料,進(jìn)行高溫固態(tài)厭氧消化,階段性得到氫氣和沼氣兩種清潔能源,為生物質(zhì)資源的高值化利用探索新的途徑。 蒸汽爆破是目前木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)中廣泛采用的一種預(yù)處理方法,能夠有效破壞秸稈的致密結(jié)構(gòu),提高木質(zhì)纖維素的降解率。本研究考察了不同汽爆條件對(duì)玉米秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響,由結(jié)果可知,當(dāng)維持壓力1.5MPa,維壓時(shí)間為6min時(shí),汽爆秸稈最適合沼氣發(fā)酵,甲烷產(chǎn)量達(dá)最大值138.2ml/gTS,是未處理秸稈的3.5倍。 通過對(duì)固液比、初始pH、接種量、氮源、纖維素酶用量和發(fā)酵溫度的單因素實(shí)驗(yàn),優(yōu)化了汽爆玉米秸稈高溫固態(tài)厭氧消化的最佳實(shí)驗(yàn)條件。結(jié)果表明,當(dāng)固液比為1:7,初始pH為7.5,接種量為35%,NH4HCO_3添加量為0.04g/g干汽爆秸稈,纖維素酶添加量為30IU/g干汽爆秸稈,發(fā)酵溫度為50℃時(shí),甲烷產(chǎn)量可提高至153.0ml/gTS,是未處理秸稈的2.9倍;比產(chǎn)甲烷率為7.54ml/gVSS·d,是未處理秸稈的2.4倍。通過發(fā)酵后殘?jiān)慕M分測定,汽爆玉米秸稈纖維素的降解率為59.86%,是未處理秸稈的3.2倍;半纖維素的降解率為67.22%,是未處理秸稈的3倍。 丁酸梭菌(Clostridium butyricum)是一類可以利用葡萄糖、木糖等還原糖的厭氧梭菌,可以將底物轉(zhuǎn)化為氫氣、乙酸、丁酸,強(qiáng)化厭氧消化的產(chǎn)氫過程。以汽爆玉米秸稈為原料,在優(yōu)化的汽爆條件和發(fā)酵條件下進(jìn)行高溫固態(tài)階梯厭氧消化。接種丁酸梭菌和活性污泥后,先進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫,產(chǎn)氫結(jié)束后調(diào)整系統(tǒng)pH值至中性,繼續(xù)進(jìn)行沼氣發(fā)酵直至產(chǎn)氣結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,汽爆秸稈的氫氣產(chǎn)量為76.0ml/gTS,是未處理秸稈的2.3倍,比產(chǎn)氫率為13.1ml/gVSS·d,是未處理秸稈的2.0倍;汽爆秸稈的甲烷產(chǎn)量為171.7ml/gTS,是未處理秸稈的2.6倍,比產(chǎn)甲烷率為7.72ml/gVSS·d,是未處理秸稈的2.1倍。 由以上結(jié)果可知,蒸汽爆破在用于玉米秸稈高溫固態(tài)厭氧消化和階梯產(chǎn)氣過程中能夠有效地提高原料產(chǎn)氣量和組分的降解率,是生物質(zhì)資源高值化利用過程中一項(xiàng)行之有效的技術(shù)。采用高溫條件進(jìn)行厭氧消化,不僅可以抑制某些中溫有害微生物的存活,還能使發(fā)酵溫度與纖維素酶的最佳酶解溫度相一致,使底物的降解過程變得快速有效,發(fā)酵延遲期縮短,產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣效率得到提高。而采用固態(tài)發(fā)酵的方式不僅可以提高發(fā)酵系統(tǒng)中菌體和營養(yǎng)物質(zhì)的濃度,而且發(fā)酵結(jié)束后不會(huì)產(chǎn)生大量廢液,對(duì)環(huán)境友好。 【關(guān)鍵詞】：汽爆秸稈 高溫 固態(tài) 階梯 厭氧消化
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：X703
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 1 文獻(xiàn)綜述11-32
• 1.1 我國農(nóng)作物秸稈資源和利用現(xiàn)狀11-12
• 1.2 木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)利用的意義12-14
• 1.3 天然植物秸稈的結(jié)構(gòu)和組成14-15
• 1.4 木質(zhì)纖維素的預(yù)處理15-21
• 1.4.1 物理法17-18
• 1.4.2 化學(xué)法18-19
• 1.4.3 生物法19
• 1.4.4 物理－化學(xué)法19-21
• 1.5 厭氧消化技術(shù)概述21-28
• 1.5.1 厭氧消化的機(jī)理21-23
• 1.5.2 厭氧消化的微生物23-25
• 1.5.3 厭氧消化的影響因素25-27
• 1.5.4 厭氧消化的工藝及研究現(xiàn)狀27-28
• 1.6 固態(tài)發(fā)酵的研究進(jìn)展28-30
• 1.6.1 固態(tài)發(fā)酵的定義28-29
• 1.6.2 固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)29
• 1.6.3 固態(tài)發(fā)酵條件的控制29-30
• 1.6.4 固態(tài)發(fā)酵的應(yīng)用30
• 1.7 本文研究內(nèi)容30-32
• 2 汽爆預(yù)處理對(duì)厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響32-39
• 2.1 引言32
• 2.2 材料與方法32-34
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料32-33
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法33-34
• 2.2.3 分析檢測方法34
• 2.3 結(jié)果與討論34-38
• 2.3.1 汽爆預(yù)處理對(duì)玉米秸稈組分的影響34-36
• 2.3.2 汽爆預(yù)處理對(duì)玉米秸稈還原糖含量的影響36-37
• 2.3.3 汽爆預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響37-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 3 汽爆玉米秸稈高溫固態(tài)厭氧消化控制參數(shù)的優(yōu)化39-57
• 3.1 引言39
• 3.2 材料與方法39-40
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料39
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)方法39
• 3.2.3 分析檢測39-40
• 3.3 結(jié)果與討論40-55
• 3.3.1 固液比對(duì)厭氧消化的影響40-42
• 3.3.2 初始pH 對(duì)厭氧消化的影響42-44
• 3.3.3 接種量對(duì)厭氧消化的影響44-46
• 3.3.4 氮源對(duì)厭氧消化的影響46-49
• 3.3.5 纖維素酶添加量對(duì)厭氧消化的影響49-51
• 3.3.6 發(fā)酵溫度對(duì)厭氧消化的影響51-53
• 3.3.7 參數(shù)優(yōu)化后汽爆秸稈的厭氧消化53-55
• 3.4 本章小結(jié)55-57
• 4 汽爆秸稈階梯厭氧消化產(chǎn)氫氣和沼氣57-64
• 4.1 引言57
• 4.2 材料與方法57-58
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料57-58
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)方法58
• 4.2.3 分析檢測58
• 4.3 結(jié)果與討論58-63
• 4.3.1 階梯厭氧消化產(chǎn)氫氣58-61
• 4.3.2 階梯厭氧消化產(chǎn)沼氣61-62
• 4.3.3 秸稈階梯厭氧消化后的組分變化62-63
• 4.4 本章小結(jié)63-64
• 5 結(jié)論及下一步工作64-66
• 5.1 結(jié)論64
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)64-65
• 5.3 對(duì)下一步工作的建議65-66
• 參考文獻(xiàn)66-78
• 附錄78-82
• 1. 總固體（TS）含量的測定78
• 2. 總揮發(fā)固體（VS）含量的測定78
• 3. 范氏法測定組分78-80
• 4. 細(xì)胞濃度測定80-82
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表文章目錄82-83
• 致謝83

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