預處理對麥秸生物產(chǎn)沼氣的影響研究

【摘要】：我國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)每年產(chǎn)生大量農(nóng)作物秸稈,且種類多、分布廣,這給秸稈資源化利用帶來了困難。將作物秸稈厭氧生物產(chǎn)沼氣是滿足農(nóng)村清潔能源需求的重要舉措,也是農(nóng)村環(huán)境綜合整治工作的重要內(nèi)容,符合循環(huán)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展的要求。小麥是我國第三大糧食作物,2010年,我國小麥播種面積達2425.7萬公頃,年產(chǎn)麥秸達1.5億噸,按可收集系數(shù)0.7計算,年可收集麥秸1.05億噸。木質(zhì)纖維是麥秸的主要有機組分,其中木質(zhì)素和結晶態(tài)纖維在厭氧條件下很難被厭氧微生物分解,是影響麥秸厭氧生物產(chǎn)沼氣的主要因素。通過預處理方式破壞秸稈的木質(zhì)纖維結構,可提高其厭氧生物降解性,本文在秸稈預處理方面進行了一些研究,具體如下： (1)以3個不同品種小麥收獲后的秸稈為原材料,獲得新鮮、風干10天、烘干樣,研究不同干燥方式對麥秸營養(yǎng)成分和厭氧生物產(chǎn)氣潛力的影響。結果顯示,干燥后麥秸中碳含量呈下降趨勢,氮含量呈上升趨勢,不同干燥方式對麥秸營養(yǎng)成分的影響不顯著(P0.05)；麥秸干燥后其厭氧生物產(chǎn)氣潛力下降,剛收割的麥秸產(chǎn)氣量最高,烘干樣次之,風干10天樣最低；盡管麥秸經(jīng)風干10天后厭氧生物產(chǎn)氣潛力下降,但產(chǎn)氣中平均甲烷含量增加,增加幅度達5.23%,發(fā)酵后麥秸中纖維素含量與發(fā)酵前相比下將了24.06～47.70%,半纖維素含量下降了19.91～59.07%,不同品種間差異不顯著,木質(zhì)素相對含量上升了38.28～127.22%。 (2)秸稈貯存是秸稈沼氣工程長期運行的重要保障,本實驗擬將預處理技術耦合于秸稈貯存過程中。研究了打捆麥秸貯存與預處理一體化的可行性,分析了麥秸預處理后打捆貯存前后麥秸理化特性、物質(zhì)結構以及厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的變化。結果表明：將麥秸直接打捆后貯存120d,對麥秸理化特性、物質(zhì)結構及產(chǎn)氣性能的影響均不明顯,影響最大的是堆體上層麥秸,但產(chǎn)氣量也僅下降了7.40%；將麥秸NaOH處理后打捆貯存對提高麥秸干物質(zhì)(total solid. TS)產(chǎn)氣量有一定促進作用,麥秸TS產(chǎn)氣量較未貯存麥秸和直接打捆貯存后的麥秸(CK)分別提高了7.02%～8.31%和5.68%-16.96%；麥秸經(jīng)尿素處理后打捆貯存,不利于麥秸后續(xù)產(chǎn)沼氣,麥秸TS產(chǎn)氣量較CK下降了2.8～7.71%；麥秸貯存過程中,將麥秸直接暴露于空氣中對麥秸有機物的保存及后續(xù)產(chǎn)沼氣利用均不利,但影響并不顯著,CK和尿素處理堆體上層麥秸TS產(chǎn)氣量分別下降了7.40%和4.25%。 (3)堆肥預處理可破壞麥秸的木質(zhì)纖維結構,提高其厭氧生物產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量,但堆肥時間太長會造成有機物的大量損失,影響產(chǎn)氣量。本實驗首先將麥秸進行堆肥預處理,以堆制不同時間的麥秸為原料進行厭氧生物產(chǎn)氣潛力實驗。結果表明：堆肥啟動6.8h后堆溫即上升至30℃,隨后分別在13.5h、19.5h、23.0h、44.8h達到40℃、50℃、55℃和60℃,最高溫度達70℃,之后緩慢下降；堆肥預處理后,隨著預處理時間的延長,麥秸有機質(zhì)含量逐漸下降,氮含量先下降后上升,纖維素和半纖維素含量先升高后降低,木質(zhì)素含量先降低后升高,各處理間差異不顯著(P0.05)；經(jīng)過厭氧發(fā)酵后,30℃、40℃、50℃、55℃、55℃以上2天、55℃以上5天、55。C以上9天麥秸TS產(chǎn)氣量較CK均下降,下降幅度為4.16%-21.72%,可以看出堆肥時間太短和太長均不利于麥秸產(chǎn)沼氣,堆肥55℃處理對提高麥秸產(chǎn)氣量有一定促進作用,較未堆肥麥秸產(chǎn)氣量提高了7.56%；各處理產(chǎn)氣中甲烷含量相差不大,與未堆肥麥秸相比,除55℃以上9天下降3.2%外,其它處理有0.4～1.52%的上升,但各處理間差異不顯著(P0.05)。 (4)為研究堆肥預處理影響麥秸產(chǎn)氣的內(nèi)在機制,以輻照滅菌后的麥秸為原料,以堆肥預處理堆溫變化的數(shù)據(jù)為基礎,在實驗室模擬堆肥實驗,以排除微生物對麥秸堆肥過程的影響,模擬堆肥后的麥秸用于厭氧生物產(chǎn)沼氣,研究模擬堆肥溫度對麥秸理化特性及厭氧生物產(chǎn)沼氣的影響。結果表明：經(jīng)輻照處理后麥秸中三大菌數(shù)量均大幅降低,細菌、放線菌和真菌與輻照前相比分別降低了99.70%、99.22%和99.73%；模擬堆肥實驗中,隨著處理時間的延長,麥秸中有機質(zhì)含量逐漸下降,氮含量在溫度預處理前后基本上沒有變化,纖維素含量逐漸上升,半纖維素含量逐漸下降,與CK-F相比,纖維素含量上升了9.17%～18.850%,半纖維素含量下降了4.840%～9.06%,木質(zhì)素含量下降了12.84%～23.71%,表明溫度處理對破壞秸稈中木質(zhì)纖維結構有較好的效果,而55。C以上9天與CK-F相比,纖維素上升了7.32%,半纖維素下降了27.51%,木質(zhì)素升高了27.52%,差異顯著(P0.05),說明高溫不利于三素的保存；產(chǎn)氣的結果表明,50℃和55℃處理均可提高麥秸的產(chǎn)氣量,較對照提高了8.10%～9.12%；CK-F、初始、30℃、40℃、50℃、55℃、55℃以上2天、55℃以上5天、55℃以上9天各處理產(chǎn)氣中平均甲烷含量較對照均有所提高,這說明溫度處理對提高麥秸厭氧生物轉(zhuǎn)化率有有一定效果。將不同溫度處理和堆肥預處理的結果相比可以看出,堆肥預處理后麥秸的TS產(chǎn)氣量均下降,只有55℃上升了1.22%,而不同溫度預處理后,50℃和55℃處理較對照提高了8.10～9.12%,其它處理也較對照有不同程度的上升,這說明秸稈堆肥預處理中,溫度是影響其處理效果的重要因素。 【關鍵詞】：麥秸 沼氣 預處理 厭氧消化
【學位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：S216.4
【目錄】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-13
• 縮略語13-14
• 第一章 文獻綜述14-24
• 1.1 農(nóng)作物秸稈概述14-17
• 1.1.1 農(nóng)作物秸稈的資源概況14
• 1.1.2 農(nóng)作物稻稈的利用及養(yǎng)分還田狀況14-15
• 1.1.3 農(nóng)作物秸稈資源化技術15-16
• 1.1.4 秸稈資源化存在的問題16-17
• 1.2 秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣技術研究狀況17-19
• 1.2.1 預處理方法17-19
• 1.3 厭氧消化過程中的生物化學原理19-23
• 1.3.1 厭氧消化過程機理19-21
• 1.3.2 厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的微生物學機理21-22
• 1.3.3 厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的酶22-23
• 1.4 項目研究的基本情況23-24
• 1.4.1 研究目的和意義23
• 1.4.2 技術路線23-24
• 第二章 不同干燥方式對麥秸厭氧生物產(chǎn)沼氣的影響24-32
• 2.1 材料與方法24-25
• 2.1.1 試驗材料24
• 2.1.2 試驗方法24-25
• 2.1.3 試驗裝置25
• 2.1.4 分析方法25
• 2.1.5 數(shù)據(jù)分析25
• 2.2 實驗結果和分析25-30
• 2.2.1 不同干燥過程麥秸理化特性的變化25-26
• 2.2.2 不同干燥方式后麥秸厭氧發(fā)酵特性的比較26-28
• 2.2.3 麥秸產(chǎn)氣特性分析28-29
• 2.2.4 不同干燥方式麥秸發(fā)酵前后半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的變化29-30
• 2.3 小結30-32
• 第三章 預處理對打捆麥秸貯存和厭氧生物產(chǎn)沼氣的影響32-42
• 3.1 材料與方法32-34
• 3.1.1 實驗材料32-33
• 3.1.2 實驗方法33
• 3.1.3 測定指標及方法33-34
• 3.1.4 數(shù)據(jù)分析34
• 3.2 結果與分析34-41
• 3.2.1 不同貯存方式對打捆麥秸的影響34-36
• 3.2.2 不同貯存方式對打捆麥秸產(chǎn)氣特性的影響36-41
• 3.3 小結41-42
• 第四章 堆肥預處理對麥秸產(chǎn)氣特性的影響42-56
• 4.1 材料與方法42-44
• 4.1.1 實驗材料42
• 4.1.2 實驗方法42-43
• 4.1.3 測定指標及方法43-44
• 4.1.4 數(shù)據(jù)分析44
• 4.2 結果與分析44-54
• 4.2.1 堆肥過程中相關參數(shù)的變化44-47
• 4.2.2 堆肥預處理對麥秸理化特性的影響47-48
• 4.2.3 堆肥預處理對麥秸產(chǎn)氣特性的影響48-51
• 4.2.4 堆肥預處理對麥秸厭氧發(fā)酵過程中VFAs的影響51-52
• 4.2.5 堆肥預處理麥秸浸提液中細菌數(shù)量和區(qū)系的變化52-54
• 4.3 小結54-56
• 第五章 溫度預處理對麥秸厭氧生物產(chǎn)沼氣的影響56-66
• 5.1 材料與方法56-57
• 5.1.1 實驗材料56
• 5.1.2 實驗方法56-57
• 5.1.3 測定指標及方法57
• 5.2 結果與分析57-65
• 5.2.1 輻照預處理對秸稈滅菌效果57
• 5.2.2 溫度預處理過程中相關參數(shù)的變化57-60
• 5.2.3 溫度預處理對麥秸產(chǎn)氣特性的影響60-64
• 5.2.4 溫度預處理對麥秸厭氧發(fā)酵過程中VFAs的影響64-65
• 5.3 小結65-66
• 第六章 結論與展望66-70
• 6.1 結論66-67
• 6.2 研究內(nèi)容與創(chuàng)新點67
• 6.3 存在的問題和今后的研究設想67-70
• 參考文獻70-76
• 致謝76-78
• 個人簡介及發(fā)表文章78

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