生物質(zhì)組成成分對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響

【摘要】：隨著社會(huì)的快速發(fā)展,人類生產(chǎn)活動(dòng)的不斷加快,對(duì)資源的掠奪和環(huán)境的破壞也隨之加快。越來越多的污染物被排放到自然環(huán)境當(dāng)中,大自然以特有的方式已經(jīng)不斷在向人類發(fā)出警告信號(hào)。在眾多被排放的污染物對(duì)環(huán)境的影響中,由有機(jī)廢棄物引發(fā)的各類環(huán)境問題顯得尤為突顯。不經(jīng)任何處理或不正當(dāng)處理的有機(jī)廢棄物勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響和破壞,包括對(duì)水、空氣和土壤的污染,直接威脅人類的生存。如何采取有效措施對(duì)有機(jī)固液廢棄物進(jìn)行無公害處理,逐漸成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。近些年來,采用厭氧發(fā)酵手段處理有機(jī)固體廢棄物得到了廣泛的研究。一方面,經(jīng)過一定程度的厭氧發(fā)酵,可以大幅度去除廢棄物中的有機(jī)物質(zhì),達(dá)到處理有機(jī)廢棄物的目的;另一方面,在發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生大量的甲烷氣體,甲烷氣體經(jīng)凈化提出后,可以直接注入天然氣管道或作為車用燃料,以此來緩解日益緊張的化石燃料。因此,無論是從處理有機(jī)廢棄物角度還是從發(fā)展可再生能源角度來看,厭氧發(fā)酵方式均具有一定的優(yōu)勢(shì)。隨著厭氧發(fā)酵技術(shù)的不斷發(fā)展,從傳統(tǒng)單一底物發(fā)酵逐漸轉(zhuǎn)向兩種或多種底物混合發(fā)酵?；旌习l(fā)酵可以起到均衡營(yíng)養(yǎng),提高產(chǎn)氣率和防止體系出現(xiàn)氨氮抑制或酸敗等風(fēng)險(xiǎn)。然而,在研究混合厭氧發(fā)酵的文獻(xiàn)報(bào)道中,大多是以試驗(yàn)設(shè)計(jì),譬如正交設(shè)計(jì)、混料模型等角度出發(fā)而開展的。很少以有機(jī)化合物成分比例對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷性能影響的研究,從這一點(diǎn)看,以往的混合物料發(fā)酵試驗(yàn)存在一定的盲目性。針對(duì)這一問題,為了更好地開展多種底物混合發(fā)酵試驗(yàn),了解生物質(zhì)內(nèi)在有機(jī)化合物成分比例對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷性能的影響顯得尤為必要。本論文選取了常見的九種生物質(zhì)物料作為厭氧發(fā)酵的原料,采用濕法單相連續(xù)厭氧發(fā)酵工藝進(jìn)行發(fā)酵,考察生物質(zhì)組成成分對(duì)其在連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中性能的影響。在試驗(yàn)過程中,首先對(duì)九種生物質(zhì)物料的理化性質(zhì)和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)組成進(jìn)行了化驗(yàn)與分析。然后,通過110天的連續(xù)厭氧發(fā)酵,觀察并記錄各反應(yīng)器運(yùn)行過程中的日產(chǎn)氣情況、p H、NH4+-N以及料液物質(zhì)濃度的變化情況。試驗(yàn)結(jié)束后,利用SPSS數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。本試驗(yàn)獲得主要研究結(jié)果如下:(1)在生物質(zhì)自身營(yíng)養(yǎng)組成的相關(guān)性分析試驗(yàn)中,其結(jié)果顯示,生物質(zhì)中粗蛋白與粗脂肪的含量與其他組份之間均不存在顯著相關(guān)性;總糖含量與半纖維素和木質(zhì)素含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明生物質(zhì)中總糖含量隨半纖維素和木質(zhì)素含量的增加而減少;粗纖維含量與纖維素和木質(zhì)素含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,回歸分析表明,生物質(zhì)中纖維素和木質(zhì)素的含量可以有效解釋95.59%的粗纖維含量。(2)在對(duì)發(fā)酵液堿度的檢測(cè)中,首次提出甲烷菌堿度這一概念,即在傳統(tǒng)堿度測(cè)定過程中,當(dāng)p H下降到6.5時(shí)計(jì)算出的堿度值。甲烷菌堿度較傳統(tǒng)總堿度(甲基橙堿度)可以有效反映出料液能將p H穩(wěn)定在6.5(甲烷菌耐受p H的最低線)以上的能力,可以更好的服務(wù)于厭氧發(fā)酵試驗(yàn)與生產(chǎn)。在對(duì)生物質(zhì)組成成分與甲烷菌堿度的相關(guān)性分析中,其結(jié)果表明發(fā)酵料液中的甲烷菌堿度值僅與粗蛋白含量呈顯著正相關(guān)。(3)在對(duì)發(fā)酵液中NH4+-N濃度的分析中,首次提出了TS產(chǎn)氨率這一概念,即進(jìn)料中每克干物質(zhì)經(jīng)過厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生銨態(tài)氮的毫克數(shù)。TS產(chǎn)氨率可通過實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出,它可以預(yù)測(cè)生物質(zhì)在厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)NH4+-N的能力,對(duì)避免產(chǎn)生氨氮抑制有著重要實(shí)用意義。在本試驗(yàn)的九種物料中,TS產(chǎn)氨率最強(qiáng)的物料為雞糞,其值達(dá)到了86.87 mg/gTS。在對(duì)生物質(zhì)組成成分與TS產(chǎn)氨率的相關(guān)性分析中,其結(jié)果表明生物質(zhì)的TS產(chǎn)氨率僅與生物質(zhì)中粗蛋白含量呈顯著正相關(guān)。(4)在對(duì)VS去除率的考察中,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)通過連續(xù)厭氧發(fā)酵后,其VS去除率僅與原料中總糖含量呈極顯著正相關(guān)。其線性回歸模型方差檢驗(yàn)結(jié)果極顯著,決定系數(shù)R2=0.7911,表明生物質(zhì)中總糖含量可以有效解釋79.11%的去除率。(5)本論文首次提出有效碳氮比概念,即在傳統(tǒng)碳氮比的計(jì)算中,其總有機(jī)碳部分減除粗纖維或酸性洗滌纖維中的碳量,利用剩余碳量與總氮量進(jìn)行比較。有效碳氮比可以真實(shí)反應(yīng)出厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的最適碳氮比,為兩種或多種物料混合發(fā)酵的配比提供依據(jù)。通過對(duì)本試驗(yàn)九種物料在連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中各方面穩(wěn)定性的比較,得出以牛糞和豬糞作為底物的反應(yīng)器穩(wěn)定性最強(qiáng),二者有效碳氮比范圍在10-16之間。(6)根據(jù)有效碳氮比的概念,引出有效有機(jī)負(fù)荷率的概念,即在傳統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷率的計(jì)算中,其分子部分的揮發(fā)性固體需減除粗纖維或酸性洗滌纖維的質(zhì)量,利用剩余揮發(fā)性固體質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算得出。最后,假定在同等有效有機(jī)負(fù)荷下,對(duì)本試驗(yàn)中有效碳氮比在16以上的物料進(jìn)行連續(xù)厭氧發(fā)酵時(shí)引起酸敗的可能性進(jìn)行了比較,其比較結(jié)果為木薯渣玉米秸稈≈玉米粉餐廚垃圾大豆秸稈,即有效碳氮比越高,引起酸敗的可能性也就越大。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)廢棄物 厭氧發(fā)酵 沼氣 甲烷產(chǎn)率預(yù)測(cè)模型 有效碳氮比
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S216.4
【目錄】：

• 摘要8-10
• 英文摘要10-12
• 1 前言12-30
• 1.1 研究的意義與目的12-14
• 1.1.1 研究的意義12-13
• 1.1.2 研究的目的13-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-19
• 1.2.1 有機(jī)廢棄物的傳統(tǒng)處理14-16
• 1.2.2 有機(jī)廢棄物的沼氣化處理16-19
• 1.3 厭氧發(fā)酵概述和存在的問題19-28
• 1.3.1 厭氧發(fā)酵的原料來源19-22
• 1.3.2 厭氧發(fā)酵的生化過程22-25
• 1.3.3 影響厭氧發(fā)酵的因素25-27
• 1.3.4 厭氧發(fā)酵研究存在的問題27-28
• 1.4 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線28-30
• 2 材料與分析方法30-37
• 2.1 發(fā)酵原料及接種物30-31
• 2.2 試驗(yàn)設(shè)備及試劑31-32
• 2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備31
• 2.2.2 試驗(yàn)試劑31-32
• 2.3 試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)及方法32-37
• 2.3.1 TS和VS的測(cè)定32-33
• 2.3.2 p H的測(cè)定33
• 2.3.3 氣體產(chǎn)量及成分的測(cè)定33-34
• 2.3.4 總凱氏氮的測(cè)定34-35
• 2.3.5 總堿度的測(cè)定35
• 2.3.6 生物質(zhì)組成成分分析35-37
• 3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法37-44
• 3.1 材料的準(zhǔn)備與前處理37
• 3.2 生物質(zhì)組成成分分析37-39
• 3.2.1 粗蛋白含量的測(cè)定37-38
• 3.2.2 粗脂肪含量的測(cè)定38
• 3.2.3 總糖含量的測(cè)定38-39
• 3.2.4 木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的測(cè)定39
• 3.3 接種物馴化試驗(yàn)39-41
• 3.4 連續(xù)厭氧發(fā)酵41-44
• 4 結(jié)果與討論44-76
• 4.1 生物質(zhì)組成成分分析44-49
• 4.1.1 生物質(zhì)基本理化參數(shù)的分析44-45
• 4.1.2 生物質(zhì)組成成分分析45-47
• 4.1.3 生物質(zhì)組成成分相關(guān)性分析47-49
• 4.2 接種物馴化階段49-51
• 4.2.1 日產(chǎn)甲烷體積變化情況49-50
• 4.2.2 反應(yīng)器中p H變化情況50-51
• 4.3 連續(xù)厭氧發(fā)酵階段51-54
• 4.3.1 HRT為 35d每日產(chǎn)氣情況51-52
• 4.3.2 HRT為 25d每日產(chǎn)氣情況52-54
• 4.4 生物質(zhì)組成成分對(duì)產(chǎn)甲烷率的影響54-60
• 4.4.1 生物質(zhì)組成成分與產(chǎn)甲烷率的相關(guān)性54-55
• 4.4.2 厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)率預(yù)測(cè)模型55-60
• 4.5 生物質(zhì)組成成分對(duì)厭氧發(fā)酵穩(wěn)定性的影響60-70
• 4.5.1 發(fā)酵液中p H變化情況60-62
• 4.5.2 對(duì)發(fā)酵液中堿度的影響62-64
• 4.5.3 對(duì)發(fā)酵液中NH4+-N的影響64-66
• 4.5.4 物料的TS與VS去除率66-70
• 4.6 有效碳氮比與有效有機(jī)負(fù)荷率70-76
• 4.6.1 有效碳氮比70-74
• 4.6.2 有效有機(jī)負(fù)荷率74-76
• 5 結(jié)論與建議76-78
• 5.1 結(jié)論76-77
• 5.2 建議77-78
• 創(chuàng)新點(diǎn)78-79
• 致謝79-80
• 參考文獻(xiàn)80-87
• 附錄87-88
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文88

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