玉米秸秆固态厌氧消化特性及微生物代谢解析

发布时间：2020-05-21 10:49

【摘要】：我国每年都会生产大量的秸秆类废弃物,利用厌氧消化(AD)技术进行处理,不仅可以改善环境,同时还可以实现废物的资源化利用,因此意义重大。固态厌氧消化(SS-AD)技术作为AD技术重要的组成部分,具有较高的负荷能力和较大的处理能力。但体系本身的多变性和非均相性、相同原料的地域性质差异、原料固液相间的传质性能及消化工艺条件选择的不同,再加上人们对固态厌氧消化降解机制、微生物代谢过程认识的不足,很大程度上限制了此技术的实际应用。本论文旨在对原料进行适宜预处理后进行一些消化工艺条件的探索,通过分析几种动力学参数以及微生物群落等特性来分析体系变化,进而得出较优的工艺条件及相应理论解释。首先,采用Bioprocess反应装置,研究了预处理对玉米秸秆(CS)固态厌氧消化的影响。实验选用机械粉碎(粒径2-3 mm)、青贮、4%KOH(基于秸秆干重)处理,进行单一或组合处理,控制体系总固体(TS)含量为20%,进行固态厌氧消化实验。结果表明,未经过任何预处理过程的干秸秆,其产甲烷量较低,只有97.4±10.4 mL/g VS;青贮秸秆和粉碎的秸秆最终产甲烷结果提升到了111.1±4.8 mL/g VS和105.1±1.4 mL/g VS;而青贮+粉碎的组合预处理后,产甲烷能力明显比其他各组都要好,累积甲烷产量达到了120.2±3.3 mL/g VS。可以看出,进行预处理不仅提高了产甲烷能力,还改善了产气稳定性。本实验中4%KOH处理过的秸秆产气结果偏低,只有85.7±2.3 mL/g VS,测试后发现,该组沼渣中的挥发性脂肪酸(VFA)含量约为4500 mg/L,远高于其他几组的1000-2000 mg/L,推断该组预处理过度,出现了酸抑制。其次,基于预处理实验结果,以青贮秸秆为原料,利用车库式厌氧消化反应器进行三批实验,每批次反应进行28天,分别研究了固含率、喷淋时长和喷淋间隔对SS-AD过程的影响。结果表明,固含率为30%时甲烷累积产量为193.6 mL/g VS,而固含率为15%和20%时甲烷累积产量分别为148.9 mL/g VS和133.2 mL/g VS;前两周喷淋时长为6 min、第三周为3 min、第四周不喷淋的这种喷淋方式(记为(6,3,0))产甲烷效果优于(4,2,0)和(2,1,0),各组甲烷累积产量分别为196.5mL/g VS、186.5 mL/g VS和128.9 mL/g VS;喷淋间隔为3 h、6 h和8 h的甲烷累积产量分别为190.1 mL/g VS、188.2 mL/g VS和130.2 mL/g VS。因此,综合各自试验结果及能耗,得到30%固含率、采用(4,2,0)的喷淋方式、喷淋间隔为6 h为此实验中青贮玉米秸秆较优的消化条件。最后,对上述三批固态厌氧消化实验所得结果进行动力学参数分析和微生物群落结构分析。动力学参数分析结果表明,甲烷累积产量与水解速率和乙酸转化系数成正相关,但乙酸转化系数若出现异常过大的情况,则体系可能出现酸抑制,从而导致甲烷累积产量降低;此外,乙酸最大利用率与微生物细胞团衰败系数也是控制内部反应能力的重要参数。微生物结构分析结果表明,甲烷杆菌与甲烷八叠球菌是本体系中丰度最高、代谢最旺盛的两类菌种,随着厌氧消化过程的进行,大体呈先增加后稳定的态势;在后期由于喷淋减少甚至不喷淋,杂菌种类倍增,不过总体占比不大,但对体系内消化性能有一定影响;微生物菌落丰富度和多样性都是逐渐增加的,而均匀度是降低的;VFA和pH则是影响不同菌种含量变化的重要环境因子;在连续进行三批实验后,各指数的变化幅度越来越小,影响因子的影响程度也越来越小。因此,最终得到的渗滤液为动力学参数波动变化小,微生物群落丰度、均匀度、多样性指标稳定,组间群落、物种、影响因子等差异较小的性能优良的消化液。
【图文】：

厌氧消化,固态,装机容量,液态

图 1.1 欧洲液态及固态厌氧消化技术的装机容量变化Fig. 1.1 Evolution of L-AD and SS-AD installed capacities in Europe1.2 SS-AD 技术1.2.1 技术简介固态厌氧消化技术作为处理固废垃圾的重要方法，正越来越受到研究及环保人员的重视。根据反应器设计和工艺参数的不同，SS-AD 一般可按以下方式分类：按工艺连续性可分为序批式、连续型和半连续型；按消化温度可分为常温、中温、高温消化；按反应器类型有升流式固体厌氧反应器（USR）、推流式反应器（PFR）、车库式反应器等[14-15]。固态厌氧消化的原料来源较为广泛，包括农作物秸秆、能源植物、高木质纤维素类废弃物、城市生活垃圾、畜禽粪便等，，固含率在 15%以上。总的来说，固态厌氧消化周期较长（通常情况高于 28 天），对于木质纤维素类废弃物来说，其固态厌氧消化甲烷产量较低，一般低于 100L/kgVSadded，并且需要大

技术路线图,厌氧消化,玉米秸秆,预处理

预处理：机械粉碎粒发酵性能：气体产量OTU 值、多样性指玉米秸秆固态厌氧消化预处理研究玉米秸秆固态厌氧消化工艺条件研究玉米秸秆固态厌氧消化体系微生物代谢研究机械粉碎/青贮/KOH 单一或组合预处理预处理前后玉米秸秆组织结构变化考察原料固含率/喷淋时长/喷淋间隔对消化的影响结合数学模型得出部分关键参数值不同消化条件下微生物结构及组成微生物群落在消化不同阶段的变化研究内容
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X712;X172

【相似文献】