规模养殖场CSTR发酵系统的优化及菌群分析

发布时间：2020-04-18 03:58

【摘要】：农业废弃物的处理一直是一个难以解决的问题。目前的农业废弃物主要为畜禽粪便及纤维素废弃物两种,这两类废弃物中,秸秆和猪粪是产量最大的两种典型农业废弃物。通过厌氧发酵技术处理农业废弃物,不仅可以大大的降低处理成本,也可以生成甲烷等清洁能源,实现了农业废弃物的可再生利用。但是目前预处理方式具有成本高,能量流失较大等缺点,且传统的全混合厌氧反应器(CSTR)传质效率低,发酵后沼渣、沼液易造成二次污染。针对目前传统CSTR反应器的一些缺点,本研究加入内套筒导流板对其进行改良。利用碱液预处理秸秆,通过纤维素、COD浓度、挥发性脂肪酸和甲烷产量等指标,结合预处理实验现象与发酵过程中的物料平衡分析,确定了秸秆预处理的最佳条件。研究结果表明:(1)温度为35℃下,秸秆在1.2%浓度的NaOH溶液中浸泡2d,就有大量的COD被分解出来,后期与猪粪混合厌氧发酵产气实验中,大量产气的时间明显比其他组分提前,且产甲烷总量最大,由物料平衡分析可知,预处理阶段秸秆的损耗量最小,厌氧发酵产气阶段发酵速度明显加快,产气速率提高。(2)新型CSTR反应器启动为80d左右,启动阶段采用淀粉代替玉米秸秆,相较于秸秆难于分解需要预处理而言,淀粉能够使新型CSTR反应器快速启动达到稳定状态。最终反应器内部基本稳定,产生的酸类物质和消耗的COD物质基本持平,导致COD浓度可以达到稳定状态,实现了反应器内部的稳定状态,产甲烷率达到68%左右,持续到反应器启动结束。此时反应器内部中产甲烷菌的活性最高,说明新型CSTR反应器启动成功。(3)前期使用秸秆和淀粉混合做为底物进入反应器,随后只加单一秸秆作为底物,稳定运行后添加猪粪和秸秆的混合物。运行前期反应器中挥发酸浓度均有下降,随着反应器中纤维素酶活性开始增加,产酸和产气效率也快速上升,最终反应器日均处理80g秸秆,20g猪粪,OLR达到1.25g/L·d~(-1),反应器日均产气率为375.72mL/g,产甲烷率为224.45mL/g,甲烷含量达到60%以上,底物利用率为59.7%左右,碳回收率为50.1%。(4)通过高通量对反应器中不同区域进行微生物功能分析,A区域主要功能为秸秆纤维素的水解及多糖物质的产酸,剩余纤维素顺着水流进去B区域,B区域中含有大量的纤维素分解菌再次进行纤维素分解,分解后产生的可利用物质一部分直接酸化,另一部分进入C区域分解产酸。从古菌角度分析,A区域大量产酸,与此同时也产生了大量的氢气和二氧化碳,由于大量酸性挥发酸的抑制作用,在A区域中主要通过氢气和二氧化碳产生甲烷。随后C区域中,再次富集的氢气和二氧化碳,和浓度适宜的乙酸等物质使C区域产甲烷方式变得多样化,多种产甲烷途径共同进行。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X71;X172

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本文编号：2631691