稻秸好氧厌氧两相发酵工艺设计及产气特性研究

发布时间：2020-05-25 23:56

【摘要】：据统计2012年全国秸秆总产量约为8.9亿吨,可收集的资源总量约为7亿吨,稻秸约占25%,即每年稻秸产量约有2亿多吨。其中大部分被直接焚烧或者被当做薪柴使用,这种处理利用方式不能够高效的利用秸秆,并且带来了严重的环境问题。而将秸秆作为生物质能源材料,进行厌氧发酵制沼气是一种既环保又符合自然规律的高效的资源利用方式。但是水稻秸秆木质纤维素含量达到60%以上,并且其中易被微生物降解利用的纤维素被木质素和半纤维素缠绕包裹,木质素形成的这道屏障严重阻碍微生物胞外酶与纤维素的接触,导致水稻秸秆发酵制沼气出现瓶颈,也降低稻秸在厌氧发酵制沼气过程中的利用率,导致干物质产气率降低。因此,要提高稻秸厌氧产沼气工艺中秸秆的利用率,首先需要解决的问题就是解除木质素的屏障作用。但木质素的最初裂解需分子氧的存在,未经过好氧处理的木质素几乎不能被微生物在厌氧环境下被降解[1],并且好氧微生物的繁殖速度远大于厌氧微生物[2],所以提出稻秸好氧厌氧两相发酵工艺,并进行工艺流程的设计和分析。设计好氧厌氧两相发酵与单相发酵对比试验,将稻秸产沼气工艺分为好氧水解相和厌氧产甲烷相两部分,其中好氧水解相采取供气措施以打破木质素的屏障作用,待好氧水解过程结束后再进入厌氧产甲烷相进行产甲烷发酵,探究好氧厌氧两相发酵工艺与单相厌氧发酵工艺的差异,并设计在水解过程中添加不同的纤维素降解菌试验,研究微生物强化作用,设计水解阶段采用不同的供气方式试验,探索供气方式对微生物强化作用的影响及其产气情况。得到的主要结论如下:(1)好氧厌氧两相发酵工艺对解除木质素的屏障作用效果较好,其木质素降解率达到4.57%,而传统的单相厌氧发酵工艺木质素几乎不发生降解。木质素降解率提高,其纤维素、半纤维素降解率也出现了明显变化。好氧厌氧两相发酵工艺的纤维素降解率达到了50%以上,比单相发酵高30%。并且其底物的TS降解率也有较大地提高,TS降解率达到62.25%,而单相厌氧发酵TS降解率只有44.35%,比单相厌氧发酵TS降解率提高40.36%。(2)通过将好氧厌氧两相发酵实验与单相厌氧发酵对比发现,好氧厌氧两相发酵工艺对改善秸秆的日产气量、累积产气量、TS产气率、单位干物质产能量等均有良好的效果。实验中好氧厌氧两相发酵工艺的累积产气量达到17000CmL,而单相厌氧发酵累积产气量只达到了11000 mL。其TS产气率和VS产气率也均高于单相厌氧发酵的对照组,其最高的TS、VS产气率分别可达到411.19 mL·g-1、450.97 mL·g-1比单相发酵的对照组提高30%。试验中好氧厌氧两相发酵工艺组TS产甲烷率达到246.63 mL·g-1,达到了稻秸理论干物质产甲烷量的91.3%,比单相发酵的对照组提高36%。(3)不同菌种产生各种纤维素酶的能力是不同的,而纤维素酶还是一种诱导酶,不同的生长环境会极大的影响各种纤维素酶的产生和降解纤维素的活性,从而影响木质纤维素的降解率。通过测定发现木霉和黑曲霉混合菌组总体酶活性较其他单一菌种的处理组高,其水解阶段纤维素半纤维素降解率规律与其一致。试验中混菌组累积产甲烷量高于其他组,说明木霉和黑曲霉在外界供氧的条件下两种菌没有产生抑制作用。(4)在不同供气方式试验中采用曝气供气方式的处理组总酶活较搅拌供气方式高,其曝气供气组的TS产气量达到438.57 mL·g-1,均高于搅拌组和对照组,说明曝气供气方式更有利于木霉和黑曲霉混合菌的生长。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216.4

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