作物秸秆沼气转化潜力及厌氧种泥活性保存规律研究

发布时间：2020-07-03 00:16

【摘要】：农作物秸秆是重要的沼气生产原料,本研究针对秸秆生物降解率低及产气效率差等问题,利用物理化学联合预处理技术,系统地评价了碱种类、碱浓度以及气爆与碱处理联用对玉米秸秆厌氧消化性能的影响；并通过批式厌氧发酵实验,详尽地探讨了甘薯藤单发酵及其与牛粪不同配比或同一配比不同含固率的共发酵沼气转化潜力。厌氧反应器的高效启动对沼气工程极为重要,反应器启动过程中需要大量的微生物菌源,而厌氧微生物的培养耗时长,种泥运输成本高。为实现厌氧反应器的快速低耗启动,本研究以高温厌氧污泥为研究对象,系统地评价了贮存时间及贮存温度对高温厌氧浓缩污泥产甲烷活性的影响,为以浓缩污泥为菌源启动高温厌氧反应装置提供理论依据。主要研究结果如下：(1)玉米秸秆经不同浓度NaOH或KOH以及气爆与NaOH或气爆与KOH联合预处理作用后,木质纤维素结构受到不同程度的破坏；并随碱浓度的增加,木质素和半纤维素含量逐渐降低。与未处理玉米秸秆相比,单独碱预处理和气爆与碱联合预处理秸秆木质素含量降低了18%-73%,半纤维素含量降低了11%-76%。相同碱浓度下：对木质素和半纤维素的破坏能力,单用NaOH的效果大于单用KOH；气爆与碱联合预处理时,NaOH仅对木质素的破坏能力强于KOH。原料产甲烷潜力测试结果表明,与未处理玉米秸秆相比,单独碱预处理及气爆与碱联合预处理秸秆最大甲烷生成速率明显提高了44%～258%,厌氧消化T80时间缩短了5-11天；在15%和20%高浓度碱预处理作用下,玉米秸秆甲烷累积产气量提高了1.0%-24.6%。(2)原料产甲烷潜力测试结果表明,甘薯藤和牛粪的产甲烷潜力分别为208.5和194.5 mL/g VSadded；且与牛粪相比,甘薯藤具有较高的产气速率。不同配比甘薯藤与牛粪批式共发酵实验结果表明：底物添加量为50g-VS/L条件下,在厌氧发酵前20天内,与原料单发酵相比,所有共发酵处理均具有正向的甲烷产气协同性,并且产气速率稳定；甘薯藤与牛粪共发酵工艺有效地缩短了原料单发酵厌氧消化T80时间。不同含固率下甘薯藤与牛粪固定配比(5：5和2：8)批式厌氧发酵结果表明：随底物添加量的增加,共发酵处理的原料特殊产甲烷效率逐渐下降,而甲烷容积产气率明显升高。(3)对不同菌源高温厌氧污泥分别进行离心浓缩处理和离心及真空旋转蒸发浓缩处理,并对浓缩污泥产甲烷活性进行监测。结果表明,以餐厨垃圾为发酵底物且底物与种泥添加比(S/I Ratio)为1：1条件下,原始种泥经过浓缩处理后,厌氧消化最大甲烷产气速率均有不同程度下降。以市政污水处理厂厌氧污泥为菌源,浓缩污泥产甲烷潜力与其原始种泥较为相近；以沼气工厂厌氧反应器污泥为菌源,离心浓缩污泥甲烷累积产气量比其原始污泥提高了7.0%,但离心及旋转蒸发浓缩污泥因厌氧反应初期挥发性脂肪酸的积累而导致厌氧发酵失败。(4)高温厌氧反应器原始种泥经离心浓缩处理后,污泥含水率下降至82.0%；离心后的污泥经进一步真空旋转蒸发浓缩处理后,含水率降至71.5%。将原始种泥及两种浓缩污泥置于20±2℃培养箱内,分别保存了2个月和4个月。以餐厨垃圾和脱脂奶粉为发酵底物,在S/I Ratio为1：2发酵条件下,测定贮存污泥的产甲烷活性变化。结果表明,未贮存原始种泥甲烷累积产气量最高,贮存的原始种泥及浓缩污泥甲烷累积产气量下降了1%-34%；与贮存2个月的浓缩污泥相比,贮存4个月的浓缩污泥甲烷累积产气量及最大产甲烷速率均有所提高。(5)将高温厌氧污泥进行离心浓缩处理,并在不同温度下(7℃,20℃,55℃)保存10个月。以保存后的离心浓缩污泥为菌源,以葡萄糖、乙酸和成分复杂的餐厨垃圾为发酵底物进行批式厌氧发酵实验,评价了不同保存温度对离心浓缩污泥产甲烷活性的影响以及浓缩污泥微生物活性的恢复能力。实验结果表明：7℃下保存的浓缩污泥具有最高甲烷累积产气量和最大甲烷产气速率；55℃下保存的浓缩污泥甲烷累积产气量和产气速率均最低,但具有最快的微生物活性恢复速率。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.4
【图文】：

业NB学博±学位论文逦第．．章玉米粘巧的预处理方巧对巧气转化效果表２－１厌氯巧泥理化指标逡逑逦Ｔａｂｌｅ邋２－１邋Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ａｎａｅｒｏｂｉｃ邋ｓｌｕｄｇｅ邋ｕｓｅｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ＇＊．逦逡逑ＴＳ邋（％）逦ＶＳ邋（％）逦ＶＳＡＴＳ邋（％）逦＾逦ｐＨ逡逑３．１２邋ｚｂ邋０．０３逦１．５化邋０．０１逦４８．０８±邋０．０３逦１．６２±邋０．０３逦７．６５邋±邋０．０３逡逑？Ｎｏｔｅ：邋Ｄａｔａ邋ａｒｅ邋ｍｅａｎｓ邋ｏｆ邋ｔｈｒｅｅ邋ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｌｓ，邋ａｎｄ邋ｎｕｍｂｅｒｓ邋ｉｎ邋ｐａｒｅｎｔｈｅｓｅｓ邋ａｒｅ邋ｔｈｅ邋ｓｔａｎｄａｒｄ邋ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ，逡逑预处理方法逡逑（１）气爆处理逡逑本实验气爆设备为自主研发小型气爆装尨，如W２－１。气爆前，将备用的玉米稻轩均匀喷含水率达到３０％，然后放入自封袋，与水充分融合３０分钟后备用。据（Ｌｉｕ邋ｅｔａｌ．，２０１３米干稻杆较优的气爆条件为１．６邋Ｍ化下维持６邋ｍｉｎｓ。因此，本实验韦米招杆气爆条件６邋ｍｉｎｓ。逡逑

其１５％碱浓度下ＮａＯＨ和ＫＯＨ黑液ｐＨ分别为１３．０６和１０．６７，说明在ＫＯＨ在１５％碱浓度作用逡逑下，ＯＦＴ消耗更明显。逡逑如图２－５Ｂ所巧，联合预处理黑液ｐＨ低Ｔ－相应浓度的单独碱处理巧液ｐＨ。其中，５％和１０％逡逑碱浓度下尤为明显。由于预处理过程中火量ｉｉｊ■溶性物质的溶出，ＥＣＳ与５％邋ＮａＯＨ或与５％邋ＫＯＨ逡逑联合预处理结束巧黑液ｐＨ分别降至６．４３和６．４２。除５％浓度黑液外，其他Ｈ个浓度下ＫＯＨ黑液逡逑ｐＨ均低－Ｔ＇邋ＮａＯＨ黑液ｐＨ。逡逑分析原因，在单独碱处理组合中，ＩＩ］■溶性物质溶山量较少，对ｐＨ影响较小，ｐＨ值的变化：屯逡逑要来自玉米稻杆结构破坏对ＯＦＴ离子的巧耗。而在气爆与碱处理联用的处理中，由平玉米稻杆经逡逑气爆处理后ｉｉｒ溶性物质明显增多，因此对黑液ｐＨ的影响较NB

本文编号：2738882