预处理及玉米秸秆、小麦秸秆、鹅粪和鸡粪联合发酵提高甲烷产量的研究

发布时间：2020-05-28 07:29

【摘要】：农业木质纤维生物质是世界上丰富的可再生能源资源。然而,与其他畜禽粪便处理技术相比,木质纤维生物质的厌氧发酵处理技术尚不十分成熟,这是由于其中木质素和纤维素的存在,使得其厌氧发酵性较差。人们试图通过各种预处理方法缩小这两种原料处理技术的差距,但是商业化规模的工厂仍然不愿意使用木质纤维生物质作为厌氧发酵的原料。本研究对木质纤维生物质提出5种不同的预处理方法,以减小其作为厌氧发酵原料使用的障碍。此外,在工业化规模处理家禽粪便厌氧发酵时,现有技术和文献中也缺少对最佳碳氮比C/N(混合比)和有机负载率OLR(每日进料浓度)优化问题的探讨。因此,本研究将预处理技术应用于玉米秸秆和小麦秸秆,结果发现:碱性增溶和氧化裂解预处理对于提高玉米和小麦秸秆厌氧发酵率最可行、效果良好。效果评价表明:预处理后持续降低的C/N比占主导地位,因此,预处理能够显著提高纤维生物质的甲烷产量。此外,本研究在常温条件下对鸡粪、鹅粪、玉米和小麦秸秆进行了批次式(Batch)和半连续式(CSTR,Semi-continuous Stirring Tank Reactor)联合发酵实验,提出了商业化规模应用的C/N和OLR优化回归模型。在CSTR实验中,采用3种不同的OLD,分别为1.5 g·(L·d)-1·VS,3.0g·(L·d)-1·VS和4.5 g·(L·d)-1·VS,称为状态 Ⅰ、状态 Ⅱ 和状态Ⅲ。多次实验表明:在商业化规模的鸡粪厌氧发酵中,由于OLR未知,因此存在氨抑制,而鸡粪、鹅粪和小麦秸秆的联合发酵可以显著降低氨抑制作用。为了阐明实验中甲烷产生的动力学机理,采用1阶动力学模型、传递函数模型、圆锥模型和改进的Gompertz模型,对鸡粪、鹅粪和预处理小麦秸秆联合发酵的协同效应进行评估。结果表明:改进的Gompertz模型对于进一步解释动力学预测的适应性和可靠性最好,动力学分析和协同效应评估证明了联合发酵在提高甲烷产量中的作用。此外,实验中对于整个联合发酵过程的一些生物化学指标,包括:总挥发性脂肪酸TVFA、乙醇产生模式、pH、可溶性化学需氧量COD、总氨氮TAN和游离氨FAN等也进行了监测。1.本研究中,采用热化学预处理(H2O2,Ca(OH)2,NaOH),ARP(氨可回收渗滤)和LA(液氨)对玉米秸秆进行处理,并通过其与厌氧活性污泥联合发酵评价玉米秸秆的甲烷生产潜力。所有预处理以两水平的浓度进行,发现其能够显著提高木质纤维素的消化率和甲烷产量(P0.05)。结果表明:用H2O2-1、H2O2-2和NaOH-2预处理玉米秸秆的甲烷产量分别为293.52、310.50和279.42 ml/g.VS,分别比未处理玉米秸秆高57.18%、66.27%和49.63%。在过去的研究中,预处理时间是以天数计,本研究已将其减少至约1小时。H2O2-2和NaOH-2预处理显著提高了木质纤维素降解率,降解程度分别高达45%和42%。与未处理的玉米秸秆相比,ARP-2预处理效果最佳,其木聚糖、木质素去除率及降低 C/N 分别为 50.69%、44.15%和 57.52%。2.在4种配比水平下将玉米秸秆CS和鹅粪GM联合厌氧发酵,玉米秸秆通过预处理提高其木质纤维素消化率。测定了 NaOH预处理对于玉米秸秆化学组成的影响,与对照组相比,所有配比水平的甲烷产量显著提高(P0.05)。处理C2(0.6CS:0.4GM)、C3(0.4CS:0.6GM)和C4(0.2CS:0.8GM)的累积甲烷产量分别比对照组提高86.1%、92.1%和83.1%。实验结果发现:C/N为20-30对于提高甲烷产量效果最佳,且各处理间的差异性最小(Asynchronism Minimization)。此外,还进行了鹅粪和小麦秸秆C/N和OLR优化。批次实验中,C/N为20-30甲烷产量最高;而对于CSTR,状态Ⅱ采用的OLR(3.0 g·(L·d)-1·VS)效果最佳,在反应器B中,C/N为25时最大甲烷产出能力为254.65 ml/g.VS。C/N和OLR优化回归模型为商业化规模应用提供了参考。3.本研究采用热H2O2预处理小麦秸秆、鸡粪与活性污泥联合发酵,在4个不同C/N(35:1,30:1,25:1和20:1)水平下进行实验。在小麦秸秆和鸡粪厌氧发酵过程中,所有C/N组分都显著提高了甲烷产量和发酵过程稳定性(P0.05)。实验结果表明:C/N为20:1时效果最佳,与未处理小麦秸秆相比,甲烷产量提高了 85.11%,COD去除率为48.55%,VS去除率为66.83%。C/N为25:1、30:1和35:1等其他水平时,与对照组相比,甲烷产量分别提高75.85%、63.04%和59.96%。小麦秸秆预处理可使其C/N降低65%。本研究的另一项实验是在半连续搅拌反应器(CSTR)中,对鸡粪和预处理小麦秸秆进行联合发酵。反应器B中状态Ⅲ(C/N=20)效果最佳,其甲烷产量为296.90ml/g.VS,VS去除率为68.19%,COD去除率为59.87%。对小麦秸秆进行氧化裂解预处理后,大大提高了其厌氧发酵率。为阐明实验中甲烷产生的动力学机理,对每一种实验状态,采用Gompertz模型解释其累计甲烷产量曲线。4.本研究还探讨了加热及超声波预处理对鹅粪厌氧发酵的影响。在6个半连续搅拌反应器(CSTR)中,以 3 种不同的 OLR(1.4 g·(L·d)-1·VS,2.9 g·(L·d)-1·VS 和 4.4 g·(L·d)-1·VS,分别称为状态1、状态2和状态3)、以及5个不同的超声波(28 kHz)预处理时间(25、45、60、90和120 min),优化鹅粪的厌氧发酵过程以提高甲烷产量。实验表明:状态2效果最佳,甲烷产量、COD去除率及VS去除率最高。由于加热、超声波预处理及OLR调控,反应器C在状态2实验条件下,其甲烷产量增加40.76%。本研究还进行了鸡粪、鹅粪和氧化裂解小麦秸秆联合发酵实验,其基本目的是减少鸡粪中的氨。结果表明:反应器B中状态Ⅱ(C/N=25,3.0 g·(L·d)-1·VS)效果最佳,甲烷产量达260.14 ml/g.VS,VS及COD去除率分别为63.90%及56.76%。
【图文】：

ｔｈｅｍｉｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍ邋ｓｔｏｖｅｒ；邋（Ｄ，邋Ｅ）邋ａｆｔｅｒ邋ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍ邋ｓｔｏｖｅｒ邋ｔｏ逡逑ｅｖａｌｕａｔｅ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ邋ａｎａｌｙｓｉｓ逡逑图２．２：逦（Ａ，邋Ｂ）用于预处理玉米秸秆的制备；（Ｃ）用于玉米秸杆热化学逡逑预处理的高压器；（Ｄ，邋Ｅ）玉米秸秆预处理后的组份分析逡逑２．４．２邋Ｂａｔｃｈ邋ａｎａｅｒｏｂｉｃ邋ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ逡逑Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋ｓｃａｌｅ邋１Ｌ邋ｂａｔｃｈ邋ａｎａｅｒｏｂｉｃ邋ｄｉｇｅｓｔｅｒｓ邋ｗｅｒｅ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｌａｂ邋ｗｉｔｈ邋８００邋ｉｎｉ邋ｏｆ逡逑ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｖｏｌｕｍｅ．邋Ｅａｃｈ邋ｄｉｇｅｓｔｅｒ邋ｃｏｎｔａｉｎｅｄ邋ｔｗｏ邋ｐｏｒｔｓ；邋ｏｎｅ邋ｐｏｒｔ邋ｆｏｒ邋ｓｌｕｄｇｅ邋ｓａｍｐｌｅ邋ｗｉｔｈｄｒａｗａｌ邋ｔｏ逡逑ａｎａｌｙｚｅ邋ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｌｉｋｅ邋ｐＨ

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【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S216.4
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本文编号：2684924