沼液回流对玉米秸秆厌氧发酵特性的影响研究

发布时间：2020-06-12 16:02

【摘要】：秸秆作为数量最大、种类最多的生物质资源,当前国家正在引导、推进规模化秸秆沼气工程的发展,秸秆制备沼气的环境效益和能源效益越来越受到关注,作为沼气工程的副产物,大量沼液的出现成为了制约沼气工程发展的重要因素。而沼液循环回用是减少沼液排量,节约水资源最有效的方法。因此本文以玉米秸秆为主要原料,设置不同的沼液回流比例A(0%)、B(25%)、C(50%)、D(75%)、E(100%),在37℃条件下,发酵TS浓度10%,有机负荷2gL~(-1)d~(-1)采用CSTR全混合反应器进行厌氧发酵试验,通过对发酵过程pH值,TOC含量、产气量、甲烷百分含量、硫化氢含量、粘度、挥发酸、凯氏氮、氨氮等的检测,探究沼液回流对玉米秸秆厌氧发酵特性及产酸和氮素转化的影响。主要得出以下结论:(1)通过对累积产气量的分析可知,其中25%沼液回流可以提高累积产气量6.40%,50%沼液回流可以提高产气量4.53%,75%沼液回流可以提高产气量9.95%,100%沼液回流可以提高产气量4.69%。各组VS产气量分别为303.14mL/g、322.5 mL/g、316.89mL/g、333.31mL/g、317.35mL/g。其中75%沼液回流提高VS产气量效果最好且发酵过程稳定。第1~10d,A、D组所产沼气甲烷百分含量有一个峰值,分别达到了66.46%、68.03%,第19~61d在51.76%~56.1%之间波动;B、E组甲烷百分含量变化趋势相同,发酵前期最高值分别为54.72%、56.63%低于A、D组,发酵中后期B、E组的甲烷百分含量上升,并且和A、D组相差不大。各组H_2S气体含量均较低,在15~90ppm之间波动,A、B组H_2S气体含量有缓慢上升的趋势。C、D、E组中H_2S变化趋势相对稳定,波动范围也较小,明显低于A、B组。(2)发酵过程各组pH值均在6.8~7.5范围内,各组的pH值变化趋势基本相同,发酵中期以后沼液回流组的pH值下降速度比未回流组缓慢。随着进料次数的增加,沼液回流组粘度迅速升高,A组缓慢升至43mPa·s;B组升至72mPa·s;C组粘度第16~40d由28mPa·s升至89mPa·s,最终到达了104mPa·s;D组第13~37d由22mPa·s迅速升至99mPa·s,最终达到124mPa·s;E组第31d就达到了105mPa·s,发酵结束升至144mPa·s。并且还有继续升高的趋势,沼液回流会明显提高发酵体系的粘度。沼液回流可以有效提高TOC的去除率。20%、50%、75%、100%沼液回流组分别提高TOC去除率6.87%、7.32%、10.92%、6.93%。(3)发酵前期沼液回流明显提高了乙酸的浓度,发酵后期乙酸浓度差异不明显均在较低水平。B、D、E组的丙酸浓度下降速度明显比A组的快,沼液回流可以加快丙酸的降解,防止丙酸的积累抑制产甲烷菌的活性。沼液回流对正丁酸、异丁酸、正戊酸、异戊酸、正己酸的影响不明显,这几种酸含量相对于乙酸和丙酸含量较低。沼液回流没有明显改变总VFAs浓度,沼液回流开始之后总挥发酸含量迅速降低,后期在400mg/L左右波动。(4)各组凯氏氮浓度在发酵前13d有一个上升的趋势,后期各组凯氏氮浓度下降至发酵结束,各组下降幅度分别达到了66.7%、58.12%、46.72%、43.05%、48.19%。沼液回流明显减缓了凯氏氮的消耗速度。(5)前13d各组氨氮浓度相差不太明显,氨氮浓度处于一个高点,随着发酵的进行,回流组氨氮浓度的降低速度明显比未回流组慢,随着沼液回流比例的提高,有机氮氨化程度明显提高,前13d各组有机氮氨化程度成降低趋势,由90%降低至70%左右,一个水力停留期之后A组降至57.80%。B组的由第22d的70.91%升高至81.66%。C组最终达到了82.95%。D组第46~61d在81.53%~86.20%范围波动。E组第52~61d在85%左右波动。沼液回流在发酵中后期明显提高了有机氮的氨化作用,并且玉米秸秆厌氧发酵氮素的含量较低,没有出现氨氮抑制,有机氮氨化程度在较高水平。
【图文】：

发酵反应,接种物,玉米秸秆

第二章沼液回流对玉米秸秆厌氧发酵产气特性的影响表 2-2 秸秆及接种物特性Table 2-2 Characteristics of Straw and Inoculum指标 TS% VS% 碳素/% 氮素/% C/N玉米秸秆 92.42 87.47 42.75 0.75 57:1接种物 24.39 27.27 11.32 0.77 15:12.2.2 试验装置试验采用体积为 10L 的 CSTR 反应器（图 2-1）进行半连续厌氧消化反应。反应器采用双层夹套设计，接循环水进行保温。上方电机接时控器，，每 2h 以 30r/min 转速搅拌20min，集气瓶进气口通过三通玻璃管连接气体采样袋取样，用于气体成分检测。

标准曲线,气相色谱图,挥发酸,标准曲线

图 3-1 7 种酸的气相色谱图Fig.3-1 Gas chromatograms of 7 acids7 种挥发性脂肪酸标准样品在气象色谱图中的保留时间、浓度以及峰面积等数-1 所示。表 3-1 挥发酸标样气相色谱图标准曲线Table3-1 Volatile acid standard gas chromatogram standard curve挥发酸浓度（mg/l）峰面积保留时间（min）标准曲线乙酸丙酸正丁酸异丁酸正戊酸异戊酸正己酸400400400400400400400231.284364.254395.194380.985354.940381.461282.8568.919.9511.4410.4712.8011.9614.01Y=0.5804X-1.3648，R2=0.9997Y=0.9139X- 4.8907，R2=0.999Y=0.9942X-5.8807，R2=0.9992Y=0.9556X-4.8367，R2=0.9989Y=0.8947X-3.1839，R2=0.9988Y=0.9594X-5.5682，R2=0.999Y=0.701X+ 1.1385，R2=0.9992 数据分析方法
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S216.4

【参考文献】