马铃薯茎叶厌氧消化特性与工艺优化研究

发布时间：2020-10-09 07:59

　　通过对马铃薯茎叶资源量、分布及处理方式的调查研究得出,2013年中国马铃薯茎叶的产生量为9210.38万t,可收集利用的马铃薯茎叶量为7368.31万t,作为新型能源利用的马铃薯茎叶资源量有3174.27万t;新型能源化利用资源量超过100万t的有8个省(市、自治区),包括内蒙古、四川、贵州、云南、甘肃、重庆、黑龙江、湖北;从新型能源化可获得量分布密度角度分析,超过全国平均水平的有15个省(市、自治区),排名前5位的分别是黑龙江9.88 t/hm~2、江西9.24 t/hm~2、吉林8.81 t/hm~2、重庆8.48 t/hm~2、西藏8.45 t/hm~2。结果表明,中国马铃薯茎叶资源量大,分布集中,多个省份都适宜推广马铃薯茎叶沼气化利用技术。目前马铃薯茎叶资源仅有1181.88万t用于燃料化,近2000万t马铃薯茎叶资源被废弃或焚烧,据2014年FAO统计,中国因马铃薯茎叶产生的CO_2排放量达到129.47万t,对农业及社会生态环境造成了巨大破坏,同时也是生物质资源的一种巨大浪费。随着“马铃薯主粮化战略”的发展,将会产生更多的马铃薯茎叶资源,如何提高马铃薯茎叶“五料化”利用的研究任务迫在眉睫,因此本文以马铃薯茎叶为研究对象,系统展开了对其厌氧消化产沼气特性的研究,主要研究内容和结果如下:(1)马铃薯茎叶厌氧消化产甲烷潜力及其产气动力学研究。通过对马铃薯茎叶理化性质的分析表明,马铃薯茎叶含有大量的有机质,其VS/TS为0.87,理论产甲烷量为449.86 mL/gVS。以未脱气、脱气和脱气后经驯化的3种不同接种物对马铃薯茎叶产甲烷潜力进行了研究,结果表明,驯化过的接种物从产沼气量、产甲烷量及对马铃薯茎叶的生物降解率方面都要优于为未经过驯化的接种物,分别提高了26.78%、36.56%和17.62%。根据试验结果,运用Modified Gompertz模型和一阶动力学模型对马铃薯茎叶厌氧消化过程进行模拟,结果表明,马铃薯茎叶最大产甲烷潜力为214.15 m L/gVS、最大产甲烷速率为40.39 mL·g_(vs)~(-1)d~(-1)、厌氧消化迟滞期为3.44 d。(2)离子液体预处理对马铃薯茎叶厌氧消化产气特性的影响。选取离子液体1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐([C_2mim]Ac)、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([C_4mim]Cl)和助溶剂二甲基亚砜(DMSO)在130℃条件下对马铃薯茎叶预处理120 mins。结果表明马铃薯茎叶内纤维素的高结晶度三维稳定结构被破坏,使再生纤维素的含量提高17.3%~27.5%,木质素含量降低31.8%~43.9%,对木质纤维素的溶解及脱除能力高低依次为:[C_2mim]Ac[C_2mim]Ac/DMSO[C_4mim]Cl/DMSODMSO[C_4mim]Cl,对马铃薯茎叶厌氧消化产沼气的影响依次为[C_4mim]Cl/DMSO[C_2mim]Ac/DMSO[C_2mim]Ac[C_4mim]ClDMSO。马铃薯茎叶经离子液体预处理后,厌氧消化迟滞期减少了9 d,累积产沼气量提高了3.2%~76.3%,产甲烷含量提高了14.3%~25.1%,生物降解率提高了8.37%~33.90%。(3)缓冲底物对马铃薯茎叶厌氧消化产气稳定性的影响。选用乙酸铵作为缓冲底物,以HRT 1 d、HRT 3 ds、HRT 5 ds为时间间隔,以11.25 g/L、22.50 g/L和45.00 g/L为浓度梯度进行缓冲底物添加试验。结果表明,添加缓冲底物可有效提高马铃薯茎叶厌氧消化系统内厌氧微生物对氨氮的耐受程度,增加系统的稳定性,促进系统的产沼气量及产甲烷含量。HRT 5ds buffer 2.5 g/L处理组的产沼气效果最佳,累积产沼气量提高了37.46%,日产沼气量、NH_4~+-N浓度及pH值的波动幅度分别在±60 m L、±0.07 g/L和±0.12之间;产沼气效果较优的试验组包括:HRT 5ds buffer 2.5 g/L、HRT 5ds buffer 1.25 g/L、HRT 3ds buffer 1.5 g/L、HRT 5ds buffer 5 g/L、HRT 3ds buffer 0.75 g/L。虽然添加缓冲底物可明显提高马铃薯茎叶厌氧消化系统内微生物的氨氮耐受程度,但添加浓度及添加间隔时间不能一成不变,应视系统反应做出相应调整。(4)马铃薯茎叶与玉米秸秆混合厌氧消化工艺参数优化研究。以物料质量分数A、碳氮比B和接种物质量分数C为因素,TS产沼气率为响应值,通过三因素五水平二次回归正交旋转组合设计试验。结果表明,马铃薯茎叶与玉米秸秆混合厌氧消化产TS产气率回归模型为Y=538.34-20.37A+23.16C-34.89AB-42.71AC-167.39A~2-93.31B~2-93.04C~2。三个因素对TS产气率的影响依次为CBA,均呈显著相关;两两因素间的交互作用对TS产沼气率的影响依次为ACABBC。最优工艺条件为:物料质量分数为9.78%、碳氮比为18.76:1、接种物质量分数为20.84%,TS产气率为540.98mL/g TS。(5)生物炭介导的马铃薯茎叶厌氧消化提质增效特性研究。以玉米秸秆为原料,通过低温热解,即在600℃保温2 h的条件下制备生物炭,比表面积为238.40 m~2/g,平均孔径为6.30 nm,通过TGA分析,表明本试验所制备的生物炭具备代表性。生物炭介导马铃薯茎叶厌氧消化产气特性试验以不同生物炭粒径0.83 mm、0.38 mm、0.25 mm和不同添加量5%、10%、20%为影响因素。结果表明,生物炭介导的马铃薯茎叶显著提高了厌氧消化的产能,最大日产甲烷量提高了5.16%~56.94%,VS累积产甲烷量提高了1.65%~37.71%,生物降解率提高了1.69%~37.62%,COD去除率提高了3.47%~16.48%。最高日产甲烷量达到了46.58 m L/gVS,最大VS累积产甲烷量达到325.14 m L/gVS。不同添加量及不同粒径的生物炭介导马铃薯茎叶厌氧消化产甲烷能力依次为:20%CB6020%CB4020%CB205%CB2010%CB605%CB605%CB4010%CB4010%CB20。运用Gompertz模型和一阶动力学模型对试验数据进行模拟,得出生物炭介导的马铃薯茎叶厌氧消化产甲烷速率提高了62.59%~168.16%,迟滞期缩短了20.16%~96.12%,一阶水解速率常数提高了0.04~0.08 d~(-1)。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S216.4
【部分图文】：

分布图,马铃薯产量,全球,分布图

中国农业部正式启动马铃薯主粮化战略，将马铃薯发展为继后第四大主粮，令主食品种更加多样化、营养更加多元化（李文娟等 2 月，中国农业部正式颁发农农发[2016]1 号文件《农业部关于推进马导意见》（以下简称《意见》），《意见》指出为贯彻落实中央 1 号文件家粮食安全战略部署，推进农业供给侧结构性改革，牢固树立“营养指生产”的理念，充分认识加快马铃薯产业开发具有重要意义。《意见》产业开发，到 2020 年，马铃薯种植面积扩大到 1 亿亩以上，平均亩总产达到 1.3 亿 t 左右；优质脱毒种薯普及率达到 45%，适宜主食加达到 30%，主食消费占马铃薯总消费量的 30%。国外马铃薯产业现状联合国粮农组织（FoodandAgricultureOrganizationoftheUnitedNation，在全世界 5 大洲有 158 个国家和地区种植马铃薯，其分布情况如图 1植和生产区主要集中在欧洲和亚洲的“三区两带”，即高山地区、低地大主产区，23o～34oN、44o～58oN 两个纬度带，占世界种植面积 70%14）。

种植面积,主产区,产量变化,马铃薯

马铃薯茎叶厌氧消化特性与工艺优化研究12于平稳、缓慢上升的态势，但世界马铃薯生产重心开始由西向东、由发达国家向发展中国家转移（刘洋等 2014）。1960～1980 年，欧洲的马铃薯种植面积和产量均占全球的 60%以上，但随着亚洲马铃薯产业的蓬勃发展，到 2014 年，欧洲马铃薯种植面积份额在全球总量中占不到 30%（与中国种植面积相当 29.57%），而亚洲种植面积所占份额从 1961年的 10.60%跃升至 2014 年的 52.01%。从产量上看，欧洲从 1961 年的 2.22 亿 t 降至 2014 年的 1.25 亿 t，所占份额从 81.99%降至 32.63%；而亚洲则从最初的 0.23 亿 t 增长至 2014 年的 1.87 亿 t，所占份额从 8.63%增至 48.96%，成为世界最大的马铃薯生产区。(a)(b)

路线图,研究技术,路线图,厌氧消化

马铃薯茎叶厌氧消化特性与工艺优化研究。介导马铃薯茎叶厌氧消化提质增效特性研究独特的原料特性，导致了其厌氧消化产沼气效能偏低，同时稳定，为了能系统、便捷地解决此问题，本研究选择以生物不同添加量的生物炭介导，研究其对马铃薯茎叶厌氧消化提路线技术路线如图 1-4 所示。

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