农业生物质特性与厌氧消化产气产酸关系研究

发布时间：2020-06-06 12:24

【摘要】：农业废弃物产量可观,但种类繁多,特性差异大。原料特性导致木质纤维素难降解、氨氮抑制和高固体浓度发酵液传热传质性能差成为农业废弃物厌氧消化技术的瓶颈问题。针对上述问题,本研究以牛粪、猪粪和鸡粪等畜禽粪便,以及预处理前后的小麦、玉米、水稻、油菜和棉花秸秆为研究对象,建立典型农业生物质与厌氧消化产气产酸性能间的关系,对开展根据原料特性预测厌氧消化产能价值,从而指导农业生物质高效合理开发具有重要意义。针对原料特性数据不统一的问题,以10种典型农业废弃物为研究对象,全面分析20余种理化特性,参与构建我国首个农业生物质基础特性数据库。同时,针对特性指标较多、分析成本过高的问题,使用主成分分析法归纳总结了不同类型原料区别于其他原料的主要特性指标。针对不同原料厌氧消化性能差异大的问题,选用14种农业生物质原料,从生化产甲烷潜力测试、反应动力学和连续反应体系测试三个方面对原料厌氧消化的性能进行评价,结果发现原料化学组分的类型和含量是控制产沼产酸潜力、生物降解性、停留时间、产气速率、营养元素利用率、毒性物质积累程度等性能指标的关键因素。针对木质纤维类原料厌氧消化产气难的问题,使用碱性过氧化氢预处理改善原料理化特性,结果发现去除木质素是改善木质纤维素类原料厌氧消化产沼性能的关键因素。通过断裂酯键和醚键,预处理回收约90%葡聚糖和80%木聚糖的同时,去除30%-50%的木质素,从而改善原料产沼性能。由于有机质的损失,碱性过氧化氢预处理仅可提高部分种类原料的产甲烷潜力和生物降解性。针对高氮高纤维原料连续厌氧消化易酸化的问题,使用未经稀释的鸡粪和青贮玉米秸秆混合发酵,探讨氨氮抑制和传热传质抑制协同作用下连续系统的产沼产酸性能,结果发现控制连续系统中氮元素的摄入量是解决高氮农业废弃物原料形成氨氮抑制的关键手段;具正反馈作用的多重抑制是高氮高纤维原料有效激发厌氧系统产酸潜力的重要原因;发酵液固体浓度18%,总氨氮浓度"f7000 mg/L时,高氮高纤维农业废弃物产甲烷可行;发酵液浓度20%,总氨氮浓度9000 mg/L时系统产酸潜力较大,达60000 mg有机酸/L。针对原料微量元素缺乏易造成连续系统酸化、传热传质抑制降低微量元素利用率的问题,通过持续添加缺乏的微量元素,探讨微量元素对连续系统多重抑制的调控效力,结果发现多重抑制是阻碍微量元素最大程度发挥有利影响的重要原因;Ni、Se和Co浓度分别低于0.30、0.10和0.10 mg/L,引发丙酸积累;添加微量元素在一定程度上可降低丙酸水平,缓解产沼性能恶化。通过上述研究,本文阐明了农业废弃物原料典型特性与厌氧消化产气产酸间的关系,为预测农业废弃物原料生物能源化价值和指导大规模工业生产提供科学依据。
【图文】：

技术路线图,原料特性,产酸性能,厌氧消化

42图 1-1 原料特性与厌氧消化产沼产酸性能的关系‖ 研究的技术路线Fig. 1-1 The technological route for the research of research on the relationships betweencharacteristics of ager-residues and biogas production by anaerobic digestion

碎石,畜禽粪便,主成分分析

51.624 7.384 861.155 5.252 97.666 3.026 98.282 1.284 99.186 .846 910.101 .461 911.083 .376 912.014 .066 1133.593E-16 1.633E-15 1142.603E-16 1.183E-15 1151.876E-16 8.529E-16 1165.549E-17 2.522E-16 117-8.808E-17 -4.003E-16 118-2.002E-16 -9.101E-16 119-3.025E-16 -1.375E-15 120-3.288E-16 -1.494E-15 121-5.086E-16 -2.312E-15 122-9.970E-16 -4.532E-15 1
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X71

【参考文献】