几种典型农业废弃物厌氧发酵产甲烷强化技术研究

发布时间：2020-11-20 02:32

　　针对农业废弃物厌氧发酵产甲烷率低的问题,探究有效的强化技术,提高产甲烷率。根据我国农业废弃物的产量与特性,本研究选取玉米秸秆、鸡粪和牛粪作为典型农业废弃物进行试验研究,得出的主要结论如下:玉米秸秆和牛粪的木质纤维素含量高,产甲烷率低。酶强化试验表明,酶预处理不仅通过提高底物中还原糖与低聚糖含量促进产甲烷,还通过破坏木质纤维结构促进厌氧发酵的水解过程来提高产甲烷率。在pH为5.5、温度为55 ℃的条件下,经过18小时的纤维素酶预处理,玉米秸秆和牛粪的产甲烷率分别为188.8mL CH4/g·VS和179.1mL·CH4/g·VS,与未进行酶预处理的相比,分别提高了 28%和12%。对于玉米秸秆,采用半纤维素酶预处理的产甲烷率提高了 8%。此外,在玉米秸秆厌氧发酵过程中直接添加淀粉酶,产甲烷率提高了 12%,对于实际应用提供了一种简便易行的方法。鸡粪的氮含量高,作为单一物料进行厌氧发酵时,氨抑制是导致产甲烷率低的关键问题。本研究提出了鸡粪预水解-膜吸收脱氨-厌氧发酵产甲烷的系统,预水解过程可将鸡粪中70%的有机氮转化为氨氮,随后采用膜吸收脱氨技术可将氨氮含量降低至2 g/L以下,鸡粪的产甲烷率可高达437.0 mL·CH4/g·VS。试验结果表明,该系统可有效地利用膜吸收技术解决氨抑制问题,提高鸡粪的产甲烷率,膜吸收回收的硫酸铵还可作为化肥原料再利用。对于物料可得的情况,混合发酵可能是最经济的方式。本研究进行了鸡粪与玉米秸秆、牛粪与玉米秸秆的混合发酵试验,结果表明,在干重配比为3:1时两种混合发酵都达到最大产甲烷率,分别将产甲烷率提高了 40%和15%。为进一步提高混合发酵的产甲烷率,进行了纤维素酶预处理玉米秸秆和直接在厌氧反应器添加淀粉酶强化水解的试验,结果牛粪与玉米秸秆混合发酵的产甲烷率分别达到364.0 mL·CH4/g·VS和377.6 mL CH4/g·VS,提高103%和111%,酶强化与混合发酵对提高产甲烷率具有协同效应。此外,添加5%的果蔬垃圾与牛粪和玉米秸秆混合发酵,可缩短发酵的启动时间,并将产甲烷率提高22%。本研究结果表明,针对不同的条件,采取不同的强化技术,可有效地提高农业废弃物的产甲烷率,进一步改善沼气工程的经济效益,有助于促进沼气工程的发展。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X71
【部分图文】：

农业生产总值,联合国粮农组织,增长情况,数据来源

２．１我国农业废弃物现状分析??人类社会由二十世纪进入二十一世纪的近几十年来，人口不断增长，物??质需求和生产水平迅速提高。如图２－１所示，根据联合国粮农组织的数据［５］??显示，自改革开放以来，我国人口总数由１９７８年的９．８８亿增长至２０１７年的??１４．４１亿。人口增长与经济发展的同时也消耗了大量能源，２０１７年我国能源??消费总量为４４．９亿吨标煤，比上年增长２．９％［６】。并且，规划到２０２０年，全??国常住人口城镇化率将达到６０％左右而城镇化率每提高１％，能源消费至??少会增长６０００万吨以上标煤。因此，发展可再生能源、促进我国能源结构调??整对我国经济社会发展与环境保护都至关重要。??２〇???｜．６ｘｌ０４??１＊－?人Ｕ?：丨祕，??，６?．?一■—中国农业牛产总值??？?１．２ｘｌ０４?７７??■團■?■?：－ｉ??＾?ＩＵ：?■?Ｉ?Ｉ?ｍ?Ｉ?Ｉ?＇?＂〇ｘｉＵ＞??ＩＩＩ?ＨＩ?Ｉｆ??１９７８?Ｉ９ＳＳ?１９９８?２００８?２０１６?２０１７??年份??图２－１我国人口与农业生产总值的增长情况（数据来源：联合国粮农组织Ａ）??同时

玉米,农业废弃物,农作物秸秆,木质纤维素

按照产量与特性选取我国典型的农业废弃物进行研宄。如图２－４所示，??我国２０１４年农作物秸秆总量为８．１９亿吨，主要为玉米秸秆、水稻秸秆和小??麦秸秆，比重分别为２８．９％、２５．２％和２１．６％【３］。２０１６年，我国玉米秸杆产量??又增长了?７．６％，达到了?２．５５亿吨。并且，分析常见农作物秸秆的木质纤维素??含量，如表２－１所示，玉米秸杆中含有大量的纤维素、半纤维和木质素，可??代表农作物秸杆的高木质纤维素含量的典型特征。因此，本课题选取玉米秸??秆作为典型农业废弃物进行研宄。??－４?－??

农业废弃物,农作物秸秆,木质纤维素,课题选取