纤维质农业废弃物微好氧酸化机理及高含固率两相厌氧发酵工艺研究

发布时间：2018-05-21 02:17

本文选题：农业废弃物 + 水解酸化　；参考：《中国农业大学》2017年博士论文

【摘要】：农业废弃物来源广泛,是沼气生产的重要原料。本研究围绕增强农作物秸秆、畜禽粪便混合原料厌氧发酵产甲烷效率展开,以传统的两相厌氧发酵工艺为基础,研究并优化了不同控制条件下微好氧水解酸化特性及其机理,并探索适用于高含固率纤维质农业废弃物厌氧发酵产甲烷的新模式。首先,研究了不同含固率和氧气状态对底物分解和产酸的影响,并对其水解酸化机理进行研究。向酸化相通气可显著增加木质纤维素原料的分解效率(P0.05),但随着含固率的提高,受到水解产物反馈抑制的影响,VS去除率间在高含固率时差异消失。酸化第2天高含固率微好氧条件有机酸生成率达到3684mg/(Ld)。根据响应面优化产气速率的结果,高含固率(TS= 15%TS)、微好氧(DO = 0.2-1 mg/L)、水解酸化48 h,产气效率达到最大值。非密闭酸化相设计也为纤维质原料的进出提供方便,操作性强。使用非密闭酸化反应器在微好氧条件研究了含固率、温度和搅拌形式对水稻秸秆、牛粪水解酸化性质的影响,证明了高含固率在促进有机酸生产的关键地位,温度和间歇搅拌分别在酸化中期、后期对有机酸生产起显著性作用(P0.05)。纤维素、半纤维素分解在水解酸化前期效率(k)可最大可增加217.9%和290.5%;为进一步提高底物水解效率,加快有机酸生产能力,研究并优化了秸秆粒径、pH对微好氧水解酸化性质的影响。统计分析结果表明,秸秆粒径与水解酸化过程VS去除率具有显著正相关性(P0.01),pH对底物分解的影响不显著,而pH对有机酸生产具有显著正相关性(P0.01),秸秆粒径并不是有机酸生产的主要因素。细粒径、中粒径、pH=7-9显著促进细菌的生长和多样性(P0.05)。在pH=8时,中粒径有利于半纤维素、纤维素的分解,并得到最大产酸效率为2.3 g/(Ld)。pH=11时,在酸化第9天有机酸产量达到最大值9.5 g/L。综合水解酸化效率和处理成本,酸化相采用中粒径、pH=8,处理2天即可用于甲烷生产;利用MC1菌群,探讨了生物强化在开放复杂环境中促进微好氧水解酸化效率的可行性。MC1水解酸化3天,显著提高半纤维素的水解(P0.05),有机酸含量提高了 20.1%,产气效率也随之增加。但是,MC1强化作用并不能持续保持,5天后作用消失;通过高通量测序的方法揭示了微好氧水解酸化在不同控制因素下的微生物群落特征发现,微生物与体系内温度和pH的变化密切相关,当酸化处于高温低pH时,Clostridium是优势细菌,而中温以Prevotella菌为优势细菌。体系pH趋于中性,Bacteroides丰度迅速升高,pH升高或降低减少了微生物多样性和数量。而在复杂环境的生物强化过程中,MC1菌群组分如Bacils、Clostridium在酸化前期被检测到。其中,Bacills丰度与未接种MC1相比提高了 171.9%。酸化5天后,牛粪菌群重新占据优势,MC1菌群的消失显著降低了木质纤维素的分解效率;高含固率可显著提高有机酸积累量,有利于沼气生产。根据优化结果,本论文建立了半连续高含固率两相厌氧发酵工艺,酸化相采用非密闭式设计并在微好氧条件下运行,固液分离后的酸化液用于沼气生产,酸化渣进行水稻育秧基质化利用,并研究了不同温度和沼液全回流条件下两相厌氧发酵过程性质。结果表明,高含固率下温度和回流对底物VS去除无显著影响(P0.05),有机酸生成在运行10天后保持稳定,回流处理中有机酸利用率在60-90%,中温回流有利于保持高效的容积产气率,为1162.2 mL/Lreactor/d,增加稳定性。酸化渣育苗质量显著优于原料、沼渣(牛粪)和土壤,中温、酸化时间对促进水稻根数、株高、叶宽等农业学性状具有显著相关性(P0.05),应用前景广阔。本文建立了非密闭式微好氧酸化纤维质农业废弃物水解酸化+高效产甲烷的两相厌氧发酵工艺,沼液可全部回流,酸化渣用于水稻育秧基质生产,同时,证明了"秸-沼-基质"能源生态模式是可行的,应用前景光明。
[Abstract]:In this paper , the effects of solid content , temperature and agitation on the hydrolysis and acidification properties of rice straw and cow dung were studied . The results showed that the efficiency of hydrolysis acidification was significantly higher than that of organic acids ( P0.05 ) . This paper studies the feasibility of promoting the efficiency of micro aerobic hydrolysis acidification in open complex environment by using MC1 bacteria group . and the application prospect is bright .
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X71;S216.4

【参考文献】