玉米秸秆厌氧发酵瘤胃仿生工艺研究

发布时间：2017-12-21 09:30

  本文关键词：玉米秸秆厌氧发酵瘤胃仿生工艺研究　出处：《清华大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：厌氧发酵是目前利用能源作物与秸秆等农业废弃物产生可再生能源的一种较好的技术,针对高含固率物料的厌氧反应器目前发展相对落后。为了进一步提高秸秆厌氧发酵效率,需要开发出适用于高含固率物料的高负荷厌氧工艺,基于反刍动物瘤胃消化系统,模拟瘤胃建立体外瘤胃仿生工艺是目前国内外研究领域非常具有挑战性的技术途径之一。本文首先对瘤胃仿生系统高效的原因进行系统分析,提出其高效转化的技术假设并进行系统性的实验验证,从而提出瘤胃仿生研究的技术思路。其次,分别研究pH与温度等环境条件对玉米秸秆厌氧发酵的影响,然后模拟瘤胃酸抑制解除机制初步建立体外瘤胃仿生工艺,在此基础上尝试三种不同方式模拟瘤胃反刍过程。获得的主要研究结果如下:瘤胃液可在较短的时间(3天内)完成对玉米秸秆水解酸化转化过程,表现出较高的活性。在相同的条件下,接种瘤胃液、瘤胃食糜与厌氧污泥三种不同接种物,在半连续反应器中进行长期培养,结果发现,水解率、反应器内VFA浓度、产气情况以及微生物群落在初期差异较大,但是在反应器运行稳定后均趋于一致。这说明环境条件决定微生物群落结构,微生物群落结构决定发酵效果。在批式条件下研究接种比对发酵的影响,然后分别在批式条件与半连续条件下研究pH对发酵的影响,在此基础上模拟瘤胃内动态pH条件,并与恒定pH条件进行对比,结果表明,类似于瘤胃内的动态pH条件可以强化酸化过程。在批式条件下玉米秸秆在中温39℃时表现出来的甲烷产率比高温55℃高68.4%,同时在中温39℃时也表现出更高的水解酸化活性。在长期运行的玉米秸秆厌氧反应器中,在有机负荷为2.5、4.5与8.0gvs L-1 d-1时,中温39℃条件下的甲烷产率分别是高温55℃条件下的1.69、1.51与0.95倍。模拟瘤胃酸抑制解除机制初步建立一套体外瘤胃仿生工艺,通过模拟产物VFA及时分离、中性液体回流过程,系统的运行稳定性得到了提高,在2.5、4.5与8.0gvs L-1 d-1的有机负荷条件下,甲烷产率分别提高了9.2%、37.2%与115.4%,甲烷含量分别提高了3.3%、6.1%与7.9%。采用回液流曝气、预曝气与两段厌氧发酵中间曝气三种方式模拟瘤胃反刍过程,回流液曝气对玉米秸秆厌氧发酵无明显影响,预曝气与两段厌氧发酵中间曝气的方式可以强化玉米秸秆厌氧发酵,最高可提高甲烷产率82.2%与34.0%。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216;X712

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