不同预处理工艺厌氧发酵产气效率及其综合效益评价

发布时间：2019-01-28 22:43

【摘要】：环境污染和资源浪费是农业废弃物不能被合理利用的结果。厌氧发酵技术将有机物转化为沼气,是合理利用农业废物的重要途径。但农业废弃物中的秸秆中木质素含量高,并将纤维素和半纤维素包裹住。因此秸秆直接进行发酵存在启动慢、产气效率低、发酵不完全、发酵周期长等问题。本研究以农业废物中的牛粪、水稻秸秆和小麦秸秆为发酵原料,利用超声波、堆腐、氢氧化钠、氨水、盐酸和醋酸对发酵原料进行预处理,之后按照牛粪和秸秆干物质比为1:1,在试验室批次试验的条件下进行混料厌氧发酵。探讨高效经济的厌氧发酵原料预处理技术,得出各种预处理方式在何种预处理条件下能产生最大沼气产量,分析预处理对发酵初始环境和发酵过程的影响,探究预处理后产气量与发酵初始环境和发酵过程稳定性的关系,揭示预处理提高产气量的内在原因,并对比分析最佳产气量的预处理条件的厌氧发酵综合效益。主要结论如下:(1)适宜的超声波预处理、堆腐预处理、氢氧化钠预处理、氨水预处理、盐酸预处理和醋酸预处理条件均能显著提高厌氧发酵总气产量(P0.01)。超声波预处理中,水稻秸秆预处理20分钟与牛粪预处理40分钟混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆预处理20分钟与牛粪混料厌氧发酵30分钟处理组总产气量最高,分别为13679 mL和13100 m L。堆腐预处理中,水稻秸秆与牛粪混料物质在35℃下预处理6天处理组和小麦秸秆与牛粪混料物质在35℃下预处理6天处理组总产气量最高,分别为16005m L和16515m L。氢氧化钠预处理中,水稻秸秆被3%的氢氧化钠预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆被3%的氢氧化钠预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组总产气量最高,总产气量分别为14365mL和13830m L。氨水预处理中,水稻秸秆被8%的氨水预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆被8%的氨水预处理2天与牛粪混料厌氧发酵处理组总产气量最高,分别为16940m L和19925m L。,水稻秸秆被2%的盐酸预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆被3%的盐酸预处理2天与牛粪混料厌氧发酵处理组总产气量最高,分别为13225m L和20225mL。醋酸预处理中,水稻秸秆被4%的醋酸预处理6天与牛粪混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆被4%的醋酸预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组总产气量最高,分别为11605mL和11880m L。(2)水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵初始环境中纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH受预处理的影响。超声波预处理后,纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH的最大值分别是4.22 IU/m L、11.29 mg/m L、746 mg/L和7.6,堆腐预处理后其最大值分别是1.55 IU/mL、9.25 mg/m L、576 mg/L和7.9,氢氧化钠预处理后,其最大值分别是5.47 IU/m L、30.03 mg/m L、511 mg/L和8.7,氨水预处理后其最大值分别是6.11 IU/mL、40.35 mg/m L、1092 mg/L和9.2,预处理后其最大值分别是8.26 IU/mL、82.89 mg/mL、1194 mg/L和7.0,醋酸预处理后,其最大值分别是5.83 IU/m L、32.91 mg/m L、2623 mg/L和7.2。小麦秸秆和牛粪混料厌氧发酵初始发酵环境中纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH受超声波预处理、堆腐预处理、氢氧化钠预处理、盐酸预处理、氨水预处理和醋酸预处理的影响。超声波预处理后纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH的最大值分别是2.05 IU/m L、12.97 mg/m L、683 mg/L和7.7,堆腐预处理后其最大值分别是1.42 IU/m L、8.88 mg/mL、315 mg/L和7.7。氢氧化钠预处理其最大值分别是3.08 IU/m L、18.41 mg/m L、653 mg/L和8.3。氨水预处理后其最大值分别是5.98 IU/m L、54.30 mg/m L、1317 mg/L和9.2。盐酸预处理后,其最大值为最大值分别是8.82 IU/m L、36.87 mg/mL、873 mg/L和7.8,醋酸预处理后其最大值分别是9.38 IU/m L、89.59 mg/m L、2753 mg/L和6.7。(3)厌氧发酵初始环境中纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH值对厌氧发酵对厌氧发酵总沼气有直接影响和间接影响。不同预处理方式使秸秆与牛粪混料厌氧发酵初始环境与总产量的关系不同。在发酵初始环境中,除纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH外,还存在其他因素对总产气量产生影响。水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵各个处理组中,超声波预处理、堆腐预处理、氢氧化钠预处理、盐酸预处理、氨水预处理和醋酸预处理发酵初始环境与总产气量的通经分析的剩余系数分别为0.766、0.827、0.596、0.762、0.468和0.379,而在小麦秸秆和牛粪混料厌氧发酵各个处理组中剩余系数分别为0.745、0.720、0.449、0.844、0.513和0.826。(4)水稻秸秆和牛粪混料物质及小麦秸秆混料物质均在35℃下预处理6天,净收入最高,分别为296.07元/年和302.12元/年。醋酸预处理水稻秸秆和小麦秸秆后与牛粪混料厌氧发酵不适宜应用到生产实际中。超声波、堆腐、氢氧化钠、氨水和盐酸预处理水稻秸秆和小麦秸秆后与牛粪混料厌氧发酵适宜利用到实际生产中。水稻秸秆和小麦秸秆被8%的氨水预处理4天和2天的生态效益最高,分别比对照高159.00%和181.53%。(5)预处理通过影响发酵过程中日产气量、纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH之间的关系提高厌氧发酵总产气量。预处理后厌氧发酵过程因素的稳定性被改变,这种改变相互作用,使厌氧发酵系统的稳定性被提高。厌氧发酵不同阶段日产气量的主要影响因素不同。小麦秸秆预处理后与牛粪混料厌氧发酵过程中纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量、pH值和日产气量的稳定性均受预处理的影响。预处理后pH值的稳定性被降低,VFA含量的稳定性被提高。
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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S216.4
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本文编号：2417381