低次烟叶厌氧消化产沼气的研究

发布时间：2016-08-01 07:45

第 1 章 绪  论

1.1 低次烟叶的现状 
随着生产力的提高、社会的发展以及人们不断改善的生活条件，人们对能源的需求量不断加大，在常规能源存量短缺以及日益恶略的环境压力下，各国人民为了保障能源的安全和实现人类的可持续发展，逐渐将可再生能源的开发列为自己的长远战略。可再生能源包括风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能源等；其中生物质能包括植物、动物、及其排泄物中所蕴含的能量等。而烟叶作为生物质的重要组成部分，自然不能忽视其中所蕴含的巨大能量。 烟草是茄科烟草属植物，烟草又分为红花烟，黄花烟，碧冬烟三个亚属，人类种植的主要有红花烟和黄花烟。 中国是世界烟叶的主产国，无论是烟草植物的种植面积还是产量均居世界首位，据统计：2003 年烟叶总产量达到 230 万 t，占全球烟叶总产量 619.2 万 t的 37.3％[1] ；2006 年烟草种植面积约为 1500 万亩，使得烟叶和卷烟产量均已达到世界总产量的三分之一。 目前作为烟草生产大国，我国每年烟叶产量中约有近 25％(近 90-150 万 t)的烟叶、烟末等下脚料由于不能应用于卷烟生产而被废弃，这一现象已经造成非常严重的环境污染问题和严重的生物质能源的浪费，我们将这种被废弃的造成环境污染和能源浪费的烟叶称为低次烟叶；以作为烟草大省的云南为例：每年云南省烤烟产量中约有 30％-35％属于无法满足卷烟加工要求的低等或等外级烟叶，这些低次烟叶未能得到有效的合理的利用[2]。造成这一现象的原因是由于卷烟工业生产过程中对烟叶的品质要求较高，等级质量高的烟叶往往优先利用，且供不应求，这样那些不能满足卷烟生产要求的低次烟叶除很少一部分用来做膨胀烟丝或薄片外，其余大部分低次烟叶在仓库中堆放或丢弃，有的甚至发霉变质引起环境问题，这部分烟叶不仅没有充分发挥其真正的使用价值还造成资源和能源的浪费，，其经济损失给国家和企业造成巨大的负担。 
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1.2 研究厌氧消化产沼气对于生产生活的意义
厌氧消化产沼气是指将有机物（人畜粪便、农作物秸秆、动植物尸体、工农业生产中产生的有机废水等）经过厌氧消化后产生沼气的过程。而在这个过程当中所产生的沼气、沼液、沼渣等物质分别作为食物链中的一份子成为下一级生产生活中所需的原料、能源、添加剂以及饲料和肥料等的在利用过程称为厌氧消化产沼气的综合利用[3]。可以说，厌氧消化产沼气过程中的产物可以渗透到现代农业生产的各个领域与环节。沼气的综合利用可以加强整个农业生产过程的网络化，形成循环经济，达到农业生产的可持续发展；同时可以实现农业能源与物质的深度利用，达到资源的有效配置。 首先，沼气作为厌氧消化产沼气的最重要的产物，因其具有优质、清洁、环境友好等诸多可再生能源的特点，能够为农业生产和现代生活提供多方面的用途。沼气除了作为生活用能外，还可以为生产提供能量。沼气的综合利用形式和方法主要有：炊事用能、夜间照明、为孵化幼禽提供热能、保鲜以及储存蔬果粮菜等、沼气发电、CO2施肥、沼气增温等[4]。金伟[5]等发现热电联产是大中型沼气的一项工程化技术。 厌氧消化产沼气的残留物（沼液和沼渣）也有诸多方面的用途，厌氧消化产沼气的残留物具有比任何一种堆沤方法制取的有机肥的有机物养分含量都高的特点，并且其氮、磷、钾的不仅大部分都已经转化为速效态而且转化率高达90% [6]。厌氧消化产沼气的残留物最主要应用于一下四个方面：（1）作为饲料利用：养猪、养鱼等。（2）作为肥料利用：改良土壤、有机底肥、有机追肥、液肥等。（3）对病虫害进行防治：通过沼液浸种等方式进行。（4）作为培养料液：栽培各种菌类、培育幼苗和无土栽培等[7]。这四个方面中应用最广泛、最重要的利用方式是将厌氧消化产沼气的残留物作为肥料利用。 
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第 2 章 研究的基本原理和依据 

2.1 秸秆厌氧消化产沼气原理分析 
厌氧消化产沼气是一个微生物作用的过程。即是在厌氧条件下通过微生物的作用使各种有机质如农作物秸秆、人畜粪便和工农业废水所含有机物等转化为沼气的过程。 沼气中一般甲烷占 60%-70%；二氧化碳占 30%-40%；还有数量相对较少的氢气、水蒸气、硫化氢、一氧化氮、氮气、氨气等气体。这些物质的混合构成了通常为大家所认知的混合气体—沼气[30]。 Bryant 等[31-32]在 1972 年提出了厌氧消化的三阶段理论；即厌氧消化产沼气一般分为液化阶段、产酸阶段以及产甲烷阶段三个阶段。液化阶段是指通过微生物分泌的胞外酶（如纤维素酶和脂肪酶等）将农作物秸秆、人畜粪便以及工农业废水中所含的不能被微生物直接利用的大分子状态的碳水化合物分解成可溶于水的能够被微生物直接利用的小分子化合物（一般是多糖水解成单糖或双糖，蛋白质分解成肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸）的过程。产酸阶段是指在液化作用完成后，通过不产甲烷菌群的作用使得能够被微生物直接利用的小分子化合物转化成简单的有机酸、醇以及二氧化碳和氢气、氨气等的过程。由于这个阶段最主要的产物是挥发性的有机酸，因此被称为产酸阶段。在经过了液化阶段和产酸阶段后，就进入了产甲烷阶段，该阶段是产甲烷菌群利用产酸阶段产生的有机酸、醇以及二氧化碳等物质生产甲烷和二氧化碳。这个阶段由甲烷和二氧化碳等组成的混合气体称为沼气。 
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2.2  秸秆厌氧消化产沼气的工艺要求
一般来说，只要其他工艺条件达到要求（如发酵菌的浓度较高，酸碱度适宜等），厌氧消化容器内温度若在 10℃左右，就可以启动厌氧消化产生沼气；尽管如此，厌氧消化的产气速率和厌氧消化的产气量依然与温度有着极其密切的联系；研究表明，在一定的温度范围内（15℃-40℃）产气速率与产气量随着温度的增高而增大。当平均温度为 24℃时，消化全部牛粪需要 50 天左右的时间，而对植物肥料进行厌氧消化反应，则需要比消化牛粪增加 20 天以上的时间才能完全消化；倘若将牛粪与植物废料混合进行厌氧消化反应则需要的时间为 50-60天。如果将厌氧消化温度控制在 32-37℃的话，那么牛粪的厌氧消化周期不超过28 天。在 15℃到 30℃范围内，在每一个厌氧消化周期中，每个单位原料的产气总量大致相等，但是再 15℃的时候，一个厌氧消化周期为 1 年整，而 35℃时一个厌氧消化周期仅需一个月。当厌氧消化温度低于 10℃时，因微生物生物活性受到抑制进入休眠状态、产气很少，所以达不到实际应用的目的。综上，启动料液的温度要控制在至少 20℃以上，运行料液的温度要调控在至少 15℃以上才能够确保达到产气和实际应用的目的[33-35]。
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第 3 章两种不同的预处理方法对低次烟叶......... 20 
3.1 低次烟叶预处理面临的问题 ........... 20 
3.2 材料与方法 ......... 20 
3.3 结果与分析 ......... 23 
3.4 各要点分析 ......... 26 
3.5 本章小结 ........... 26 
第 4 章不同接种物对低次烟叶厌氧消化产沼气的影响 .......... 28 
4.1 接种物在低次烟叶厌氧消化过程中存在的问题 ........... 28 
4.2 不同接种物的实验设计 ....... 28 
4.3 结果与分析 ......... 30 
4.4 各要点分析 ......... 32 
4.5 本章小结 ........... 33 
第 5 章不同厌氧消化浓度对低次烟叶厌氧消化产沼气的影响 .... 34 
5.1 不同厌氧消化浓度的实验设计 ......... 34 
5.2 实验结果与分析 ..... 36 
5.3 各要点分析 ......... 38 
5.4 本章小结 ........... 39  

第5章不同厌氧消化浓度对低次烟叶厌氧消化产沼气的影响 

浓度：沼气厌氧消化浓度又称为料水比。它是厌氧消化容器内干物质总量与厌氧消化料液总质量的比值，如前文所述，它是影响厌氧消化效率的一个极其重要的因素。 厌氧消化料液的浓度过低单位容积内有机物含量相对减少，不仅产气量低下还造成了厌氧消化容器内资源的浪费；倘若厌氧消化料液浓度过高则厌氧消化原料不易分解并且容易造成大量酸性物质的积累，不利于产甲烷菌的生长和繁殖，最终表现在对正常产气的影响；因此我们在本章将重点讨论和寻找一种相对来说具有比较优势的低次烟叶厌氧消化浓度。

5.1 不同厌氧消化浓度的实验设计 

由于厌氧消化浓度范围是 2%-30%[70]，并且，根据研究表明[71-72]，在高温季节，总固体浓度以 6%-8%为宜；而在低温季节，厌氧消化料液的总固体浓度以10%-12%为宜；因此我们根据秸秆厌氧消化的经验将各个实验组设置成浓度分别为 6%、8%、10%、12%；每组三个平行。由于已近深秋，这次试验我们采用水浴箱并辅以相应的温控装置（型号：C3W-221 智能数显温控仪如图 5.1 所示）将温度控制在 24℃进行室温发酵（各厌氧消化组基本数据如表 5.1 所示）。不同浓度厌氧消化实验实物图如图 5.2 所示.

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总结 

我国作为烟草种植和消费大国，烟草行业在我国的国民经济中占有相当大的比重；因此如何促进烟草行业持续可循环发展是我国目前非常紧要的一个课题。 然而，在烟草行业中，有很多质地不合格的烟叶不能够被有效的利用，不仅造成了环境污染，而且还造成了极大的能源浪费。云南作为烟草大省，每年有大量的低等或等外级烟叶未能得到合理利用，这一部分烟叶称为低次烟叶，约占全省烤烟产量的 30%-35% 作为烟草大省，云南每年烤烟产量中约有 30％-35％属于无法进行卷烟加工的低等或等外级烟叶未能得到合理利用[2]。而这些低次烟叶中所蕴含的能源与资源都没有得到有效的利用，而且长时间的堆沤丢弃给环境造成了极大的破坏。 而对低次烟叶厌氧消化进而产生沼气是对低次烟叶的有效的处理途径之一。 在这个前提下，我们站在前人的肩膀上从 4 个角度对低次烟叶厌氧消化产沼气进行了研究： 
（1）在本文第二章工作原理中，我们讨论了，由于高温厌氧消化环境耗能高、设备要求高、很难实现实际生产中的应用；低温厌氧消化环境虽然容易实现，但是产气量和产气效率均不理想，因此我们所有试验均采用 24℃左右的常温消化，这样既能够保证产气量和产气效率同时也能保证在其在实际生产中的应用价值。 
（2）在本文第三章中，我们讨论了两种不同预处理方式对低次烟叶厌氧消化产沼气的影响，得到了由质量分数为 7%的黑曲霉预处理后，低次烟叶中纤维素、半纤维素和木质素总体含量降低，厌氧消化启动时间短，厌氧消化效率以及厌氧消化周期得到明显的改善，并展望了其在实际生产中的应用价值。 
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参考文献(略)

本文编号：80164