多原料混合厌氧共发酵制沼气工艺优化

论文摘要

沼气厌氧发酵利用畜禽粪便,农作物秸秆等原料厌氧发酵产生成为人类所利用的新能源。但由于沼气发酵的原料单一,营养物质供给不足的缺点,使得单原料沼气发酵没有很大空间的提升。而多原料混合厌氧沼气发酵为微生物提供充足的营养物质,并且能够就地取材,利用多余的废弃有机物,如厨余垃圾,城市生活垃圾等等,这不仅减少有机废物对环境的污染,而且变废为宝,为人类提供清洁的能源。但多原料混合发酵的制约因素很多,如原料配比,温度,pH值,C/N等因素。本论文比较其他研究成果,选择发酵原料为秸秆,厨余垃圾,猪粪,确定原料配比,C/N,TS浓度作为研究因素,并且利用响应曲面的方法得出最佳工艺的条件。本论文首先选取秸秆,厨余垃圾和猪粪作为试验原料,对三种原料进行理化性质的分析,利用响应曲面制定了秸秆与猪粪,秸秆与厨余,厨余与猪粪的试验方案,分别进行了秸秆与猪粪,秸秆与厨余垃圾,厨余垃圾与猪粪三组试验。分析每组试验的产气量,产气率,木质纤维素的变化,并最终利用响应曲面的方法对总产气量进行分析,得出适宜的工艺条件,在得出三组试验的适宜工艺条件后,根据情况制定了三种原料混合的发酵试验,利用响应曲面得出适宜的工艺条件。最后利用理论值进行验证分析试验。通过试验得出以下结论:(1)在秸秆与猪粪混合发酵的试验中,根据响应曲面法的最优解得出秸秆与猪粪发酵最佳工艺参数为:原料配比(秸秆:猪粪)=1.19,最佳碳氮比为20.32,最佳TS浓度为10.10%,最佳预测产气量为26448.2mL。预测产气率为155.58mL/g。(2)在秸秆与厨余垃圾的混合发酵试验中,根据响应曲面法的最优解得出秸秆与厨余发酵最佳工艺参数为:原料配比(秸秆:厨余)=1.29:1;C/N(碳氮比)=20.42;TS(干物质浓度)=10.07%。甲烷的预期最佳产气量为21431.7mL,产期率为126.06mL/g。(3)在厨余垃圾与猪粪的混合发酵试验中,在调节pH值的情况下,试验在第二天,第三天均出现了过度酸化的情况,并且在此后的一周之内,试验均没有启动。说明厨余垃圾与猪粪不宜混合发酵。(4)在三种原料混合发酵的试验中,根据响应曲面法的最优解得出三种原料混合发酵最佳工艺参数为:原料配比(厨余含量)=1:0.5:0.5(25%);C/N(碳氮比)=20.17;TS(干物质浓度)=9.99%。甲烷的预期最佳产气量为29179.6mL,产期率为171.65mL/g。(5)在结论验证试验中,秸秆与猪粪验证发酵试验的总产气量为26480mL,总产气率为155.76mL/g。秸秆与厨余验证试验的总产气量为21390mL,总产气率为125.82mL/g。三种原料混合验证发酵试验的总产气量为29230mL,总产气率为171.94mL/g。这三组验证试验得出的结论与理论值非常接近,有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 沼气发酵技术
• 1.2.1 沼气发酵原理
• 1.2.2 影响沼气厌氧发酵的因素
• 1.2.3 国外厌氧发酵技术研究进展
• 1.2.4 国内厌氧发酵技术研究进展
• 1.3 课题研究意义及目的
• 1.4 课题研究内容
• 1.4.1 原料的选取及理化性质的测定
• 1.4.2 两种原料混合发酵试验研究
• 1.4.3 三种原料混合发酵的研究
• 1.4.4 利用数据进行验证发酵试验
• 第2章 试验设计与研究方法
• 2.1 试验原料及仪器设备
• 2.1.1 试验原料
• 2.1.2 原料理化性质测定
• 2.1.3 试验装置
• 2.1.4 试验参数测量
• 2.1.5 测量设备
• 2.1.6 试验方案设计软件
• 2.2 试验设计方案
• 2.2.1 秸秆与猪粪混合发酵试验方案
• 2.2.2 秸秆与厨余垃圾混合发酵试验方案
• 2.2.3 厨余垃圾与猪粪混合发酵试验方案
• 2.2.4 三种原料混合发酵试验方案
• 第3章 两种原料混合发酵试验研究
• 3.1 秸秆与猪粪混合发酵试验研究
• 3.1.1 产气量与产气率
• 3.1.2 木质纤维素的变化
• 3.1.3 秸秆与猪粪实验的线性回归分析
• 3.1.4 三种工艺条件的响应曲面分析与优化
• 3.2 秸秆与厨余垃圾混合发酵试验研究
• 3.2.1 产气量与产气率
• 3.2.2 木质纤维素的变化
• 3.2.3 秸秆与厨余垃圾实验的线性回归分析
• 3.2.4 三种工艺条件的响应曲面分析与优化
• 3.3 厨余垃圾与猪粪混合发酵试验研究
• 3.3.1 pH 的检测
• 第4章 三种原料混合发酵试验研究
• 4.1 试验方案的制定
• 4.2 三种原料混合发酵试验的产气量与产气率
• 4.3 三种原料混合发酵试验的木质纤维素的变化
• 4.4 三种原料混合发酵实验的线性回归分析
• 4.5 三种原料混合试验工艺条件的响应曲面分析与优化
• 第5章 混合发酵验证试验研究
• 5.1 秸秆与猪粪混合发酵理论验证
• 5.1.1 秸秆与猪粪的试验设计
• 5.1.2 秸秆与猪粪验证试验的产气量与产气率
• 5.1.3 秸秆与猪粪验证试验的木质纤维素的变化
• 5.2 秸秆与厨余混合发酵理论验证
• 5.2.1 秸秆与厨余垃圾的试验设计
• 5.2.2 秸秆与厨余垃圾验证试验的产气量与产气率
• 5.2.3 秸秆与厨余垃圾验证试验的木质纤维素的变化
• 5.3 三种原料混合发酵理论验证
• 5.3.1 三种原料混合的试验设计
• 5.3.2 三种原料混合的验证试验的产气量与产气率
• 5.3.3 三种原料混合验证试验的木质纤维素的变化
• 5.4 本章小结
• 结论
• 附录Ⅰ 原料及残渣的TS 和VS 的测量
• 附录Ⅱ 原料中有机碳的测定
• 附录Ⅲ 原料中凯氏总氮的测定
• 附录Ⅳ 秸秆纤维素、半纤维素和木质素的测量
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文