氨—生物联合处理对小麦秸秆厌氧发酵产沼气的影响

论文摘要

小麦作为我国北方主要的农作物之一，小麦秸秆资源量占秸秆总资源量的18.31%。我国秸秆利用率只占发达国家利用率的35％左右。由于没有得到很好的利用,近年来各地大面积焚烧秸秆的现象时常发生,秸秆燃烧热值低,不仅造成资源浪费,而且污染环境,毁坏树木和耕地。因此,寻求一种可利用秸秆进行循环利用的方式已经成为我国迫切需要解决的问题。对秸秆进行预处理，打破秸秆中纤维素、半纤维素和木质素形成的晶体结构，使微生物能有效的、快速的运用底物进行发酵代谢是秸秆厌氧发酵一项关键的技术。通常来讲，秸秆预处理的方法有三种：物理法，生物法和化学法。本课题结合上海市重大科技攻关项目“农业废弃物循环利用关键技术研究与应用示范”（08DZ1900405）课题，拟通过氨-生物联合预处理技术参数的研究，解决小麦秸秆废弃物厌氧消化产气困难的问题，为小麦秸秆资源化、能源化利用提供切实可行的参考。主要研究内容及结果如下：（1）以小麦秸秆为原料，利用尿素溶液对小麦秸秆进行预处理，并对预处理后的秸秆进行沼气发酵试验研究，探讨了氨预处理时间对小麦秸秆沼气发酵特性的影响。结果表明，当尿素溶液为40g/L的情况下，预处理25天时，总产气量达到最大，在31天的发酵时间内总产气量为8388mL。沼气中甲烷含量在发酵进行第10天后达到最大值，为56.2%，与空白相比，提高了8.91%。此外，通过研究发现，尿素的添加对厌氧发酵系统的pH和酸度有很好的调节作用。该项研究为小麦秸秆资源化利用提供了有益的思考。（2）以小麦秸秆为原料，研究了不同氨预处理浓度对小麦秸秆沼气发酵特性的影响。结果表明，当氨预处理的时间为25天，尿素质量浓度为45g/L的情况下，达到最大的总产气量，在33天的发酵时间内总产气量为11115mL。沼气中甲烷的最高含量为56.4%，相对于空白试验组提高了9.09%。（3）以小麦秸秆为原料，对其进行氨-生物联合处理，在实验室自行设计的小型沼气发酵装置上进行了厌氧发酵试验，研究了氨-生物联合处理中生物处理pH值（pH3-7）对小麦秸秆沼气发酵产气特性的影响。结果表明，当黄孢原毛平革菌和里氏木霉的添加比例为1×108:1×108，生物处理pH为4的情况下，总产气量达到最大，为9123mL。在发酵第9天时，生物处理pH为4的试验组日产气量最大，为980mL。厌氧发酵过程中的pH值和挥发性脂肪酸的质量浓度均在正常的范围内。气体中甲烷最高含量为54.64%，较空白试验组提高了3.62%。发酵时间大大缩短，为22天。（4）对小麦秸秆进行了氨-生物联合预处理，在试验室自制的小型厌氧发酵装置上，对预处理后的小麦秸秆进行了厌氧发酵制取沼气试验，探讨了氨-生物联合预处理中，菌种的添加量对小麦秸秆厌氧发酵产沼气的影响。结果表明，在氨预处理尿素质量浓度为35g/L，生物预处理pH=4,黄孢原毛平革菌和里氏木霉的添加比例为1×109:1×109的条件下，小麦秸秆厌氧发酵过程中沼气总产气量最大，为7968mL，较空白组提高了23.11%。发酵过程中了pH, VFA和CH4的变化均在正常的范围内,最高甲烷含量为51.33%，较空白组提高了6.01%，整个发酵过程历时23天。（5）在氨-生物联合处理中，选取影响氨-生物联合处理小麦秸秆的关键性因子，包括，氨预处理的时间、氨预处理的浓度、生物处理的pH值进行了响应面的优化试验。分析得到了预测小麦秸秆氨-生物联合预处理后沼气发酵总产气量的二次回归方程，模型的相关系数为0.811，模型在P<0.1上具有显著性，模型中1次项均不显著，二次项中氨预处理时间对模型的影响最为显著。此模型可以用于预测和优化小麦秸秆氨-生物联合处理小麦秸秆的条件。RSM优化预处理条件为：尿素溶液的质量浓度为45g/L，生物处理的pH值为4.82，尿素处理时间：27.13d，总产气量（Y）最大值的预测值为：9775.5mL。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外秸秆预处理的主要方法
• 1.2.1 机械处理（Mechanical pretreatment）
• 1.2.2 热液处理（Thermal pretreatment）
• 1.2.3 酸,碱处理（Alkaline/Acid pretreatment）
• 1.2.4 氧化处理（Oxidative）
• 1.2.5 生物处理（biological pretreatment）
• 1.3 厌氧消化反应器的研究
• 1.3.1 批量式系统
• 1.3.2 连续流单相系统
• 1.3.3 连续流两相系统
• 1.4 研究的目的，意义和内容
• 1.4.1 本论文的研究目的和意义
• 1.4.2 研究的技术路线
• 1.4.3 研究的内容
• 第二章 氨预处理时间对小麦秸秆厌氧发酵产沼气的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试验原料
• 2.2.2 接种物
• 2.2.3 试验装置
• 2.2.4 分析方法
• 2.2.5 试验方案
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 日产气量
• 2.3.2 pH 值
• 2.3.3 VFA 质量浓度
• 2.3.4 甲烷含量
• 2.3.5 总产气量
• 2.4 结论
• 第三章 氨预处理浓度对小麦秸秆厌氧发酵产沼气的影响
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 接种物
• 3.2.3 试验装置
• 3.2.4 分析方法
• 3.2.5 试验方案
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 日产气量
• 3.3.2 pH 值
• 3.3.3 甲烷含量
• 3.3.4 总产气量
• 3.4 结论
• 第四章 生物处理的微生物的添加量对小麦秸秆厌氧发酵产沼气的影响
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验原料
• 4.2.2 接种物
• 4.2.3 培养基
• 4.2.4 菌种
• 4.2.5 试验装置
• 4.2.6 分析方法
• 4.2.7 预处理方法
• 4.2.8 试验方案
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 不同菌种的添加量对日产气量的影响
• 4.3.2 不同菌种的添加量对发酵液中 pH 值的影响
• 4.3.3 不同菌种的添加量对 VFA 的影响
• 4.3.4 不同菌种的添加量对甲烷含量的影响
• 4.3.5 不同菌种的添加量对总产气量的影响
• 4.4 结论
• 第五章 生物处理 PH 对小麦秸秆沼气发酵产气特性的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 接种物
• 5.2.3 培养基
• 5.2.4 菌种
• 5.2.5 试验装置
• 5.2.6 分析方法
• 5.2.7 预处理方法
• 5.2.8 试验方案
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 生物处理的 pH 值对日产气量的影响
• 5.3.2 生物处理的 pH 值对发酵液中 pH 值的影响
• 5.3.3 生物处理的 pH 值对 VFA 的影响
• 5.3.4 生物处理的 pH 对甲烷含量的影响
• 5.3.5 生物处理的 pH 值对总产气量的影响
• 5.4 结论
• 第六章 氨-生物联合处理的响应面优化试验
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 接种物
• 6.2.3 培养基
• 6.2.4 菌种
• 6.2.5 试验装置
• 6.2.6 分析方法
• 6.2.7 预处理方法
• 6.2.8 试验方案
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 小麦秸秆氨-生物联合预处理沼气发酵响应面二次回归模型及方差分析
• 6.3.2 氨-生物联合处理的响应面优化分析
• 6.4 结论
• 第七章 结论与建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 存在的问题与建议
• 参考文献
• 致谢
• 参与项目
• 专利申请
• 发表的期刊论文
• 荣誉与奖励