麦秸厌氧消化过程的优化与调控

论文摘要

我国秸秆资源丰富,年产量高达7亿吨。由于缺乏合理有效的利用措施,每年有大量的秸秆被堆弃或就地焚烧,导致严重的资源浪费和环境污染。秸秆厌氧消化技术不仅能有效的解决秸秆过剩所带来的一系列问题而且能产生我们所需要的清洁能源沼气。本课题结合了山东省科技支撑计划“黄河三角洲地区农作物秸秆沼气干式发酵关键技术与工艺研究（2008GG2007003）”,以麦秸为研究对象,开展了麦秸厌氧消化技术的批次和小试实验。实验显示,麦秆水解粒径为1mm,水解液固含量为8%时,体系COD和VFA含量较高,水解液中Bu/Ac为0.74属于乙酸-丁酸产气模式,麦秆的水解产气效果最好,累积氢气产量达到49.91mL,麦秆的降解率较高为59.6%。在最佳水解粒径和固含量的基础上,进一步研究不同接种物对麦秆水解过程的影响。发现牛粪沼液水解体系水解后麦秸的CrI变化幅度较大,下降至36.1%,表明牛粪沼液是较好的麦秆水解的接种物,在水解过程中主要是半纤维素发生了降解,纤维素几乎未发生降解。采用修正Gormpertz方程对累积产氢量进行模拟,发现两者接种物水解体系的R2均为0.999,表明修正Gormpertz方程可以很好的预测麦秆厌氧水解过程中累积氢气产量。牛粪沼液水解体系的产氢潜力较大为38.5mL/gVS,产气延迟时间较短为55.6h,纤维素溶解度较大为75.2%。在以上批次实验的基础上,进行单独麦秸厌氧消化的半连续小试实验。调整回流率分别为回流液总体积的26%和40%,水力停留时间为20d,40d和60d,定时检测各种厌氧指标如沼气产率、甲烷含量、体系和滤液中挥发性脂肪酸、pH及氨氮浓度等,获得麦秸单独厌氧消化过程的最佳工艺参数:回流率26%,HRT40d。此时单一麦秸CSTR厌氧消化的沼气产率为106.1mL/gVSd,甲烷含量平均为55.6%,发酵后结晶度增加至45.9%,麦秸的降解率高达85.77%。这主要是因为在麦秸的厌氧消化过程中纤维素中的无定形区发生了降解,在某种程度上也破坏了纤维的晶体区。同时发现纤维素的降解有利于更多的沼气产生。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 秸秆特性简述
• 1.1.1 秸秆种类及产量
• 1.1.2 秸秆主要成分及结构
• 1.1.2.1 纤维素
• 1.1.2.2 半纤维素
• 1.1.2.3 木质素
• 1.1.3 秸秆的能值分析
• 1.2 秸秆主要利用途径
• 1.2.1 秸秆饲料化
• 1.2.2 工业原料化
• 1.2.3 秸秆还田
• 1.2.4 秸秆能源化
• 1.3 秸秆厌氧消化技术
• 1.3.1 秸秆厌氧消化技术概述
• 1.3.2 厌氧消化机理
• 1.3.2.1 两阶段理论
• 1.3.2.2 三阶段理论
• 1.3.2.3 四阶段理论
• 1.4 国内外秸秆厌氧消化技术研究现状
• 1.4.1 发酵底物预处理
• 1.4.1.1 物理方法
• 1.4.1.2 化学方法
• 1.4.1.3 生物方法
• 1.4.2 提高厌氧消化技术
• 1.4.2.1 优化发酵底物组成
• 1.4.2.2 优化过程参数
• 1.4.2.3 改进发酵工艺
• 1.5 研究的目的意义及内容
• 1.5.1 目的意义
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.2.1 麦秆厌氧水解过程的优化
• 1.5.2.2 麦秸单相厌氧消化研究
• 2 实验仪器及分析测试方法
• 2.1 实验仪器
• 2.2 测定指标与方法
• 2.2.1 总固体浓度（TS）
• 2.2.2 挥发性固体（VS）
• 2.2.3 化学需氧量（COD）
• 2.2.4 氨氮（NH-N）
• 2.2.5 pH 值
• 2.2.6 气体成分
• 2.2.7 挥发性脂肪酸（VFA）
• 2.2.8 纤维素，半纤维素及木质素
• 2.2.9 秸秆微观结构分析
• 3 不同粒径和固含量对麦秆厌氧水解过程的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.1.1 水解底物
• 3.2.1.2 接种物
• 3.2.2 实验条件
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 不同固含量对麦秆厌氧水解的影响
• 3.3.1.1 不同固含量对累计氢气产量的影响
• 3.3.1.2 不同固含量对 COD 的影响
• 3.3.1.3 不同固含量对 VFA 的影响
• 3.3.2 不同粒径对麦秆厌氧水解的影响
• 3.3.2.1 不同粒径对累计氢气产量的影响
• 3.3.2.2 不同粒径对 COD 的影响
• 3.3.2.3 不同粒径对 VFA 的影响
• 3.3.3 比较麦秆的降解率
• 3.4 本章小结
• 4 不同接种物对麦秆厌氧水解过程的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.1.1 水解底物
• 4.2.1.2 接种物
• 4.2.2 实验条件
• 4.2.3 实验方法
• 4.2.3.1 测定方法
• 4.2.3.2 结晶度 CrI
• 4.2.3.3 曲线拟合模型-修正Gomperz 方程
• 4.2.3.4 纤维素溶解度
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 不同接种物对水解后麦秆微观结构的影响
• 4.3.2 不同接种物对累计氢气产量的影响
• 4.3.3 不同接种物对 COD 的影响
• 4.3.4 不同接种物对VFA 的影响
• 4.3.5 不同接种物对纤维素溶解度的影响
• 4.4 本章小结
• 5 以麦秸为单一底物的单相厌氧消化工艺研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料与方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.1.1 发酵底物
• 5.2.1.2 接种物
• 5.2.2 实验条件
• 5.2.3 实验方法
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 回流率优化试验
• 5.3.1.1 回流率对秸秆产气率及甲烷含量的影响
• 5.3.1.2 回流率对pH 的影响
• 5.3.1.3 回流率对氨氮含量的影响
• 5.3.1.4 回流率对 VFA 的影响
• 5.3.1.5 回流率对秸秆降解率的影响
• 5.3.1.6 回流率对厌氧消化后麦秸形态变化的影响
• 5.3.2 水力停留时间的优化试验
• 5.3.2.1 水力停留时间对秸秆产气率及甲烷含量的影响
• 5.3.2.2 水力停留时间对 pH 的影响
• 5.3.2.3 水力停留时间对氨氮含量的影响
• 5.3.2.4 水力停留时间对 VFA 的影响
• 5.3.2.5 水力停留时间对秸秆降解率的影响
• 5.3.2.6 水力停留时间对厌氧消化后麦秸形态变化的影响
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 一、主要结论
• 二、工艺创新点
• 三、展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录