秸秆与粪便预混处理技术及产氢实验研究

论文摘要

光合生物制氢过程中,制氢原料问题一直是制约其发展的主要问题之一,其中,木质纤维因其廉价、易得而被广泛的认为是极具潜力的制氢原料,它可以通过多种微生物的发酵作用最终转化为可被光合细菌直接利用的糖类,最终通过光合生物制氢过程转化为清洁的可再生能源氢气,因此,木质纤维素的降解转化过程是目前研究的重点之一。此外,随着畜牧业的持续快速发展,畜牧业的养殖规模日益扩大,畜牧业的污染问题也变得日益严峻,受到人们的广泛关注,成为我国乃至全球性的污染问题,其中,尤以畜禽粪便为主要污染源,因此,研究如何解决畜禽粪便污染就显得迫在眉睫。本论文在是国家自然科学基金项目“超微化秸秆类生物质光合连续产氢过程及代谢热研究”（项目编号：50976029）的资助下完成的。本文首先研究了大型食草畜类粪便的内部特性（含有纤维素分解菌）,并结合了木质纤维素可被纤维素分解菌分解的特点,将二者有机结合起来,使用粪便与秸秆粉碎物混合的方法预处理秸秆与粪便,使其中的纤维素分解菌进一步生长,并分解底物中的木质纤维素,最终产出还原糖。在过程中,使用RSM设计分析的方法设计实验过程,并分析实验结果。结果表明：（1）通过验证实验研究得出,奶牛粪中确实含有纤维素分解菌。通过单因素试验,研究得出pH,温度和预处理时间对奶牛粪中的纤维素分解菌的生长有较为明显的影响,再以此为基础进行三因素三水平响应面实验,最终得出交互作用下,修正后最佳的实验因素条件为：预处理时间为5d、pH值为5.9、温度为49℃时,其回归方程为OD值=1.82-0.043X1-0.063X2+0.12X3+0.013X1X2-0.99X1X3-0.031X2X3-0.51X12-0.4X22-0.38X32预测范围内最高OD值为：1.8284,即还原糖含量为：1.2804mg/mL。（2）通过进一步实验,将奶牛粪与秸秆粉物混合进行处理,以pH、温度、时间、粒径为研究因素,先进行单因素试验,确定最适合的粒径为0.097mm,在此基础上再进行三因素三水平响应面实验,得出：修正后最佳的实验条件为：时间6.3d、pH值4.9、温度48℃此时OD值最高,即还原糖含量最高,回归方程为： OD值=2.67-0.062A-0.12B+0.18C+0.029AB-0.14AC-0.048BC-0.72A2-0.57B2-0.57C2,在回归方程基础上,预估计最大OD值为：2.6972,在实际验证实验中OD值为：2.6263,相差极小,证明此回归方程模拟度极好,极为有效。（3）根据以上实验结果,选取几个特殊特定点,进行处理实验,之后马上进行产氢实验,得出经过修正后的响应面预测优化条件下处理的底物产氢效果最好,产氢量最大。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• 1 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 能源危机与燃烧污染问题
• 1.1.2 世界可再生能源发展现状
• 1.1.3 畜禽粪便污染问题
• 1.2 光合生物制氢研究现状
• 1.3 粪便处理研究现状
• 1.4 课题研究的内容和意义
• 1.4.1 课题的意义
• 1.4.2 课题研究的目标
• 1.4.3 课题研究的内容
• 2 实验材料与方法
• 2.1 实验材料的制备
• 2.2 实验装置
• 2.2.1 测定使用装置
• 2.2.2 产氢使用装置
• 2.3 主要参数的测定
• 2.3.1 还原糖含量的测定
• 2.3.2 菌液 pH 值的测定
• 2.3.3 光照强度测定
• 2.3.4 氢气产量及含量的测定
• 2.4 实验方案设计
• 2.4.1 单一底物预处理的单因素影响实验
• 2.4.2 单底物预处理响应面优化实验
• 2.4.3 混合底物单因素实验
• 2.4.4 混合底物响应面优化实验
• 3 单一（纯牛粪）底物预处理过程研究及工艺优化
• 3.1 单因素牛粪底物预处理工艺条件研究
• 3.1.1 pH 对底物 OD 值变化的影响
• 3.1.2 预处理温度对底物 OD 值变化的影响
• 3.1.3 预处理时间
• 3.2 多因素交互影响下牛粪中纤维素分解菌生长的条件响应面优化
• 3.2.1 响应面实验结果
• 3.2.2 响应面模型符合度分析
• 3.2.3 响应面实验方差分析
• 3.2.4 响应面实验回归分析与回归曲线
• 3.2.5 响应面实验交互作用分析
• 3.2.6 响应面实验工艺条件优化
• 3.3 本章小结
• 4 混合底物处理过程研究及因素条件优化
• 4.1 混合底物中纤维素分解菌作用效果的单因素条件研究
• 4.1.1 pH 值对底物 OD 值的影响
• 4.1.2 预处理温度对 OD 值的影响
• 4.1.3 预处理时间对 OD 值的影响
• 4.1.4 粒径大小对 OD 值的影响
• 4.2 混合底物中还原糖含量的多因素交互影响优化
• 4.2.1 响应面实验方案的设计
• 4.2.2 响应面实验结果
• 4.2.3 响应面模型符合度分析
• 4.2.4 响应面实验方差分析
• 4.2.5 响应面实验回归分析与回归曲线
• 4.2.6 响应面实验交互作用分析
• 4.2.7 响应面实验条件优化与验证
• 4.3 本章小结
• 5 牛粪与秸秆粉碎物混合预处理工艺验证实验
• 5.1 光合产氢实验的条件设定
• 5.2 光合产氢实验结果与分析
• 6 全文结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献:
• ABSTRACT