不同预处理方法对玉米秸秆厌氧干发酵影响的比较研究

论文摘要

近年来,厌氧干发酵制沼气工艺作为一种比较理想的固体有机废物处理方法,得到了广泛的应用。但固体有机物的厌氧发酵是一种非常复杂的生物化学过程,受到多种因素的限制。其中,物料的类别对厌氧发酵过程具有很大的影响。作物秸秆由于木质纤维素含量较高,厌氧微生物的木质纤维素降解消化能力较弱,而导致秸秆厌氧消化率低、产气量少,从而限制了农作物秸秆厌氧干发酵制沼气工艺的大规模应用。因此,如何对作物秸秆进行预处理,改变其理化性质,优化厌氧发酵过程,已经成为人们十分关注的问题。本研究在查阅大量国内外资料的基础上,以东北地区产量最大的玉米秸秆为研究对象,采用物理、化学和生物方法对其进行预处理,之后将预处理后的玉米秸秆进行厌氧干发酵,考察不同预处理方法对厌氧消化效果的影响。本课题首先对玉米秸秆采用物理法、化学法和生物法进行预处理,分析其还原糖产率、有机组份变化、纤维素结构形态变化等,从而对各种预处理工艺进行初步判定。之后利用预处理后的秸秆进行厌氧干发酵试验,考察在不同温度和TS条件下不同预处理后的玉米秸秆被微生物利用的程度。试验发现,采用不同的预处理工艺处理玉米秸秆,秸秆的纤维结构都能不同程度的受到破坏,其中采用稀硫酸处理处理玉米秸秆,半纤维素的去除率最高达到了74%,稀氢氧化钠处理后的玉米秸秆其木质素的去除率达到了84%,采用纤维素降解菌对玉米秸秆进行预处理,纤维素降解菌也能破坏纤维束的内部结构,对木质素的包覆作用产生破坏。利用预处理后原料进行厌氧干发酵试验,发现随着发酵温度的升高,原料的产气率和甲烷含量随之上升,有机物的处理效率得到提升。在不同的发酵条件下,对于预处理后的原料,采用纤维素降解菌处理的玉米秸秆其发酵效率较好,累积总产气量达到了20m3·m-3,甲烷含量最高可达85%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 农作物秸秆的产量及分布
• 1.2 农作物秸秆的主要成分
• 1.3 农作物秸秆的利用
• 1.3.1 秸秆肥料技术
• 1.3.2 秸秆饲料化技术
• 1.3.3 秸秆能源技术
• 1.4 农作物秸秆综合利用中存在的问题
• 第二章 厌氧干发酵技术及其研究进展
• 2.1 厌氧消化机理
• 2.2 厌氧发酵的影响因素
• 2.2.1 温度
• 2.2.2 pH 值
• 2.2.3 碳氮比
• 2.2.4 固体含量
• 2.3 厌氧发酵工艺及研究发展现状
• 2.3.1 单相厌氧发酵工艺
• 2.3.2 两相厌氧发酵工艺
• 2.4 农作物秸秆的预处理方法及其研究进展
• 2.4.1 物理法
• 2.4.2 化学法
• 2.4.3 生物法
• 2.5 我国作物秸秆厌氧发酵工程化应用现状
• 2.6 本课题研究的意义和目的
• 2.7 本课题的研究内容
• 第三章 试验设计和分析方法
• 3.1 试验材料和仪器
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 试验仪器及气相色谱标准气
• 3.2 秸秆发酵试验装置
• 3.3 试验方案
• 3.4 试验参数的确定
• 3.4.1 接种污泥添加量的确定
• 3.4.2 氮源的补充
• 3.4.3 pH 值
• 3.4.4 发酵时间
• 3.5 分析方法
• 3.5.1 原料及残料的TS 和VS 的测量
• 3.5.2 原料中总有机碳和凯氏总氮的测定
• 3.5.3 秸秆纤维素、半纤维素和木质素的测量
• 3.5.4 秸秆中还原糖的测定
• 3.5.5 料液pH 的测定
• 3.5.6 气体体积测定
• 3.5.7 甲烷含量的测定
• 3.6 试验运行与维护
• 第四章 农作物秸秆预处理阶段试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验内容
• 4.2.1 物理法预处理
• 4.2.2 化学法预处理
• 4.2.3 生物法预处理
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 还原糖产率分析
• 4.3.2 有机组分含量变化分析
• 4.3.3 扫描电镜分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 玉米秸秆厌氧干发酵试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 pH 随时间变化趋势
• 5.3 累积产气率结果分析
• 5.4 甲烷含量结果分析
• 5.5 有机物含量变化
• 5.6 玉米秸秆厌氧干发酵工艺的环境和社会效益简要分析
• 5.6.1 环境效益分析
• 5.6.2 社会效益分析
• 5.7 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
• 附录Ⅴ 秸秆中还原糖的测定
• 附录Ⅵ 纤维素降解菌的筛选及鉴定
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文