秸秆沼气厌氧发酵的预处理工艺优化及经济实用性分析

【摘要】：随着农村环境污染和能源短缺问题的日益严重，户用沼气的发展受到人们的广泛关注，成为了我国新农村建设的重要组成部分和农村能源发展的主要内容。大力开发生物质能源，利用农业废弃物进行厌氧发酵生产沼气，是解决我国农村能源紧张和环境污染问题的关键。本研究对比分析了户用沼气和大中型沼气工程在我国农村的适用性，并针对因规模化养殖代替散养模式造成的户用沼气发酵原料不足的问题，提出了通过化学预处理提高秸秆沼气化利用效率的方法，重点研究了不同预处理剂、预处理时间和预处理温度对水稻、玉米和小麦三种秸秆厌氧发酵的影响，并对处理效果较好的酸、碱试剂进行工艺优化，得出最佳预处理参数，在此基础上，对两种预处理方法的沼气经济实用性进行了分析，旨在为我国农村秸秆沼气高效利用提供理论依据和数据支持。研究得到如下结论： 1.选用双氧水（H_2O_2）、醋酸（CH_3COOH）、硫酸（H_2SO_4）和盐酸（HCl）对水稻、玉米、小麦三种秸秆进行厌氧消化预处理，结果表明，不同浓度的酸预处理剂对秸秆的纤维素含量、沼气产量以及产气效率影响较大。其中，H_2O_2和CH_3COOH预处理的最佳浓度为3%，HCl和H_2SO_4的最佳浓度为2%。四种试剂中，3%H_2O_2的预处理效果最好，产气效率分别达315、320和285mL/g VS。 2.选用氢氧化钠（NaOH）、氢氧化钙（Ca(OH)2）和氨水（NH_3·H_2O）对水稻、玉米、小麦三种秸秆进行预处理，结果表明，不同浓度的碱预处理剂对秸秆的纤维素含量、沼气产量以及产气效率影响较大。其中，8%Ca(OH)2的预处理效果最好，产气效率分别达325、285和320mL/g VS。 3.不同预处理时间对秸秆厌氧发酵的影响显著。其中，H_2O_2、CH_3COOH、HCl、H_2SO_4和NaOH对纤维素和半纤维素的降解程度随预处理时间的延长而增加，Ca(OH)2和NH_3H_2O则在预处理1天和4天后纤维素含量无显著变化，但预处理7天后，其含量显著降低。H_2O_2、CH_3COOH、Ca(OH)2和NH_3·H_2O预处理的秸秆产气效率均随预处理时间的增加而升高，HCl和H_2SO_4预处理的产气效率则在预处理4天时最高。 4.不同预处理温度对秸秆的厌氧发酵具有一定影响。在15℃、35℃和55℃预处理中，H_2O_2、CH_3COOH、Ca(OH)2和NH_3H_2O在15℃和35℃下纤维素和半纤维素含量以及产气效率无显著差异，而在55℃下纤维素和半纤维素含量显著降低，产气效率显著升高。HCl、H_2SO_4和NaOH预处理的纤维素和半纤维素含量均随预处理温度的升高而降低，产气效率随温度的升高而增加。 5.以水稻秸秆为原料，对H_2O_2和Ca(OH)2的预处理过程进行优化。选择预处理时间、预处理剂浓度和接种物量3个参数分析两种试剂对水稻秸秆厌氧发酵产气特性的影响。结果表明，H_2O_2的最佳处理参数为：6.18天（预处理时间）、2.68%（浓度）以及1.08（接种物比），在最优条件下沼气产量理论值为287.9mL/g VS；Ca(OH)2的最佳处理参数为：5.89天（预处理时间）、9.81%（浓度）以及45.12%（接种物量），在最优条件下产气量理论值为217.8mL/g VS。H_2O_2和Ca(OH)2优化模型的决定系数（R2）分别为95.2%和96.0%，表明两个产气模型利用试验值对实际厌氧发酵进行预测具有较高的可信度。为验证优化方案的可信度，分别采用两种预处理剂在预测的最优条件下进行发酵试验，结果表明，H_2O_2预处理后产气量达到290.3mL/gVS，Ca(OH)2预处理达到225.3mL/g VS，较对照分别增加了88.0%和73.3%。因此，H_2O_2和Ca(OH)2可作为秸秆厌氧发酵的预处理剂，能够有效提高秸秆的能量转化效率。 6.水稻秸秆经H_2O_2和Ca(OH)2处理后分别与牛粪、鸡粪混合发酵，结果表明，预处理能够显著提高秸秆混合发酵的沼气产量和产气效率。与未处理的秸秆相比，预处理后的秸秆混合发酵产气量增加了29%-43%，产气效率增加了24%-31%。因此，采用H_2O_2和Ca(OH)2预处理提高厌氧发酵效率，不仅适用于秸秆单一原料，同样也适用于混合原料。 7.化学预处理秸秆厌氧发酵的经济实用性评价表明，与使用原煤作为燃料相比，使用H_2O_2和Ca(OH)2预处理秸秆进行厌氧发酵每年每户可节约311.41元和312.4元。对秸秆沼气利用潜力和温室气体减排进行估算，我国每年产生的农作物秸秆直接焚烧会产生8.85×108t CO_2，若将这些秸秆全部进行户用沼气发酵，每年可生产12.97×106万m3的沼气，同时可减少6.70×108t CO_2的排放。化学预处理技术不仅能够提高秸秆的能量转化效率，而且秸秆沼气化利用可有效减少温室气体的排放，因此，应推广化学预处理技术在农村户用沼气中的应用，从而达到秸秆的沼气化高效利用。 【关键词】：户用沼气 厌氧发酵 预处理 秸秆 温室气体
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 文献综述13-34
• 1.1 研究背景13-14
• 1.1.1 中国农村能源现状13
• 1.1.2 中国农村非点源污染现状13-14
• 1.2 中国农村沼气发展概况14-21
• 1.2.1 中国沼气发展历程14-15
• 1.2.2 中国沼气发展的生态模式15-17
• 1.2.3 户用沼气与大中型沼气工程的对比17-21
• 1.3 秸秆沼气厌氧发酵21-24
• 1.3.1 秸秆沼气厌氧发酵的原理21-22
• 1.3.2 秸秆沼气厌氧发酵存在的问题22-24
• 1.4 国内外秸秆厌氧发酵研究进展24-32
• 1.4.1 发酵原料对秸秆厌氧发酵的影响24
• 1.4.2 温度对秸秆厌氧发酵的影响24-25
• 1.4.3 pH 值对秸秆厌氧发酵的影响25
• 1.4.4 接种物对秸秆厌氧发酵的影响25-26
• 1.4.5 预处理对秸秆厌氧发酵的影响26-32
• 1.5 研究目的及意义32-34
• 第二章 研究内容与方法34-38
• 2.1 研究内容34
• 2.2 试验材料与方法34-36
• 2.2.1 试验材料34
• 2.2.2 试验装置34-35
• 2.2.3 试验设计35
• 2.2.4 数据处理35-36
• 2.3 研究框架体系36-37
• 2.4 研究创新点37-38
• 第三章 不同酸预处理方法对秸秆厌氧发酵的影响38-52
• 3.1 试验材料与研究方法38-39
• 3.1.1 试验材料38
• 3.1.2 试验方法38-39
• 3.1.3 试验参数39
• 3.1.4 测量指标39
• 3.2 结果与分析39-50
• 3.2.1 H_2O_2预处理对秸秆厌氧发酵的影响39-42
• 3.2.2 CH_3COOH 预处理对秸秆厌氧发酵的影响42-45
• 3.2.3 HCl 预处理对秸秆厌氧发酵的影响45-47
• 3.2.4 H_2SO_4预处理对秸秆厌氧发酵的影响47-49
• 3.2.5 不同酸处理后秸秆产气效率的对比49-50
• 3.3 讨论50-51
• 3.4 小结51-52
• 第四章 不同碱预处理方法对秸秆厌氧发酵的影响52-63
• 4.1 试验材料与方法52
• 4.1.1 试验材料52
• 4.1.2 试验方法52
• 4.2 结果与分析52-61
• 4.2.1 NaOH 预处理对秸秆厌氧发酵的影响52-56
• 4.2.2 Ca(OH)_2预处理对秸秆厌氧发酵的影响56-57
• 4.2.3 NH_3 H_2O 预处理对秸秆厌氧发酵的影响57-61
• 4.2.4 不同碱处理后秸秆产气效率的对比61
• 4.3 讨论61-62
• 4.4 小结62-63
• 第五章 预处理时间和预处理温度对秸秆厌氧发酵的影响63-76
• 5.1 试验材料与方法63-64
• 5.1.1 试验材料63-64
• 5.1.2 试验方法64
• 5.1.3 测定方法64
• 5.2 结果与分析64-74
• 5.2.1 预处理时间对秸秆厌氧发酵的影响64-69
• 5.2.2 预处理温度对秸秆厌氧发酵的影响69-74
• 5.3 讨论74-75
• 5.4 小结75-76
• 第六章 秸秆高效发酵的化学预处理参数研究及其优化76-97
• 6.1 试验材料与方法76-80
• 6.1.1 试验材料76
• 6.1.2 试验方法76-77
• 6.1.3 试验设计77-80
• 6.1.4 测量指标80
• 6.2 结果与分析80-96
• 6.2.1 H_2O_2预处理参数优化80-87
• 6.2.2 Ca(OH)_2预处理参数优化87-96
• 6.3 小结96-97
• 第七章 化学预处理对秸秆混合厌氧发酵的影响97-102
• 7.1 试验材料与方法97-98
• 7.1.1 试验材料97-98
• 7.1.2 试验方法98
• 7.1.4 测量方法98
• 7.2 结果与分析98-101
• 7.2.1 对产气速率的影响98-99
• 7.2.2 对累积产气量和产气效率的影响99-100
• 7.2.3 挥发性脂肪酸/碱度变化趋势100-101
• 7.3 小结101-102
• 第八章 化学预处理在户用沼气中的经济实用性分析102-108
• 8.1 化学预处理的经济效益102-105
• 8.1.1 成本分析102-104
• 8.1.2 收益分析104
• 8.1.3 年总经济效益104-105
• 8.2 化学预处理的社会、生态、能源效益105
• 8.3 化学预处理的实用性105-107
• 8.3.1 户用沼气发酵潜力105-106
• 8.3.2 温室气体减排量估算106-107
• 8.4 小结107-108
• 第九章 结论与展望108-111
• 9.1 主要结论108-110
• 9.2 研究展望110-111
• 参考文献111-124
• 致谢124-126
• 作者简介126

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