秸秆的氨化厌氧发酵工艺优化与反应器的启动

【摘要】：随着我国人口数量增多，对粮食需求加大，农作物产量大幅度提高，致使副产物秸秆的数量也极具增加。由于农村科技水平较低，传统的处置方法不仅起不到生物质的高效利用，而且还对大气、土壤等生态系统造成一定危害。通过利用厌氧发酵技术，将农作物秸秆作为消化原料进行沼气生产，发酵后的沼渣进行简单处理后还可以作为有机生态肥料二次利用，完全能够达到无害化处理的目的，是缓解我国农村与城市用能紧张行之有效的措施。但因农作物秸秆中，具有较高的木质素成分，不易被厌氧生物菌消化代谢，导致沼气产量少，发酵效率低，从而限制了秸秆沼气产业的大规模发展。此外，在秸秆的厌氧发酵工艺中，工艺条件的选择对能否实现发酵体系的快速启动和最终的产气效果都会造成很大影响。因此，为提高秸秆的原料利用率和发酵体系的产气水平，本课题以小麦秸秆为实验材料，通过氨化预处理手段改善小麦秸秆的可降解性，研究在进行厌氧发酵时不同因素条件对产气特性的影响，并对氨化厌氧发酵工艺进行优化，最终将优化后的发酵工艺用于自行设计的厌氧反应器的启动。 本论文的研究内容分为三部分：首先，研究了氨化时间对预处理效果的影响，及在不同温度、原料组分配比和发酵浓度下的氨化厌氧发酵过程，并对秸秆的氨化厌氧发酵工艺进行优化；其次，采用发酵残料作为接种物，并通过补料-分批发酵实验，研究了在不同接种量下的产气过程；最后，设计制备了立式圆柱形水浴夹层保温生物反应器，并进行反应器的发酵启动，对启动过程中的各项指标进行检测分析。 实验结果表明：（1）氨化时间越长，麦秸的处理效果变好，氨化15d已可有效地破坏秸秆的纤维结构，提高秸秆中挥发性固体含量，使表面亲水性能增强；中温（35℃）、原料组分配比为秸秆：牛粪：污泥=1:0.5:0.5（干物质质量比）、发酵浓度调节到20%的氨化厌氧发酵工艺条件最优，产气效果最好。（2）发酵残料接种实验中，接种量为1:2（原料与接种物干重比）时具有较高的产气速率，产气总量最大；在间歇补料二次发酵时，发酵系统的产气性能减弱，单位秸秆TS产气率降低；并将不同添加原料组分实验的产气效果进行对比发现，补料基质中无需添加牛粪。（3）设计制备的厌氧反应器具有水浴保温层，对其进行恒温氨化厌氧发酵的启动，在40d的启动运行过程中产气稳定，累积产气量达到72422mL，平均产气率及TS产气率分别为1724.33mL/d，178.82mL/d，平均容积产气率为0.3L/(L·d)；启动过程中没有发生酸败现象，40d后的COD去除率在65%左右。 【关键词】：生物质能源 植物秸秆 氨化厌氧发酵 生物气 反应器启动
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 研究背景11
• 1.2 秸秆的主要资源化途径及存在的问题11-14
• 1.2.1 秸秆的肥料化利用11-12
• 1.2.2 秸秆的饲料化利用12
• 1.2.3 秸秆的燃料化利用12-13
• 1.2.4 秸秆的工业化利用13
• 1.2.5 秸秆利用存在的问题13-14
• 1.3 秸秆的厌氧发酵技术14-18
• 1.3.1 秸秆的组分、结构及其特性14
• 1.3.2 厌氧发酵过程及其机理14-17
• 1.3.3 秸秆厌氧发酵的工艺条件17-18
• 1.4 秸秆的预处理技术18-20
• 1.4.1 秸秆的预处理方法18-19
• 1.4.2 氨化预处理中的关键因素19-20
• 1.5 厌氧发酵技术的研究进展20-21
• 1.5.1 单相厌氧发酵技术研究状况20
• 1.5.2 两相厌氧发酵技术研究状况20-21
• 1.6 课题研究的目的和意义及主要研究内容21-22
• 1.6.1 研究的目的和意义21
• 1.6.2 研究的主要内容21-22
• 2 秸秆的氨化厌氧发酵工艺及影响因素研究22-37
• 2.1 材料与方法22-27
• 2.1.1 实验材料22
• 2.1.2 实验装置22-23
• 2.1.3 实验仪器23
• 2.1.4 实验试剂23-24
• 2.1.5 实验内容24
• 2.1.6 测定分析方法24-27
• 2.2 结果与讨论27-36
• 2.2.1 氨化时间对预处理效果的影响27-31
• 2.2.2 发酵温度对厌氧发酵产气量的影响31-33
• 2.2.3 发酵原料组分配比对厌氧发酵产气量的影响33-35
• 2.2.4 发酵浓度对厌氧发酵产气量的影响35-36
• 2.3 小结36-37
• 3 补料-分批氨化厌氧发酵秸秆产气性能研究37-43
• 3.1 材料与方法37-38
• 3.1.1 实验材料37
• 3.1.2 实验装置及仪器37
• 3.1.3 实验设计37-38
• 3.2 结果与讨论38-42
• 3.2.1 不同发酵残料接种量对产气性能的影响38-40
• 3.2.2 氨化厌氧发酵在间歇补料情况下的产气特性分析40-41
• 3.2.3 不同补料基质组分配比对产气性能的影响41-42
• 3.3 小结42-43
• 4 中试规模厌氧反应器的制备与启动43-50
• 4.1 厌氧反应器的设计43-44
• 4.2 材料与方法44
• 4.2.1 实验材料44
• 4.2.2 实验方法44
• 4.3 结果与讨论44-49
• 4.3.1 反应器启动过程中的产气特性分析44-46
• 4.3.2 反应器内不同高度发酵液各参数变化46-49
• 4.4 小结49-50
• 5 结论与建议50-52
• 5.1 结论50-51
• 5.2 建议51-52
• 创新点52-53
• 致谢53-54
• 参考文献54-60
• 攻读学位期间发表的学术论文目录60-61

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