汽爆秸秆两相法厌氧发酵试验研究

【摘要】：在化石能源日渐匮乏、能源形势日益紧张的今天，人类寻找替代或辅助能源并提高能源利用效率的要求显得愈加迫切。目前我国农作物秸秆资源总量丰富但利用水平较低，如能将其用于沼气发酵，不仅能解决当前因焚烧秸秆、滥用化肥而造成的环境污染，也能缓解能源紧张给社会带来的压力。同时，由于秸秆中木质素、纤维素、半纤维素相互缠绕，不利于发酵，需对其进行预处理。汽爆破预处理已经被广大学者证明是一种有效的秸秆预处理方法，但秸秆汽爆预处理后用于厌氧发酵产沼气特性的研究并不多见。 本文是在农业部“引进国际先进农业科学技术”项目：秸秆厌氧发酵技术引进、消化与创新（编号2010-s25,2011-s15）的资金扶持下进行。 本文对玉米秸秆进行了蒸汽爆破预处理并进行两相厌氧发酵试验，并与单相厌氧发酵试验的结果进行对比，选取了不同原料浓度，对产酸相的pH值、挥发性脂肪酸（VFAs）值的变化特性和其对厌氧发酵的影响进行了分析。并进行了两相厌氧发酵工艺条件的研究，得到了产酸阶段和产甲烷阶段的最适工艺参数。研究得出的主要研究结论如下： （1）对比不同消化液TS浓度对厌氧反应的影响发现，较高浓度的TS，料液pH值下降速度较快，并长时间维持在较低的pH值内，造成料液酸化，不利于发酵的进行，延长了发酵周期；同时，高浓度发酵对于产气量和甲烷含量的影响很大，往往是产气量和甲烷含量随TS升高而降低。 （2）通过对3种VFAs在试验过程中含量变化的分析，发现微生物对乙酸和丁酸利用较多，在整个发酵周期里乙酸和丁酸的含量变化较大，但对丙酸利用较少。 （3）对不同温度的厌氧发酵研究结果发现，采用中温35℃进行两相厌氧发酵试验最为适宜。 （4）两相厌氧发酵试验中采用不同回流量，结果发现，在回流量为120mL时，可以获得较高的产气量和甲烷体积含量，分别为11005mL和68.3%。 （5）通过比较两相和单相厌氧反应器运行效果，发现两相厌氧发酵过程中经过产酸相的缓冲之后，两相反应器中产甲烷菌对pH值的适应范围更广，更耐受冲击负荷和环境骤变，单位有机物平均产气量达到660.6mL/gVS，比单相发酵提高52%，发酵周期缩短60%。在处理农作物秸秆废弃物时，两相厌氧发酵工艺显示出极大的优势。 【关键词】：蒸汽爆破 玉米秸秆 两相 厌氧发酵
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S216.2;S38
【目录】：

• 致谢4-8
• 摘要8-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 研究背景9
• 1.2 秸秆利用现状9-11
• 1.2.1 秸秆的产生和性质9-10
• 1.2.2 秸秆的利用方式10-11
• 1.3 厌氧消化工艺原理11-15
• 1.3.1 厌氧消化的基本原理11
• 1.3.2 厌氧消化的影响因素11-13
• 1.3.3 厌氧消化的三种阶段理论13-14
• 1.3.4 厌氧消化的中间产物抑制机理14-15
• 1.4 两相厌氧消化理论15-18
• 1.4.1 两相厌氧发酵的基本理论15
• 1.4.2 两相厌氧消化的特点15-16
• 1.4.3 两相厌氧消化相分离方式16
• 1.4.4 两相厌氧消化的国内外研究现状16-18
• 1.5 玉米秸秆的结构分析18-19
• 1.6 研究内容的提出19-20
• 1.6.1 研究内容19
• 1.6.2 技术路线19-20
• 2 试验材料与试验方法20-29
• 2.1 试验材料20
• 2.2 试验仪器与设备20
• 2.3 分析方法20-26
• 2.3.1 TS、VS 的测定20-21
• 2.3.2 含氮量测定21
• 2.3.3 含碳量测定21-22
• 2.3.4 甲烷和二氧化碳的测定22-24
• 2.3.5 VFAs 测定24-26
• 2.3.6 pH 值测定26
• 2.3.7 产气量测定26
• 2.4 试验方法26-29
• 2.4.1 玉米秸秆汽爆预处理方法26
• 2.4.2 低固体（湿式）浓度厌氧发酵方案26-28
• 2.4.3 试验方案设计28-29
• 3 汽爆玉米秸秆厌氧发酵试验研究29-36
• 3.1 汽爆玉米秸秆在不同 TS 下的发酵效果29-32
• 3.1.1 汽爆玉米秸秆在不同 TS 下的发酵29-31
• 3.1.2 汽爆玉米秸秆在不同 TS 下的产气效果31-32
• 3.1.3 小结32
• 3.2 低浓度发酵在不同温度下的产酸相的发酵效果32-34
• 3.2.1 低浓度发酵在不同温度下的产酸相的发酵32-34
• 3.2.2 小结34
• 3.3 汽爆玉米秸秆厌氧发酵试验研究小结34-36
• 4 汽爆玉米秸秆两相法厌氧发酵试验研究36-46
• 4.1 发酵周期中 pH 值的变化36-37
• 4.2 发酵周期里产气情况和产气中甲烷含量的变化37-38
• 4.2.1 产气情况37-38
• 4.2.2 产气中甲烷含量的变化38
• 4.3 VFAs 的降解38-42
• 4.3.1 总 VFAs 的变化38-40
• 4.3.2 各组分 VFAs 的变化40-42
• 4.4 两相与单相厌氧反应器运行效果比较研究42-45
• 4.4.1 pH 变化42
• 4.4.2 挥发酸浓度变化42-43
• 4.4.3 有机物去除率43
• 4.4.4 产气量和气体成分43-44
• 4.4.5 单相和两相反应器产甲烷潜力分析44-45
• 4.5 小结45-46
• 5 结论与建议46-47
• 5.1 试验结论46
• 5.2 试验建议46-47
• 参考文献47-51
• 硕士期间发表论文51
• Abstract51-52

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