小麦秸秆的厌氧生物降解性能和降解机理研究

【摘要】：我国每年产生大量的农作物秸秆，相对于传统的生物质废弃物处理方法，厌氧发酵技术能够将秸秆进行厌氧发酵，产生生物质能源-秸秆生物气（主要成分为甲烷和二氧化碳），而得到人们的广泛关注。然而由于秸秆中木质素与纤维素的镶嵌结构，以及对秸秆降解性能和降解机理的研究不足，导致了秸秆厌氧发酵的效率低下，生物质转化率不高，制约了秸秆厌氧发酵工业化的推广。针对秸秆厌氧发酵的不足，论文以小麦秸秆为原料，以中温干式厌氧发酵为基础，提出了氨化厌氧发酵的新方法，研究了相关的工艺过程，阐明了小麦秸秆的结构变化、厌氧生物降解性能和降解机理。 本论文的主要研究内容有三个部分。其一，以小麦秸秆为原料，在中温条件下，研究了干式厌氧发酵快速启动的条件，优化了快速启动的工艺；其二，采用红外光谱(FTIR)、电子显微镜(SEM)、视频光学接触角测定仪(GBX)、热重分析(TGA)等方法，研究了氨化处理前后小麦秸秆的微观结构变化；其三，详细的研究了小麦秸秆的氨化厌氧发酵工艺和厌氧生物降解过程，对发酵前后秸秆成分的改变、发酵产气量、COD浓度和发酵液pH等因素进行了测定分析。 研究结果表明：（1）在中温条件下，尿素添加量占秸秆质量的4.5%，猪粪与秸秆的质量比为1:2，污泥的接种量为发酵总量的45%时，秸秆厌氧发酵产气量和产气速率达到最佳，得到了秸秆干式厌氧发酵快速启动的最优条件。（2）氨化处理使小麦秸秆纤维内部发生明显的变化，部分官能团发生断裂，纤维素与木质素发生分离。氨化处理破坏了秸秆蜡质层，表层由不亲水变为亲水，并且经处理后的秸秆热稳定性增加，可以说明小麦秸秆中纤维素类结构的变化是干式厌氧发酵产气量提高的内在原因。（3）小麦秸秆氨化厌氧发酵工艺，其产气量明显高于常规的厌氧发酵工艺，发酵进行了50d，氨化氧发酵工艺的累计产气量达到11263.27ml，与未处理的麦秸产气量5011.32ml相比，产气量提高了55.6%；氨化预处理后的产气时间与未处理的39d相比提前了5d，单位产气量提高了15%。 【关键词】：小麦秸秆 氨化处理 厌氧发酵 沼气 生物质能源
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 生物质秸秆的组成11-12
• 1.3 干式厌氧发酵预处理的方法及研究进展12-19
• 1.3.1 物理预处理法12-14
• 1.3.2 化学法14-16
• 1.3.3 物理化学方法16-18
• 1.3.4 生物法18-19
• 1.4 秸秆干式厌氧发酵技术的研究进展19-20
• 1.4.1 国内厌氧发酵技术的研究进展19
• 1.4.2 国外厌氧发酵技术的研究进展19-20
• 1.5 本课题的主要研究意义、研究内容20-21
• 1.5.1 研究意义20
• 1.5.2 研究内容20-21
• 2 小麦秸秆中温厌氧发酵工艺的优化研究21-31
• 2.1 实验药品和装置21-22
• 2.1.1 实验药品21-22
• 2.1.2 实验装置22
• 2.2 试验内容22
• 2.2.1 实验材料22
• 2.2.2 实验方法22
• 2.3 检测项目和检测方法22-25
• 2.3.1 检测项目22-23
• 2.3.2 检测方法23-25
• 2.4 结果与讨论25-29
• 2.4.1 尿素添加量对厌氧发酵产气量的影响25-27
• 2.4.2 粪秆比对厌氧发酵产气量的影响27-28
• 2.4.3 接种量对厌氧发酵产气量的影响28-29
• 2.5 小结29-31
• 3 秸秆干式厌氧发酵氨化预处理的研究31-38
• 3.1 实验药品及仪器31-32
• 3.1.1 实验药品31
• 3.1.2 实验仪器31-32
• 3.2 试验内容32
• 3.2.1 实验材料32
• 3.2.2 实验方法32
• 3.3 检测方法32
• 3.3.1 傅立叶变换红外光谱检测32
• 3.3.2 扫描电子显微镜32
• 3.3.3 接触角测量32
• 3.3.4 热重分析32
• 3.4 结果与讨论32-37
• 3.4.1 预处理对小麦秸秆成分的影响32-33
• 3.4.2 氨化预处理对小麦秸秆感官的影响33
• 3.4.3 预处理对小麦秸秆化学特征的影响33-34
• 3.4.4 预处理对小麦秸秆结构的影响34-35
• 3.4.5 预处理对表面亲水性的影响35-36
• 3.4.6 预处理对小麦秸秆热性能的影响36-37
• 3.5 小结37-38
• 4 秸秆干式厌氧发酵的研究38-47
• 4.1 实验药品38-39
• 4.2 试验内容39
• 4.2.1 实验材料39
• 4.2.2 实验方法39
• 4.3 检测项目和方法39-40
• 4.4 结果与讨论40-45
• 4.4.1 厌氧发酵前后秸秆成分的变化40-41
• 4.4.2 发酵过程中日产气量随时间的变化情况41-42
• 4.4.3 发酵过程中累计产气量随时间的变化情况42-43
• 4.4.4 对厌氧发酵产气时间和单位产气量的分析43
• 4.4.5 发酵过程中COD的去除随时间的变化43-44
• 4.4.6 发酵过程中pH随时间的变化44-45
• 4.5 小结45-47
• 5 结论与建议47-49
• 5.1 结论47-48
• 5.2 建议48-49
• 创新点49-50
• 致谢50-51
• 参考文献51-56
• 攻读学位期间发表的学术论文目录56-57

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