温度对鸡粪与作物秸秆混合原料厌氧发酵产气特性影响研究

【摘要】： 我国农村人口众多、能源短缺,大力发展沼气技术,既为人们提供了生物质能源,又利用了农业(这里指大农业,包括畜牧业)废弃物,同时还为农户提供了有机肥料,具有显著的能源、经济、生态和环保效益,在农作物和人畜粪便等废弃物的无害化处理及资源化利用中已得到广泛应用。厌氧发酵是指各种有机物在厌氧条件下被各类发酵微生物分解转化,最终生成沼气的过程。由于厌氧消化过程受原料的组成、环境条件和大量的细菌、真菌等因素的调控,其反应机理非常复杂。其中,温度是影响厌氧消化的主要因素之一。温度的适宜与否直接决定了厌氧消化的成败。目前为止,温度对厌氧消化产气量和对原料发酵时间长短的影响没有确定的数据和记录。理论上,10～60℃的范围内,沼气均能正常发酵产气。在实际操作中,很多地区根据理论值指导生产,却没有收到显著的成效,结果造成人力、物力和财力的浪费。因此,研究和探索厌氧消化过程中,不同发酵温度对厌氧消化产气量、产气速率的变化规律,并寻求最优的发酵温度很有必要。本研究旨为实现沼气发酵的可控化及我国沼气发酵适宜区的评价提供科学依据,同时也为解决农业废弃物不合理利用而造成的环境污染问题和农业环境污染源头治理对策制定提供理论依据和技术支撑。 本试验通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置,以鸡粪分别与水稻秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆干物质量比分别为1:1、2:1和3:1的混合原料为发酵原料,以常温厌氧发酵池的底物为接种物,在总固体TS(Total Solid)质量分数为8%的条件下进行批量试验。研究了它们在11个恒定发酵温度10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃和60℃下的产气情况,并用SAS软件对试验结果进行多元回归方程,建立最优回归方程,得出不同发酵原料的最优发酵温度、相应的消化时间和最大干物质累积产气量。得出以下主要结论: (1)本试验所用的混合原料在11个恒定温度组下均能正常产气,但在10℃和15℃的温度下,混合原料需要经过一段停滞时期才能正常产气,且产气速率变化不大,没有出现明显的产气高峰期。其它温度组里,鸡粪:稻秆1:1、鸡粪:稻秆2:1、鸡粪:稻秆3:1、鸡粪:麦秆1:1、鸡粪:麦秆2:1、鸡粪:麦秆3:1、鸡粪:玉米秆1:1、鸡粪:玉米秆2:1和鸡粪:玉米秆3:1分别在7～43d、7～42d、13～41d、7～39d、11～39d、10～41d、5～43d、9～43d和6～40d左右达到产气高峰,并分别在厌氧发酵后的31～45d、35～46d、30～46d、34～48d、36～46d、36～45d、35～46d、35～46d和35～46d左右,累积产气量达到总累积产气量的90%,表明发酵完成。 (2)由相关性分析结果得出,本试验所用的混合原料的发酵温度与最大产气速率均呈正相关,即厌氧发酵最大产气速率在10～60℃范围内,基本上随着温度的升高而升高;与累积产气量均呈正相关,即在10～60℃范围内随着温度的升高,反应进行的越彻底。发酵温度与到达最大产气速率的时间和厌氧发酵时间均呈负相关,即在10～60℃范围内,厌氧发酵最大产气速率的最大峰值出现时间和厌氧发酵时间,基本上均随着温度的升高而缩短。 (3)用SAS软件对试验数据进行多元回归分析得出:鸡粪:稻秆1:1的最佳温度为48℃,最佳发酵时间为53d,对应的最大干物质累积产气量为299.54mL/g;鸡粪:稻秆2:1的最佳温度为52℃,最佳发酵时间为50d,对应的最大干物质累积产气量为296.02mL/g;鸡粪:稻秆3:1的最佳温度为42℃,最佳发酵时间为50d,对应的最大干物质累积产气量为295.70mL/g;鸡粪:麦秆1:1的最佳温度为53℃,最佳发酵时间为47d,对应的最大干物质累积产气量为271.78mL/g;鸡粪:麦秆2:1的最佳温度为47℃,最佳发酵时间为47d,对应的最大干物质累积产气量为265.80mL/g;鸡粪:麦秆3:1的最佳温度为50℃,最佳发酵时间为56d,对应的最大干物质累积产气量为306.59mL/g;鸡粪:玉米秆1:1的最佳温度为57℃,最佳发酵时间为45d,对应的最大干物质累积产气量为274.66mL/g;鸡粪:玉米秆2:1的最佳温度为48℃,最佳发酵时间为49d,对应的最大干物质累积产气量为296.18mL/g;鸡粪:玉米秆3:1的最佳温度为48℃,最佳发酵时间为53d,对应的最大干物质累积产气量为299.54mL/g。 【关键词】：鸡粪 秸秆 温度 厌氧发酵 数学模型 产气特性
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 前言12-20
• 1.1 引言12-13
• 1.2 主要农业废弃物对环境的影响13-14
• 1.2.1 农作物秸秆对环境的影响13
• 1.2.2 禽畜粪便对环境的影响13-14
• 1.3 厌氧发酵技术的研究现状14-17
• 1.3.1 我国厌氧发酵技术研究现状14-16
• 1.3.2 国外厌氧发酵技术研究现状16-17
• 1.4 研究的目的及意义17-18
• 1.5 研究内容及创新点18-20
• 1.5.1 研究内容18
• 1.5.2 研究的创新点18-19
• 1.5.3 技术路线19-20
• 第二章 厌氧发酵基本原理及工艺条件20-22
• 2.1 厌氧发酵的基本原理20
• 2.2 厌氧发酵的工艺条件20-22
• 第三章 材料与方法22-25
• 3.1 试验材料22
• 3.1.1 发酵原料和接种物22
• 3.1.2 原料的预处理22
• 3.2 发酵装置22-23
• 3.3 试验方案23-24
• 3.4 测定项目及方法24-25
• 第四章 试验结果与分析25-60
• 4.1 温度对鸡粪与稻秆混合厌氧消化试验25-35
• 4.1.1 温度对鸡粪:稻秆1:1 产气速率与产气量的影响25-27
• 4.1.2 温度对鸡粪:稻秆2:1 产气速率与产气量的影响27-30
• 4.1.3 温度对鸡粪:稻秆3:1 产气速率与产气量的影响30-33
• 4.1.4 温度对鸡粪:稻秆反应时间的影响33-35
• 4.2 温度对鸡粪与麦秆混合厌氧消化试验35-46
• 4.2.1 温度对鸡粪:麦秆1:1 产气速率与产气量的影响35-38
• 4.2.2 温度对鸡粪:麦秆2:1 产气速率与产气量的影响38-41
• 4.2.3 温度对鸡粪:麦秆3:1 产气速率与产气量的影响41-44
• 4.2.4 温度对鸡粪:麦秆的反应时间的影响44-46
• 4.3 温度对鸡粪与玉米秆混合厌氧消化试验46-57
• 4.3.1 温度对鸡粪:玉米秆1:1 产气速率与产气量的影响46-49
• 4.3.2 温度对鸡粪:玉米秆2:1 产气速率与产气量的影响49-52
• 4.3.3 温度对鸡粪:玉米秆3:1 产气速率与产气量的影响52-55
• 4.3.4 温度对鸡粪:玉米秆的反应时间的影响55-57
• 4.4 数学模型的建立与分析57-60
• 第五章 结论与讨论60-62
• 5.1 结论60
• 5.2 讨论60-62
• 参考文献62-67
• 致谢67-68
• 作者简介68

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