不同生物预处理对芦竹和玉米秸秆及其厌氧消化性能影响研究

【摘要】：木质纤维素类生物质复杂的结构及木质素的存在极大限制了原料在厌氧消化过程中的水解反应。预处理和贮存是木质纤维素生物质沼气工程中两个重要的上游环节。通过适当的预处理和贮存可以增加生物质的生物降解性,并有助于提高后续厌氧消化产甲烷性能。因此,开展原料预处理和贮存的研究对于厌氧消化技术的推广与应用具有非常重要的意义。本文对不同收获时期和不同固形物含量芦竹的青贮物化性能及其厌氧消化产甲烷性能进行了评价,研究了尿素添加对芦竹青贮及其厌氧消化特性的影响,并探讨了真菌预处理对玉米秸秆理化特性和产甲烷性能的影响。对不同收获时期芦竹进行青贮和厌氧消化实验研究。芦竹中水溶性碳水化合物主要包含纤维二糖和葡萄糖,为芦竹青贮过程中的乳酸发酵提供糖源。随着收获时间(9-12月)的延长,芦竹中水溶性碳水化合物显著(p0.05)增加112.9%,90 d青贮过程中乳酸产量显著(p0.05)增加,pH快速下降,使梭菌发酵减弱并降低干物质损失至0.5%。12月收获芦竹的青贮稳定性最高,随着固形物含量(25-40%)增加,30 d青贮过程中乳酸二次代谢增强使丙酸累积增加,pH升高至4.1,其对应的干物质损失低于1.1%。60d青贮使4个不同收获时期芦竹的累积甲烷产量提高了4.5-13.7%；相对较高的青贮固形物含量(30-40%)有利于增加12月收获芦竹的累积甲烷产量(9.6-14.9%)。说明推迟芦竹收获时期有利于WSC的累积,提高芦竹青贮的性能并增加后续的厌氧消化产甲烷量。针对青贮品质较差的早期(9月和10月)收获芦竹,引入尿素处理辅助调控芦竹的青贮过程。0.8%尿素添加直接影响青贮发酵产物尤其是乳酸、乙酸和丙酸的累积分布,并且降低芦竹青贮过程中干物质损失和丁酸的累积；另外,0.8%尿素添加降低芦竹90 d贮存过程中纤维素降解(47.5%)并增加了木质素的降解(101.3%)。0.8%尿素添加辅助青贮使9月和10月芦竹的累积甲烷产量分别增加25.6%和17.4%,芦竹青贮产生的乳酸、乙酸和乙醇,以及部分移除木质素和半纤维素所提高的消化性,加速了厌氧消化过程中产甲烷菌的代谢从而提高了最大甲烷产率。尿素添加提高了芦竹的生物降解性并缩短了后续厌氧消化的启动时间和甲烷产量,有利于提高沼气工程的产甲烷效率和综合效益。为进一步提高青贮原料的生物降解性,采用Phanerochaete chrysosporium预处理青贮玉米秸秆。青贮玉米秸秆中降解了32.4%半纤维素和22.6%木质素,使后续累积甲烷产量增加21.2%。而干黄玉米秸秆真菌预处理中降解61.1%木质素的同时伴随54.7%纤维素的损失,导致后续累积甲烷产量降低。水洗使青贮玉米秸秆预处理过程中半纤维素和木质素降解率分别增加至48.4%和39.0%,其累积甲烷产量比未预处理的青贮玉米秸秆增加32.6%。另外,真菌预处理添加乳酸或丁酸的玉米秸秆中木质素降解率为(42.9-50.7%),而添加乙酸或丙酸的玉米秸秆预处理过程中木质素降解率(11.7-16.5%)较低。说明青贮中乙酸和丙酸对P. chrysosporrium预处理过程中酶的分泌或活性产生抑制作用,而该真菌对乳酸和丁酸则显示出较强的耐受性。 【关键词】：青贮 真菌预处理 厌氧消化 有机酸 甲烷
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-34
• 1.1 引言13-15
• 1.2 木质纤维素生物质的沼气化利用15-17
• 1.3 木质纤维素生物质预处理技术17-23
• 1.4 青贮影响因素及其应用分析23-29
• 1.5 真菌预处理技术应用现状29-30
• 1.6 问题的提出和研究内容30-34
• 第二章 不同收获时期芦竹的青贮及其产甲烷性能评价34-50
• 2.1 引言34-35
• 2.2 材料与方法35-38
• 2.3 不同收获时期芦竹的化学组分定量分析38-40
• 2.4 不同收获时期芦竹的青贮物化特性分析40-42
• 2.5 不同收获时期芦竹的青贮发酵产物分布42-44
• 2.6 不同收获时期芦竹青贮过程中细胞壁组分降解变化44-46
• 2.7 不同收获时期和青贮对芦竹产甲烷性能的影响46-47
• 2.8 厌氧消化的动力学分析47-49
• 2.9 本章小结49-50
• 第三章 不同固形物含量对芦竹青贮及产甲烷性能的影响50-61
• 3.1 引言50-51
• 3.2 材料与方法51-53
• 3.3 不同固形物含量对芦竹青贮发酵产物累积分布的影响53-56
• 3.4 不同固形物含量对芦竹青贮过程中化学组分的影响56
• 3.5 青贮芦竹的厌氧消化性能评价56-59
• 3.6 青贮芦竹厌氧消化的动力学分析59-60
• 3.7 本章小结60-61
• 第四章 尿素添加辅助芦竹青贮及其产甲烷性能评价61-75
• 4.1 引言61
• 4.2 材料与方法61-64
• 4.3 尿素辅助处理对芦竹青贮物化特性的影响64-66
• 4.4 尿素辅助芦竹青贮过程中发酵产物累积分布变化规律66-68
• 4.5 尿素辅助处理对芦竹青贮过程中生物降解性的影响68-70
• 4.6 尿素辅助青贮对芦竹产甲烷性能的影响70-72
• 4.7 青贮发酵产物与产甲烷相关性分析72-74
• 4.8 本章小结74-75
• 第五章 真菌预处理玉米秸秆及其对产甲烷性能的影响75-86
• 5.1 引言75-76
• 5.2 材料与方法76-79
• 5.3 真菌预处理对玉米秸秆厌氧消化性能的影响79-81
• 5.4 真菌预处理对玉米秸秆生物降解性的影响81-82
• 5.5 玉米秸秆真菌预处理过程中的物理化学结构变化82-85
• 5.6 本章小结85-86
• 第六章 青贮中有机酸对真菌预处理玉米秸秆及产甲烷的影响86-102
• 6.1 引言86
• 6.2 材料与方法86-90
• 6.3 水洗对青贮秸秆真菌预处理过程中生物降解性的影响90-92
• 6.4 水洗对真菌预处理青贮玉米秸秆产甲烷性能的影响92-96
• 6.5 有机酸对真菌预处理玉米秸秆生物降解性的影响96-100
• 6.6 真菌预处理对添加不同有机酸玉米秸秆产甲烷性能的影响100-101
• 6.7 本章小结101-102
• 第七章 结论与建议102-105
• 7.1 结论102-103
• 7.2 创新点103-104
• 7.3 建议104-105
• 参考文献105-118
• 致谢118-119
• 作者简介119-120

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