预处理对麦秸生物产沼气的影响研究

【摘要】：我国是农业大国,农业生产每年产生大量农作物秸秆,且种类多、分布广,这给秸秆资源化利用带来了困难。将作物秸秆厌氧生物产沼气是满足农村清洁能源需求的重要举措,也是农村环境综合整治工作的重要内容,符合循环农业和可持续发展的要求。小麦是我国第三大粮食作物,2010年,我国小麦播种面积达2425.7万公顷,年产麦秸达1.5亿吨,按可收集系数0.7计算,年可收集麦秸1.05亿吨。木质纤维是麦秸的主要有机组分,其中木质素和结晶态纤维在厌氧条件下很难被厌氧微生物分解,是影响麦秸厌氧生物产沼气的主要因素。通过预处理方式破坏秸秆的木质纤维结构,可提高其厌氧生物降解性,本文在秸秆预处理方面进行了一些研究,具体如下： (1)以3个不同品种小麦收获后的秸秆为原材料,获得新鲜、风干10天、烘干样,研究不同干燥方式对麦秸营养成分和厌氧生物产气潜力的影响。结果显示,干燥后麦秸中碳含量呈下降趋势,氮含量呈上升趋势,不同干燥方式对麦秸营养成分的影响不显著(P0.05)；麦秸干燥后其厌氧生物产气潜力下降,刚收割的麦秸产气量最高,烘干样次之,风干10天样最低；尽管麦秸经风干10天后厌氧生物产气潜力下降,但产气中平均甲烷含量增加,增加幅度达5.23%,发酵后麦秸中纤维素含量与发酵前相比下将了24.06～47.70%,半纤维素含量下降了19.91～59.07%,不同品种间差异不显著,木质素相对含量上升了38.28～127.22%。 (2)秸秆贮存是秸秆沼气工程长期运行的重要保障,本实验拟将预处理技术耦合于秸秆贮存过程中。研究了打捆麦秸贮存与预处理一体化的可行性,分析了麦秸预处理后打捆贮存前后麦秸理化特性、物质结构以及厌氧发酵产气特性的变化。结果表明：将麦秸直接打捆后贮存120d,对麦秸理化特性、物质结构及产气性能的影响均不明显,影响最大的是堆体上层麦秸,但产气量也仅下降了7.40%；将麦秸NaOH处理后打捆贮存对提高麦秸干物质(total solid. TS)产气量有一定促进作用,麦秸TS产气量较未贮存麦秸和直接打捆贮存后的麦秸(CK)分别提高了7.02%～8.31%和5.68%-16.96%；麦秸经尿素处理后打捆贮存,不利于麦秸后续产沼气,麦秸TS产气量较CK下降了2.8～7.71%；麦秸贮存过程中,将麦秸直接暴露于空气中对麦秸有机物的保存及后续产沼气利用均不利,但影响并不显著,CK和尿素处理堆体上层麦秸TS产气量分别下降了7.40%和4.25%。 (3)堆肥预处理可破坏麦秸的木质纤维结构,提高其厌氧生物产气速率和产气量,但堆肥时间太长会造成有机物的大量损失,影响产气量。本实验首先将麦秸进行堆肥预处理,以堆制不同时间的麦秸为原料进行厌氧生物产气潜力实验。结果表明：堆肥启动6.8h后堆温即上升至30℃,随后分别在13.5h、19.5h、23.0h、44.8h达到40℃、50℃、55℃和60℃,最高温度达70℃,之后缓慢下降；堆肥预处理后,随着预处理时间的延长,麦秸有机质含量逐渐下降,氮含量先下降后上升,纤维素和半纤维素含量先升高后降低,木质素含量先降低后升高,各处理间差异不显著(P0.05)；经过厌氧发酵后,30℃、40℃、50℃、55℃、55℃以上2天、55℃以上5天、55。C以上9天麦秸TS产气量较CK均下降,下降幅度为4.16%-21.72%,可以看出堆肥时间太短和太长均不利于麦秸产沼气,堆肥55℃处理对提高麦秸产气量有一定促进作用,较未堆肥麦秸产气量提高了7.56%；各处理产气中甲烷含量相差不大,与未堆肥麦秸相比,除55℃以上9天下降3.2%外,其它处理有0.4～1.52%的上升,但各处理间差异不显著(P0.05)。 (4)为研究堆肥预处理影响麦秸产气的内在机制,以辐照灭菌后的麦秸为原料,以堆肥预处理堆温变化的数据为基础,在实验室模拟堆肥实验,以排除微生物对麦秸堆肥过程的影响,模拟堆肥后的麦秸用于厌氧生物产沼气,研究模拟堆肥温度对麦秸理化特性及厌氧生物产沼气的影响。结果表明：经辐照处理后麦秸中三大菌数量均大幅降低,细菌、放线菌和真菌与辐照前相比分别降低了99.70%、99.22%和99.73%；模拟堆肥实验中,随着处理时间的延长,麦秸中有机质含量逐渐下降,氮含量在温度预处理前后基本上没有变化,纤维素含量逐渐上升,半纤维素含量逐渐下降,与CK-F相比,纤维素含量上升了9.17%～18.850%,半纤维素含量下降了4.840%～9.06%,木质素含量下降了12.84%～23.71%,表明温度处理对破坏秸秆中木质纤维结构有较好的效果,而55。C以上9天与CK-F相比,纤维素上升了7.32%,半纤维素下降了27.51%,木质素升高了27.52%,差异显著(P0.05),说明高温不利于三素的保存；产气的结果表明,50℃和55℃处理均可提高麦秸的产气量,较对照提高了8.10%～9.12%；CK-F、初始、30℃、40℃、50℃、55℃、55℃以上2天、55℃以上5天、55℃以上9天各处理产气中平均甲烷含量较对照均有所提高,这说明温度处理对提高麦秸厌氧生物转化率有有一定效果。将不同温度处理和堆肥预处理的结果相比可以看出,堆肥预处理后麦秸的TS产气量均下降,只有55℃上升了1.22%,而不同温度预处理后,50℃和55℃处理较对照提高了8.10～9.12%,其它处理也较对照有不同程度的上升,这说明秸秆堆肥预处理中,温度是影响其处理效果的重要因素。 【关键词】：麦秸 沼气 预处理 厌氧消化
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-13
• 缩略语13-14
• 第一章 文献综述14-24
• 1.1 农作物秸秆概述14-17
• 1.1.1 农作物秸秆的资源概况14
• 1.1.2 农作物稻秆的利用及养分还田状况14-15
• 1.1.3 农作物秸秆资源化技术15-16
• 1.1.4 秸秆资源化存在的问题16-17
• 1.2 秸秆厌氧消化产沼气技术研究状况17-19
• 1.2.1 预处理方法17-19
• 1.3 厌氧消化过程中的生物化学原理19-23
• 1.3.1 厌氧消化过程机理19-21
• 1.3.2 厌氧消化产甲烷过程的微生物学机理21-22
• 1.3.3 厌氧消化产甲烷过程的酶22-23
• 1.4 项目研究的基本情况23-24
• 1.4.1 研究目的和意义23
• 1.4.2 技术路线23-24
• 第二章 不同干燥方式对麦秸厌氧生物产沼气的影响24-32
• 2.1 材料与方法24-25
• 2.1.1 试验材料24
• 2.1.2 试验方法24-25
• 2.1.3 试验装置25
• 2.1.4 分析方法25
• 2.1.5 数据分析25
• 2.2 实验结果和分析25-30
• 2.2.1 不同干燥过程麦秸理化特性的变化25-26
• 2.2.2 不同干燥方式后麦秸厌氧发酵特性的比较26-28
• 2.2.3 麦秸产气特性分析28-29
• 2.2.4 不同干燥方式麦秸发酵前后半纤维素、纤维素、木质素的变化29-30
• 2.3 小结30-32
• 第三章 预处理对打捆麦秸贮存和厌氧生物产沼气的影响32-42
• 3.1 材料与方法32-34
• 3.1.1 实验材料32-33
• 3.1.2 实验方法33
• 3.1.3 测定指标及方法33-34
• 3.1.4 数据分析34
• 3.2 结果与分析34-41
• 3.2.1 不同贮存方式对打捆麦秸的影响34-36
• 3.2.2 不同贮存方式对打捆麦秸产气特性的影响36-41
• 3.3 小结41-42
• 第四章 堆肥预处理对麦秸产气特性的影响42-56
• 4.1 材料与方法42-44
• 4.1.1 实验材料42
• 4.1.2 实验方法42-43
• 4.1.3 测定指标及方法43-44
• 4.1.4 数据分析44
• 4.2 结果与分析44-54
• 4.2.1 堆肥过程中相关参数的变化44-47
• 4.2.2 堆肥预处理对麦秸理化特性的影响47-48
• 4.2.3 堆肥预处理对麦秸产气特性的影响48-51
• 4.2.4 堆肥预处理对麦秸厌氧发酵过程中VFAs的影响51-52
• 4.2.5 堆肥预处理麦秸浸提液中细菌数量和区系的变化52-54
• 4.3 小结54-56
• 第五章 温度预处理对麦秸厌氧生物产沼气的影响56-66
• 5.1 材料与方法56-57
• 5.1.1 实验材料56
• 5.1.2 实验方法56-57
• 5.1.3 测定指标及方法57
• 5.2 结果与分析57-65
• 5.2.1 辐照预处理对秸秆灭菌效果57
• 5.2.2 温度预处理过程中相关参数的变化57-60
• 5.2.3 温度预处理对麦秸产气特性的影响60-64
• 5.2.4 温度预处理对麦秸厌氧发酵过程中VFAs的影响64-65
• 5.3 小结65-66
• 第六章 结论与展望66-70
• 6.1 结论66-67
• 6.2 研究内容与创新点67
• 6.3 存在的问题和今后的研究设想67-70
• 参考文献70-76
• 致谢76-78
• 个人简介及发表文章78

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