总固体浓度和粪秆比对沼气发酵的影响

【摘要】：本试验通过可控发酵装置,利用玉米秸秆和牛粪进行厌氧发酵,以来自常温沼气池的沼液为接种物,在4%、8%和12%三个总固体浓度下,设置牛粪-玉米秸秆质量比为2:1,记为A;牛粪-玉米秸秆质量比1:0,记为B;牛粪-玉米秸秆质量比0:1,记为C;牛粪-玉米秸秆质量比为1:2,记为D,在(30±1)℃条件下,四个处理进行批量对比试验。通过对各处理下的产气量、甲烷含量、发酵残留物分析,旨在探索发酵物总固体浓度、粪秆比与沼气产气的关系,确定最佳发酵总固体浓度以及粪秆比。主要结论如下:牛粪玉米秸质量比为2:1时的总产气量比其他三个处理分别高9.8%、19.3%和4.7%,甲烷含量分别高6.2%、27.6%、3.8%,单位质量产气率分别高9.7%、19.3%、4.5%,总固体浓度为8%和12%时各处理总产气量、单位质量产气率和甲烷含量高低顺序均为:牛粪-玉米秸秆质量比为2:1时最高,其次依次为牛粪-玉米秸秆质量比1:2、牛粪-玉米秸秆质量比1:0、牛粪-玉米秸秆质量比为1:0。总固体浓度为4%时单独牛粪发酵总产气量最低,仅为4754 ml。在牛粪和玉米秸秆混合发酵中,牛粪对整体沼气产量的贡献量明显高于玉米秸秆。3种总固体浓度下,粪秆混合发酵pH变化相对稳定,利于产生适量的脂肪酸,并能调节发酵原料碳氮比,牛粪玉米秸质量比为2:1时碳氮比为28.9:1更利于沼气微生物利用,粪秆混合发酵有利于降低发酵液氧化还原电位,利于甲烷菌活动从而改善沼气发酵产气状况。混合发酵牛粪玉米秸秆的优化配比为2:1(质量比)。发酵浓度过高和过低都不利于沼气发酵产气,不同的总固体浓度的发酵料液pH值在发酵初期下降,中期上升,后期又趋于稳定,挥发性脂肪酸的含量则均呈先增加后较少的趋势。总固体浓度越大发酵过程中产生的挥发性脂肪酸越多,总固体浓度4%时挥发性脂肪酸含量少,不利于转化成甲烷,而12%时单独玉米秸秆发酵过程中挥发性脂肪酸含量太高,最高达7264 mg/L,酸化最为严重,pH值最低仅为6.14,产气启动慢,产气极不稳定,在总固体浓度为8%时发酵液碱度较大,缓冲性好,利于挥发性脂肪酸的生成与转化,总固体浓度越高发酵液容易发生酸化,不利于沼气产气,发酵液浓度太低,沼气微生物单位体积可利用的基质过少,同样会不利于沼气发酵产气。总固体浓度为8%时,发酵液氧化还原电位最低,发酵厌氧环境好,利于产甲烷。本试验以总固体浓度为8%时沼气发酵最优。沼气发酵残留物中含有大量的有机质、腐植酸以及N、P、K等矿质元素,并且其含量的不同表明沼气发酵状况也不同,不同底物浓度以及粪秆比条件下,以总固体浓度8%粪秆比为2:1时,沼液中N、P、K含量最高分别为0.272%、0.042%、0.129%,分别比4%时高120%、60%、45%,比12%时高11%、14%、9%。而总固体浓度4%时,沼渣中N、P分别比8%时高59%、52%,比12%高47%、54%;3种总固体浓度下,沼渣中K平均含量分为0.947%、0.958%和0.961%,差异不明显。在不同总固体浓度下沼液中有机质和腐植酸的含量随总固体浓度的增加而增加。在相同的总固体浓度下,单独牛粪处理沼液中有机质平均高达0.43%,比A(2:1)、C(0:1)、D(1:2)分别高36.8%、34.1%、47.1%。单独玉米秸处理沼渣中的有机质含量在4%浓度时高达59.8%,而同时粗纤维的含量高达64.7%,为所有处理最高。在本试验条件下,腐植酸的变化规律不明显。总固体浓度过高和过低,沼气发酵不彻底,营养元素的释放相对较少,沼液中的各种矿质元素含量较少,沼渣中则残留相对较多。同时玉米秸秆粗纤维含量过高,不利于发酵原料的分解和产气,也不利于矿质元素的释放。 【关键词】：沼气 粪秆比 总固体浓度 产气量 发酵残留物
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 中文摘要7-9
• Abstract9-11
• 1 前言11-20
• 1.1 目的意义11-14
• 1.2 国内外研究现状14-19
• 1.2.1 发酵原料对沼气产气的影响15-16
• 1.2.2 总固体浓度对沼气产气的影响16-17
• 1.2.3 粪秆比对沼气产气的影响17-19
• 1.3 沼气发酵残留物的研究与肥效试验19-20
• 2 材料与方法20-28
• 2.1 试验装置20
• 2.2 试验方法20-21
• 2.2.1 发酵原料和接种物20
• 2.2.2 试验设计20-21
• 2.3 测定项目及方法21-28
• 2.3.1 日产气量21
• 2.3.2 沼气中甲烷含量21
• 2.3.3 发酵液碳氮比21-22
• 2.3.4 发酵液pH值22
• 2.3.5 发酵液挥发性脂肪酸含量22-23
• 2.3.6 发酵液碱度23-24
• 2.3.7 发酵液氧化还原电位24
• 2.3.8 总固体消减率（TS消减率）、挥发性固体消减率（VS消减率）24
• 2.3.9 沼气发酵残留物中氮、磷、钾的含量24-25
• 2.3.10 沼气发酵残留物中粗纤维（CF）、有机质（OM）、腐植酸（HA）含量25-27
• 2.3.11 资料统计与分析27-28
• 3 结果与分析28-47
• 3.1 总固体浓度和粪秆比对沼气产气量的影响28-34
• 3.1.1 总固体浓度和粪秆比对日产气量的影响28-30
• 3.1.2 总固体浓度和粪秆比对总产气量的影响30-31
• 3.1.3 累积产气量以及累积产气量占总产气量百分比31-32
• 3.1.4 单位质量产气率、理论产气量和实际产气量32-34
• 3.2 总固体浓度和粪秆比对沼气中甲烷含量的影响的影响34-35
• 3.3 总固体浓度以及粪秆比对发酵液碳氮比的影响35-36
• 3.4 总固体浓度以及粪秆比对发酵过程中pH值变化的影响36-37
• 3.5 总固体浓度以及粪秆比对发酵过程中挥发性脂肪酸含量的影响37-39
• 3.6 总固体浓度以及粪秆比对发酵液碱度的影响39-40
• 3.7 总固体浓度以及粪秆比对发酵液氧化还原电位变化的影响40-42
• 3.8 总固体浓度以及粪秆比对发酵液TS消减率、VS消减率变化的影响42-43
• 3.9 总固体浓度以及粪秆比对沼气发酵残留物中氮磷钾的含量的影响43-45
• 3.10 总固体浓度以及粪秆比对沼气发酵残留物中有机质（OM）、粗纤维（CF）、腐植酸（HA）的含量的影响45-47
• 4 讨论47-52
• 4.1 粪秆比对沼气发酵的影响47-48
• 4.2 总固体浓度对沼气发酵的影响48
• 4.3 总固体浓度以及粪秆比对沼气中甲烷含量的影响48-49
• 4.4 总固体浓度以及粪秆比对发酵过程中pH值、挥发性脂肪酸、碱度、氧化还原电位变化的影响49-50
• 4.5 总固体浓度以及粪秆比对发酵液TS消减率、VS消减率变化的影响50
• 4.6 总固体浓度以及粪秆比对沼气发酵残留物成分含量的影响50-52
• 5 结论52-53
• 参考文献53-58
• 致谢58-59
• 攻读硕士学位期间发表论文情况59

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