發(fā)布時間：2020-05-21 10:49

【摘要】：我國每年都會生產(chǎn)大量的秸稈類廢棄物,利用厭氧消化(AD)技術(shù)進行處理,不僅可以改善環(huán)境,同時還可以實現(xiàn)廢物的資源化利用,因此意義重大。固態(tài)厭氧消化(SS-AD)技術(shù)作為AD技術(shù)重要的組成部分,具有較高的負(fù)荷能力和較大的處理能力。但體系本身的多變性和非均相性、相同原料的地域性質(zhì)差異、原料固液相間的傳質(zhì)性能及消化工藝條件選擇的不同,再加上人們對固態(tài)厭氧消化降解機制、微生物代謝過程認(rèn)識的不足,很大程度上限制了此技術(shù)的實際應(yīng)用。本論文旨在對原料進行適宜預(yù)處理后進行一些消化工藝條件的探索,通過分析幾種動力學(xué)參數(shù)以及微生物群落等特性來分析體系變化,進而得出較優(yōu)的工藝條件及相應(yīng)理論解釋。首先,采用Bioprocess反應(yīng)裝置,研究了預(yù)處理對玉米秸稈(CS)固態(tài)厭氧消化的影響。實驗選用機械粉碎(粒徑2-3 mm)、青貯、4%KOH(基于秸稈干重)處理,進行單一或組合處理,控制體系總固體(TS)含量為20%,進行固態(tài)厭氧消化實驗。結(jié)果表明,未經(jīng)過任何預(yù)處理過程的干秸稈,其產(chǎn)甲烷量較低,只有97.4±10.4 mL/g VS;青貯秸稈和粉碎的秸稈最終產(chǎn)甲烷結(jié)果提升到了111.1±4.8 mL/g VS和105.1±1.4 mL/g VS;而青貯+粉碎的組合預(yù)處理后,產(chǎn)甲烷能力明顯比其他各組都要好,累積甲烷產(chǎn)量達到了120.2±3.3 mL/g VS。可以看出,進行預(yù)處理不僅提高了產(chǎn)甲烷能力,還改善了產(chǎn)氣穩(wěn)定性。本實驗中4%KOH處理過的秸稈產(chǎn)氣結(jié)果偏低,只有85.7±2.3 mL/g VS,測試后發(fā)現(xiàn),該組沼渣中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量約為4500 mg/L,遠高于其他幾組的1000-2000 mg/L,推斷該組預(yù)處理過度,出現(xiàn)了酸抑制。其次,基于預(yù)處理實驗結(jié)果,以青貯秸稈為原料,利用車庫式厭氧消化反應(yīng)器進行三批實驗,每批次反應(yīng)進行28天,分別研究了固含率、噴淋時長和噴淋間隔對SS-AD過程的影響。結(jié)果表明,固含率為30%時甲烷累積產(chǎn)量為193.6 mL/g VS,而固含率為15%和20%時甲烷累積產(chǎn)量分別為148.9 mL/g VS和133.2 mL/g VS;前兩周噴淋時長為6 min、第三周為3 min、第四周不噴淋的這種噴淋方式(記為(6,3,0))產(chǎn)甲烷效果優(yōu)于(4,2,0)和(2,1,0),各組甲烷累積產(chǎn)量分別為196.5mL/g VS、186.5 mL/g VS和128.9 mL/g VS;噴淋間隔為3 h、6 h和8 h的甲烷累積產(chǎn)量分別為190.1 mL/g VS、188.2 mL/g VS和130.2 mL/g VS。因此,綜合各自試驗結(jié)果及能耗,得到30%固含率、采用(4,2,0)的噴淋方式、噴淋間隔為6 h為此實驗中青貯玉米秸稈較優(yōu)的消化條件。最后,對上述三批固態(tài)厭氧消化實驗所得結(jié)果進行動力學(xué)參數(shù)分析和微生物群落結(jié)構(gòu)分析。動力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果表明,甲烷累積產(chǎn)量與水解速率和乙酸轉(zhuǎn)化系數(shù)成正相關(guān),但乙酸轉(zhuǎn)化系數(shù)若出現(xiàn)異常過大的情況,則體系可能出現(xiàn)酸抑制,從而導(dǎo)致甲烷累積產(chǎn)量降低;此外,乙酸最大利用率與微生物細(xì)胞團衰敗系數(shù)也是控制內(nèi)部反應(yīng)能力的重要參數(shù)。微生物結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明,甲烷桿菌與甲烷八疊球菌是本體系中豐度最高、代謝最旺盛的兩類菌種,隨著厭氧消化過程的進行,大體呈先增加后穩(wěn)定的態(tài)勢;在后期由于噴淋減少甚至不噴淋,雜菌種類倍增,不過總體占比不大,但對體系內(nèi)消化性能有一定影響;微生物菌落豐富度和多樣性都是逐漸增加的,而均勻度是降低的;VFA和pH則是影響不同菌種含量變化的重要環(huán)境因子;在連續(xù)進行三批實驗后,各指數(shù)的變化幅度越來越小,影響因子的影響程度也越來越小。因此,最終得到的滲濾液為動力學(xué)參數(shù)波動變化小,微生物群落豐度、均勻度、多樣性指標(biāo)穩(wěn)定,組間群落、物種、影響因子等差異較小的性能優(yōu)良的消化液。
【圖文】：

圖 1.1 歐洲液態(tài)及固態(tài)厭氧消化技術(shù)的裝機容量變化Fig. 1.1 Evolution of L-AD and SS-AD installed capacities in Europe1.2 SS-AD 技術(shù)1.2.1 技術(shù)簡介固態(tài)厭氧消化技術(shù)作為處理固廢垃圾的重要方法，正越來越受到研究及環(huán)保人員的重視。根據(jù)反應(yīng)器設(shè)計和工藝參數(shù)的不同，SS-AD 一般可按以下方式分類：按工藝連續(xù)性可分為序批式、連續(xù)型和半連續(xù)型；按消化溫度可分為常溫、中溫、高溫消化；按反應(yīng)器類型有升流式固體厭氧反應(yīng)器（USR）、推流式反應(yīng)器（PFR）、車庫式反應(yīng)器等[14-15]。固態(tài)厭氧消化的原料來源較為廣泛，包括農(nóng)作物秸稈、能源植物、高木質(zhì)纖維素類廢棄物、城市生活垃圾、畜禽糞便等，，固含率在 15%以上�？偟膩碚f，固態(tài)厭氧消化周期較長（通常情況高于 28 天），對于木質(zhì)纖維素類廢棄物來說，其固態(tài)厭氧消化甲烷產(chǎn)量較低，一般低于 100L/kgVSadded，并且需要大

預(yù)處理：機械粉碎粒發(fā)酵性能：氣體產(chǎn)量OTU 值、多樣性指玉米秸稈固態(tài)厭氧消化預(yù)處理研究玉米秸稈固態(tài)厭氧消化工藝條件研究玉米秸稈固態(tài)厭氧消化體系微生物代謝研究機械粉碎/青貯/KOH 單一或組合預(yù)處理預(yù)處理前后玉米秸稈組織結(jié)構(gòu)變化考察原料固含率/噴淋時長/噴淋間隔對消化的影響結(jié)合數(shù)學(xué)模型得出部分關(guān)鍵參數(shù)值不同消化條件下微生物結(jié)構(gòu)及組成微生物群落在消化不同階段的變化研究內(nèi)容
【學(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X712;X172

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