【摘要】：當(dāng)今世界對化石燃料的過度依賴和消耗對環(huán)境造成了極大的負(fù)面影響，導(dǎo)致人類健康風(fēng)險(xiǎn)和全球氣候變化威脅的增加。因此，有必要發(fā)展替代能源和可再生能源（renewableenergy）。以厭氧消化（anaerobic digestion）制取沼氣，因其技術(shù)簡單、原材料來源廣泛及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，日漸成為主要的生物質(zhì)能利用方式。在過去的二十多年中，厭氧消化已經(jīng)作為一種有效的生物技術(shù)手段被廣泛用來解決能源短缺及緩解化石燃料造成的環(huán)境污染。 本研究以羊糞為主要研究對象，首先通過在不同溫度條件下對羊糞、牛糞、豬糞和雞糞分別進(jìn)行單一原料厭氧消化，比較了羊糞同其他糞便產(chǎn)氣效率的差異；其次，研究了不同總固體濃度與羊糞單一厭氧消化之間的關(guān)系、羊糞秸稈不同混合比例進(jìn)行厭氧消化對提高沼氣產(chǎn)量的作用，以及高效厭氧消化的最佳比例；最后，為進(jìn)一步提高混合發(fā)酵的效率，研究了三種外源添加劑對羊糞厭氧發(fā)酵的促進(jìn)作用。同時，對羊糞沼氣化發(fā)展?jié)摿M(jìn)行了評價(jià)，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。 本研究主要取得的研究成果如下： 1、以羊糞為主要研究對象，通過比較羊糞與牛糞、豬糞和雞糞在低溫（20°C）、中溫（35°C）和高溫（50°C）3種件條下的厭氧消化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在30d的消化周期中不同溫度下各發(fā)酵組產(chǎn)氣情況均表現(xiàn)為牛糞羊糞雞糞豬糞，3個不同溫度處理之間的產(chǎn)氣情況表現(xiàn)為35°C50°C20°C。羊糞厭氧消化產(chǎn)氣效果顯著高于豬糞和雞糞，但略低于牛糞。該結(jié)果表明，羊糞比較適合用于厭氧消化的底物進(jìn)行沼氣生產(chǎn)。 2、通過對不同總固體濃度（4%、6%、8%、10%和12%）與羊糞單一厭氧消化之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明在總固體濃度為8%時，累積產(chǎn)氣量可達(dá)最大；當(dāng)總固體濃度為4%時，發(fā)酵過程中產(chǎn)氣高峰來的較早，這是由于總固體濃度較低，底物容易降解，產(chǎn)氣量受底物總量的限制，較早的結(jié)束發(fā)酵；5種總固體濃度產(chǎn)氣量表現(xiàn)為：8%10%6%12%4%。通過回歸方程擬合，獲得最優(yōu)發(fā)酵組合，當(dāng)初始TS濃度為8.27%時，可達(dá)到最大累積產(chǎn)氣量5531.18mL。該結(jié)果可為進(jìn)一步優(yōu)化羊糞厭氧發(fā)酵工藝提供理論依據(jù)。 3、利用羊糞分別與小麥、玉米和水稻的秸稈進(jìn)行不同混合配比（10:90、30:70、50:50、70:30和90:10，m: m）厭氧消化，結(jié)果表明在35°C條件下，混合發(fā)酵方式不僅可以有效延長產(chǎn)氣周期至55d，而且克服了單一原料發(fā)酵時C/N比的不平衡，對提高沼氣產(chǎn)量是行之有效的。通過方差分析確定，最佳的混合配比分別為GM/CS30:70，GM/CS70:30，GM/RS30:70和GM/RS50:50。然而，羊糞與麥稈混合發(fā)酵并未引起沼氣產(chǎn)量的顯著提高，造成該現(xiàn)象的主要原因是小麥秸稈中碳含量較高而氮含量不足，過高的C/N比造成發(fā)酵體系pH偏低，抑制微生物生長和甲烷生產(chǎn)。本研究同時表明，pH和VFA密切相關(guān)，隨著消化系統(tǒng)內(nèi)VFA的大量積累造成pH值下降，從而抑制發(fā)酵底物的水解率。 4、選擇磷酸二銨、蓬灰和斑脫土作為外源添加劑，研究其對羊糞厭氧消化的促進(jìn)作用。分別向消化體系中添加1g/L、4g/L和7g/L的磷酸二銨、蓬灰以及斑脫土，證明了外源添加劑對羊糞秸稈混合配比厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量有促進(jìn)作用。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，三種外源添加劑均為堿性，對厭氧消化底物產(chǎn)氣都有不同程度的提高，從甲烷含量增幅來看，磷酸二銨在濃度為4g/L時對沼氣產(chǎn)量的促進(jìn)作用最為明顯，濃度達(dá)到7g/L時，產(chǎn)氣量下降，因?yàn)榱姿岫@雖屬堿性，但是濃度過高容易產(chǎn)生氨抑制，從而影響沼氣產(chǎn)量；蓬灰和斑脫土均在濃度為4g/L和7g/L有較大的提高，表明二者在濃度為4g/L時即可達(dá)到對發(fā)酵較好的促進(jìn)作用。 5、通過對我國羊糞資源的估算統(tǒng)計(jì)，可以看到我國羊糞沼氣化潛力巨大，每年理論沼氣總產(chǎn)量可達(dá)1.29×1010m3，相當(dāng)于921萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，理論CO2減排量高達(dá)1.22×107t，SO2減排量達(dá)1.23×105t，環(huán)境效益明顯。通過對羊糞資源的區(qū)域分布進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)西北牧區(qū)是羊糞資源的主要集中區(qū)域，尤其是內(nèi)蒙古和新疆2個省區(qū)的羊糞沼氣化潛力占我國羊糞總產(chǎn)氣潛力的30%以上，分別達(dá)到2.33×109m3和1.59×109m3。然而由于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝的限制、羊糞資源豐富地區(qū)的復(fù)雜氣候環(huán)境及沼氣發(fā)展積極性缺乏等因素導(dǎo)致我國目前的羊糞沼氣化水平不高。在分析相關(guān)制約因素的同時，提出了合理布局、加大投入、改進(jìn)設(shè)備等相應(yīng)對策，以期為進(jìn)一步提高我國的羊糞沼氣化生產(chǎn)水平提供指導(dǎo)和依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S216.4
【圖文】：

精等）、轉(zhuǎn)化為沼氣（biogas）等。其中以厭氧消化（anaerobic digestion）方的利用方式因其技術(shù)簡單、原材料來源廣泛及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，日漸成為主能利用方式（Rao et al. 2010）。在過去的二十多年中，厭氧消化已經(jīng)作為一物技術(shù)手段被廣泛使用來解決能源短缺及緩解化石燃料造成的環(huán)境污染（M011; Weiland 2010）。

牛糞、雞糞以及豬糞為發(fā)酵底物，分別在 20 °C、35 °C、50 °C 下進(jìn)行單一厭氧消化，試驗(yàn)通過使用自主設(shè)計(jì)的厭氧發(fā)酵模式，在1000 mL錐形瓶內(nèi)進(jìn)行厭氧消化（見第2章）。其中包括 560 g 厭氧消化底物及 140 g 接種物。每組試驗(yàn)重復(fù) 3 次。發(fā)酵啟動后，保證每天至少輕輕晃動發(fā)酵瓶 1 次，以使沼液與發(fā)酵底物充分混勻接觸。發(fā)酵周期持續(xù) 30 d。3.3 結(jié)果與分析3.3.1 20 °C 時各消化組產(chǎn)氣速率不同消化底物產(chǎn)甲烷量如圖 3-1 所示。在 20 °C 發(fā)酵狀態(tài)下，牛糞在發(fā)酵第 12 d 出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，最大產(chǎn)甲烷量是 410 mL/d；豬糞在發(fā)酵中出現(xiàn) 2 個小高峰，最大產(chǎn)甲烷量是 175 mL/d 和 285 mL/d。分別在發(fā)酵的第 8 d 和第 21 d；羊糞的最大產(chǎn)甲烷量為 370mL/d，出現(xiàn)在第 19 d；雞糞最大產(chǎn)甲烷量在第 12 d，為 290 mL/d。厭氧消化剛啟動時，產(chǎn)甲烷量較低，這是由于消化初期為產(chǎn)酸階段，甲烷菌含量較少，抑制發(fā)酵。

圖 3-2 35 °C 下 4 種糞便的產(chǎn)氣速率Fig. 3-2 Biogas production rates of 4 manure under 35 °C condition.3.3.3 50 °C 時各消化組產(chǎn)氣速率不同消化底物產(chǎn)甲烷量如圖 3-3 所示。在 50 °C 發(fā)酵狀態(tài)下，以牛糞和雞糞為發(fā)酵底物，均在第 14 d 出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，分別是 445 mL/d 和 320 mL/d；以豬糞為消化原料，分別在發(fā)酵進(jìn)行到第 2 d 和第 14 d 時出現(xiàn)產(chǎn)氣峰值（分別為 237 mL/d 和 245 mL/d）。而以羊糞為底物進(jìn)行厭氧消化，在第 12 d 到達(dá)發(fā)酵高峰，為 430mL，之后發(fā)酵狀態(tài)呈下降趨勢，直至反應(yīng)結(jié)束。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2778551