發(fā)布時(shí)間：2020-04-01 14:29

【摘要】：我國農(nóng)作物秸稈資源富足,有效利用秸稈等生物質(zhì)能源,通過固態(tài)厭氧發(fā)酵技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為沼氣及有機(jī)副產(chǎn)物是秸稈能源化利用中的一項(xiàng)重要途徑。因此,本文以玉米秸稈為原料,分別對(duì)其進(jìn)行沼液預(yù)處理、組合堿預(yù)處理和白腐菌預(yù)處理,控制各自的預(yù)處理時(shí)間和溫度。測(cè)定玉米秸稈在預(yù)處理前后纖維組分含量,同時(shí)采用掃描電鏡、傅里葉紅外光譜儀和X射線衍射儀對(duì)玉米秸稈纖維組分結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行測(cè)定,通過與未經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈相比較,明確不同預(yù)處理對(duì)玉米秸稈纖維組分及特性的影響。然后將預(yù)處理后的玉米秸稈作為發(fā)酵底物,分別在常溫(恒定環(huán)境溫度)、中溫(37℃)和高溫(53℃)發(fā)酵條件下進(jìn)行固態(tài)厭氧發(fā)酵試驗(yàn),測(cè)定發(fā)酵期間發(fā)酵基質(zhì)的TS/VS降解率、日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量、VS產(chǎn)氣量、消化時(shí)間及發(fā)酵基質(zhì)的pH值和發(fā)酵前后秸稈的纖維組分含量,同時(shí)測(cè)定發(fā)酵周期內(nèi)料液中耗氫甲烷菌和耗乙酸甲烷菌的數(shù)量,對(duì)比各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo),探討不同預(yù)處理方案對(duì)玉米秸稈固態(tài)厭氧發(fā)酵的影響機(jī)制。所取得的主要結(jié)論如下：(1)玉米秸稈經(jīng)不同方式預(yù)處理后,其纖維組分含量、VS含量呈現(xiàn)不同幅度的降低趨勢(shì)。其中組合堿處理的秸稈中纖維組分含量改變程度最大,纖維素含量降低了8.08%,半纖維素含量降低了10.65%,木質(zhì)素含量降低了16.79%,其次白腐菌預(yù)處理和沼液預(yù)處理；其中經(jīng)白腐菌預(yù)處理后VS降解率最高,可達(dá)7.6%,其次是組合堿預(yù)處理和沼液預(yù)處理,VS降解率分別為6.2%和5.7%。(2)掃描電鏡結(jié)果顯示,沼液預(yù)處理只是對(duì)玉米秸稈纖維表面產(chǎn)生破壞,破壞程度較小,組合堿預(yù)處理對(duì)秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較大的破壞；傅里葉紅外光譜結(jié)果顯示,經(jīng)過不同方式預(yù)處理的玉米秸稈中纖維素結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的破壞,1365 cm-1處來自于木質(zhì)素中C—H彎曲振動(dòng)信號(hào)峰在組合堿處理過程中消失,說明秸稈在組合堿液作用下,木質(zhì)素結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞；X射線衍射結(jié)果顯示,經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈中纖維素的無定型區(qū)比例升高,纖維素的部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞、結(jié)晶度下降,說明預(yù)處理有助于提高纖維素的水解效率,為更高效、合理調(diào)控秸稈沼氣工程預(yù)處理階段奠定基礎(chǔ)。(3)經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈TS與VS降解率均高于未經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈。常溫發(fā)酵中,經(jīng)沼液預(yù)處理的玉米秸稈TS與VS降解率最高,分別是45.36%與44.12%,中溫和高溫發(fā)酵中經(jīng)組合堿預(yù)處理的玉米秸稈TS與VS降解率最高,分別是52.14%、49.15%和54.13%、52.01%。同時(shí)不同發(fā)酵溫度條件下,經(jīng)組合堿預(yù)處理的秸稈的纖維素降解率最高,分別是56.3%、58.8%和54.36%。說明組合堿預(yù)處理比其他兩種預(yù)處理方案更顯著地改變了秸稈中纖維素的含量,提高了纖維素的水解率,有助于提高玉米秸稈中有機(jī)物質(zhì)的厭氧消化能力,從而提高沼氣產(chǎn)量。同時(shí)在不同發(fā)酵溫度條件下發(fā)酵料液的pH值變化趨勢(shì)大體相同,經(jīng)不同預(yù)處理后的玉米秸稈進(jìn)行固態(tài)厭氧發(fā)酵,其發(fā)酵基質(zhì)中pH值的變化趨勢(shì)也大體相同。(4)玉米秸稈經(jīng)不同預(yù)處理后均能不同幅度的提高其自身厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率和總產(chǎn)氣量,縮短秸稈的消化啟動(dòng)時(shí)間,提高秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣能力。常溫發(fā)酵條件下,經(jīng)沼液預(yù)處理的秸稈累積產(chǎn)氣量和VS產(chǎn)氣量最高,分別是8157mL和158.63mL/gVS；中溫發(fā)酵條件下,經(jīng)組合堿預(yù)處理的秸稈累積產(chǎn)氣量和VS產(chǎn)氣量最高,分別是24924mL和363.64mL/gVS；高溫發(fā)酵條件下,經(jīng)組合堿預(yù)處理的秸稈累積產(chǎn)氣量和VS產(chǎn)氣量最高,分別是23043mL和338.82mL/gVS。(5)在發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)期,與未經(jīng)過預(yù)處理的秸稈相比較,經(jīng)過預(yù)處理的秸稈的發(fā)酵基質(zhì)中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量存在明顯優(yōu)勢(shì),代謝、增殖活躍。發(fā)酵過程中耗氫甲烷菌整體的數(shù)量變化趨勢(shì)呈現(xiàn)為發(fā)酵啟動(dòng)期(0-10d)先緩慢上升,在發(fā)酵盛產(chǎn)期的前期(10-20d)加快上升,并發(fā)酵生產(chǎn)期熒光面積達(dá)到最大值,而后隨發(fā)酵時(shí)間的延長而下降。(6)發(fā)酵過程中耗乙酸甲烷菌與耗氫甲烷菌適應(yīng)發(fā)酵體系中氧化還原電位的能力不同,表現(xiàn)為在發(fā)酵啟動(dòng)期(0-10d)數(shù)量明顯增高,且熒光面積均大于耗氫甲烷菌,高溫條件下,經(jīng)組合堿預(yù)處理的發(fā)酵基質(zhì)中耗乙酸甲烷菌的數(shù)量由發(fā)酵第0d的0.96×104像素/mL快速上升到發(fā)酵第10d的5.36×104像素／mL,,然后隨著發(fā)酵時(shí)間的延長,呈現(xiàn)降低趨勢(shì),并在發(fā)酵盛產(chǎn)期末期有小幅度回升而后下降直至發(fā)酵終止。
【學(xué)位授予單位】：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S216.4

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