【摘要】：中國每年都會產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物,在品種龐雜的農(nóng)業(yè)廢棄物中,富含糖類聚合物的玉米秸稈的年產(chǎn)量占到總數(shù)的30%左右。將玉米秸稈轉(zhuǎn)化為可用資源正受到越來越多的關(guān)注,其中厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈向清潔能源轉(zhuǎn)換的重要方法之一~([1])。在玉米秸稈厭氧發(fā)酵的過程中,厭氧微生物活動所需的碳源主要由纖維素和半纖維素提供。但是這類富含碳水化合物的糖類物質(zhì)被秸稈中的木質(zhì)素緊密包圍,阻礙了微生物的利用。目前已經(jīng)有許多研究證明了木質(zhì)素在有氧情況下的降解效果更好,因此采用好氧水解的方式對玉米秸稈進行處理可以有效破壞底物的結(jié)構(gòu),從而提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能。另外,好氧水解處理技術(shù)所具備的低能耗和無污染的特點也使得這種處理方式更為優(yōu)異~([2-3])。為了進一步探明玉米秸稈在好氧水解過程中不同影響因素對物質(zhì)轉(zhuǎn)換及產(chǎn)氣情況的影響,通過試驗對玉米秸稈好氧水解的時間、底物濃度和曝氣時間間隔三個因素進行分析。得到的主要結(jié)論如下。(1)木質(zhì)纖維素的降解率經(jīng)好氧水解后有明顯提高,好氧水解24 h后木質(zhì)素、纖維素和半纖維素分別降解了8.02%,25.73%和28.80%。揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的累積速率在水解16 h后開始大幅減緩,好氧水解16 h時乙酸的累積濃度達到223.16 mmol/L,且經(jīng)水解16h的玉米秸稈產(chǎn)氣性能表現(xiàn)最好,累計揮發(fā)性固體(VS)產(chǎn)甲烷率和VS降解率較對照組分別提高了21.33%和3.97%。好氧水解處理可以有效提高底物的厭氧發(fā)酵性能,且16 h左右為合適的水解時間。(2)一定范圍內(nèi)提高好氧水解底物濃度可以促進底物的降解效率,同時提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能。好氧水解濃度為10%的試驗組表現(xiàn)較好,該組木質(zhì)素、纖維素和半纖維素在好氧水解16h后的降解率分別為8.53%、22.74%和27.82%。從酸化情況來看,乙酸和丁酸是好氧水解過程中VFAs的主要組成成分,兩者的和在各組中均占到總VFAs含量的70%以上。10%濃度的產(chǎn)氣性能相較于其它濃度也較好,原料中總固體(TS)和VS產(chǎn)甲烷率分別為209.18mL/g和251.01 mL/g。(3)不同曝氣時間間隔對玉米秸稈的木質(zhì)纖維素降解情況會產(chǎn)生較大的影響。曝氣間隔在4 h以內(nèi)兩組的木質(zhì)纖維素的降解情況較好,水解24 h后兩組的木質(zhì)素降解率都可以達到9%以上,半纖維素降解率可達到28%以上。水解結(jié)束時,各組的纖維素降解率在27.97~16.2%的范圍內(nèi)。從產(chǎn)氣情況來看,好氧水解組的產(chǎn)氣情況均優(yōu)于單相厭氧對照組。曝氣間隔4 h組的產(chǎn)氣性能最好,TS、VS產(chǎn)甲烷率分別為215.87 mL/g和259.05 mL/g,較對照組提高了30.37%。從產(chǎn)氣性能和節(jié)能的角度來看,將曝氣間隔時間控制在4 h左右較為合適。(4)通過響應(yīng)曲面法得到的多元二次回歸方程對本研究的擬合情況較好。最優(yōu)玉米秸稈好氧水解參數(shù)為水解時間17.33 h,底物濃度10.47%,間隔曝氣時間為2.88 h,該條件下累積甲烷產(chǎn)量預(yù)測值為15.91 L,VS產(chǎn)甲烷率為256.61 mL/g。好氧水解底物濃度在三個因素中對累積甲烷產(chǎn)量影響最大。試驗值同模型預(yù)測值較為接近,響應(yīng)曲面法對于好氧水解后玉米秸稈的厭氧發(fā)酵研究具有一定的可靠性。
【圖文】：

1.1.1 研究意義能源是人類生活質(zhì)量保障的基礎(chǔ)，更是社會發(fā)展的根本，它的這些重要性使其一直受到全世界的密切關(guān)注。從圖1-1的能源消費比例中可以看出化石燃料一直是人類所需能源的主要提供者。但是能源不可再生的特點導(dǎo)致其儲量逐漸減少，漸漸不能滿足人類日益增長的需求[4]。雖然隨著勘探技術(shù)的革新，化石燃料近年已探明的產(chǎn)量在逐漸增長，但據(jù)相關(guān)的研究者們粗略估計，地球上已探明的靜態(tài)石油還可供人類開采40-50年、天然氣64年、煤炭226年，預(yù)計石油和煤炭可供人類再使用160-200年[5]。也就是說，如果不能盡快找到可以替代一次能源的新型能源，那么人類將很快面臨能源枯竭的可怕前景。目前，可以用作替代品的可再生能源的研究正受到世界各國研究學(xué)者們的矚目。圖 1-1 世界能源消費結(jié)構(gòu)圖Fig. 1-1 World energy consumption structure隨著社會的進步，對能源的消耗也在不斷地變多，自新中國成立以來，中國能耗的增長速率已經(jīng)達到了年均8.25%。據(jù)BP2017全球能源報告統(tǒng)計

圖 1-2 2016 年世界石油儲量分布圖Fig. 1-2 World oil reserve distribution in 2016生物質(zhì)能源在世界一次能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中占比10%左右，是在原有能源結(jié)構(gòu)：石油、煤天然氣后出現(xiàn)的一種新型重要能源[9]。在可再生能源的供能量中占比75%[10]。生物質(zhì)能來源是儲存于生物體內(nèi)的太陽能，通過生物或化學(xué)的方法對生物質(zhì)原料進行處理，進而為可被直接利用的清潔能源[11-12]。生物質(zhì)原料的種類復(fù)雜多樣，農(nóng)作物秸稈、畜牧廢棄物市有機廢物、能源作物等都可以作為生物質(zhì)能的原料。這對于地域遼闊，，生物質(zhì)資源豐中國來說，選擇生物質(zhì)能源進行開發(fā)和研究是最為符合我國國情的[13]。目前世界上對生能的研究主要集中于沼氣、燃料乙醇和生物柴油這三種高品位能源的轉(zhuǎn)化。其中沼氣作種高熱值的氣體，在用于傳統(tǒng)薪柴、燃煤等廚房燃料的替代上有巨大的優(yōu)勢，表1-1的數(shù)示出使用沼氣作為廚房能源的用戶的室內(nèi)環(huán)境明顯要優(yōu)于燃煤用戶[14]。而且目前沼氣發(fā)術(shù)的研究也已經(jīng)比較成熟，對于緩解農(nóng)村的能源短缺有重要的意義。表1-1 沼氣用戶和燃煤用戶的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量比較 單位：kg/mTable 1-1 Comparison of indoor environment quality of biogas users and coal-fired users項目 CO SO2CO2總懸浮顆粒物沼氣用戶 2.138 0.116 0.057 0.238
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S216.4

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2680355