【摘要】：農(nóng)業(yè)木質(zhì)纖維生物質(zhì)是世界上豐富的可再生能源資源。然而,與其他畜禽糞便處理技術(shù)相比,木質(zhì)纖維生物質(zhì)的厭氧發(fā)酵處理技術(shù)尚不十分成熟,這是由于其中木質(zhì)素和纖維素的存在,使得其厭氧發(fā)酵性較差。人們?cè)噲D通過各種預(yù)處理方法縮小這兩種原料處理技術(shù)的差距,但是商業(yè)化規(guī)模的工廠仍然不愿意使用木質(zhì)纖維生物質(zhì)作為厭氧發(fā)酵的原料。本研究對(duì)木質(zhì)纖維生物質(zhì)提出5種不同的預(yù)處理方法,以減小其作為厭氧發(fā)酵原料使用的障礙。此外,在工業(yè)化規(guī)模處理家禽糞便厭氧發(fā)酵時(shí),現(xiàn)有技術(shù)和文獻(xiàn)中也缺少對(duì)最佳碳氮比C/N(混合比)和有機(jī)負(fù)載率OLR(每日進(jìn)料濃度)優(yōu)化問題的探討。因此,本研究將預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于玉米秸稈和小麥秸稈,結(jié)果發(fā)現(xiàn):堿性增溶和氧化裂解預(yù)處理對(duì)于提高玉米和小麥秸稈厭氧發(fā)酵率最可行、效果良好。效果評(píng)價(jià)表明:預(yù)處理后持續(xù)降低的C/N比占主導(dǎo)地位,因此,預(yù)處理能夠顯著提高纖維生物質(zhì)的甲烷產(chǎn)量。此外,本研究在常溫條件下對(duì)雞糞、鵝糞、玉米和小麥秸稈進(jìn)行了批次式(Batch)和半連續(xù)式(CSTR,Semi-continuous Stirring Tank Reactor)聯(lián)合發(fā)酵實(shí)驗(yàn),提出了商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的C/N和OLR優(yōu)化回歸模型。在CSTR實(shí)驗(yàn)中,采用3種不同的OLD,分別為1.5 g·(L·d)-1·VS,3.0g·(L·d)-1·VS和4.5 g·(L·d)-1·VS,稱為狀態(tài) Ⅰ、狀態(tài) Ⅱ 和狀態(tài)Ⅲ。多次實(shí)驗(yàn)表明:在商業(yè)化規(guī)模的雞糞厭氧發(fā)酵中,由于OLR未知,因此存在氨抑制,而雞糞、鵝糞和小麥秸稈的聯(lián)合發(fā)酵可以顯著降低氨抑制作用。為了闡明實(shí)驗(yàn)中甲烷產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)理,采用1階動(dòng)力學(xué)模型、傳遞函數(shù)模型、圓錐模型和改進(jìn)的Gompertz模型,對(duì)雞糞、鵝糞和預(yù)處理小麥秸稈聯(lián)合發(fā)酵的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明:改進(jìn)的Gompertz模型對(duì)于進(jìn)一步解釋動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)的適應(yīng)性和可靠性最好,動(dòng)力學(xué)分析和協(xié)同效應(yīng)評(píng)估證明了聯(lián)合發(fā)酵在提高甲烷產(chǎn)量中的作用。此外,實(shí)驗(yàn)中對(duì)于整個(gè)聯(lián)合發(fā)酵過程的一些生物化學(xué)指標(biāo),包括:總揮發(fā)性脂肪酸TVFA、乙醇產(chǎn)生模式、pH、可溶性化學(xué)需氧量COD、總氨氮TAN和游離氨FAN等也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。1.本研究中,采用熱化學(xué)預(yù)處理(H2O2,Ca(OH)2,NaOH),ARP(氨可回收滲濾)和LA(液氨)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行處理,并通過其與厭氧活性污泥聯(lián)合發(fā)酵評(píng)價(jià)玉米秸稈的甲烷生產(chǎn)潛力。所有預(yù)處理以兩水平的濃度進(jìn)行,發(fā)現(xiàn)其能夠顯著提高木質(zhì)纖維素的消化率和甲烷產(chǎn)量(P0.05)。結(jié)果表明:用H2O2-1、H2O2-2和NaOH-2預(yù)處理玉米秸稈的甲烷產(chǎn)量分別為293.52、310.50和279.42 ml/g.VS,分別比未處理玉米秸稈高57.18%、66.27%和49.63%。在過去的研究中,預(yù)處理時(shí)間是以天數(shù)計(jì),本研究已將其減少至約1小時(shí)。H2O2-2和NaOH-2預(yù)處理顯著提高了木質(zhì)纖維素降解率,降解程度分別高達(dá)45%和42%。與未處理的玉米秸稈相比,ARP-2預(yù)處理效果最佳,其木聚糖、木質(zhì)素去除率及降低 C/N 分別為 50.69%、44.15%和 57.52%。2.在4種配比水平下將玉米秸稈CS和鵝糞GM聯(lián)合厭氧發(fā)酵,玉米秸稈通過預(yù)處理提高其木質(zhì)纖維素消化率。測(cè)定了 NaOH預(yù)處理對(duì)于玉米秸稈化學(xué)組成的影響,與對(duì)照組相比,所有配比水平的甲烷產(chǎn)量顯著提高(P0.05)。處理C2(0.6CS:0.4GM)、C3(0.4CS:0.6GM)和C4(0.2CS:0.8GM)的累積甲烷產(chǎn)量分別比對(duì)照組提高86.1%、92.1%和83.1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):C/N為20-30對(duì)于提高甲烷產(chǎn)量效果最佳,且各處理間的差異性最小(Asynchronism Minimization)。此外,還進(jìn)行了鵝糞和小麥秸稈C/N和OLR優(yōu)化。批次實(shí)驗(yàn)中,C/N為20-30甲烷產(chǎn)量最高;而對(duì)于CSTR,狀態(tài)Ⅱ采用的OLR(3.0 g·(L·d)-1·VS)效果最佳,在反應(yīng)器B中,C/N為25時(shí)最大甲烷產(chǎn)出能力為254.65 ml/g.VS。C/N和OLR優(yōu)化回歸模型為商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用提供了參考。3.本研究采用熱H2O2預(yù)處理小麥秸稈、雞糞與活性污泥聯(lián)合發(fā)酵,在4個(gè)不同C/N(35:1,30:1,25:1和20:1)水平下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在小麥秸稈和雞糞厭氧發(fā)酵過程中,所有C/N組分都顯著提高了甲烷產(chǎn)量和發(fā)酵過程穩(wěn)定性(P0.05)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:C/N為20:1時(shí)效果最佳,與未處理小麥秸稈相比,甲烷產(chǎn)量提高了 85.11%,COD去除率為48.55%,VS去除率為66.83%。C/N為25:1、30:1和35:1等其他水平時(shí),與對(duì)照組相比,甲烷產(chǎn)量分別提高75.85%、63.04%和59.96%。小麥秸稈預(yù)處理可使其C/N降低65%。本研究的另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在半連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CSTR)中,對(duì)雞糞和預(yù)處理小麥秸稈進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵。反應(yīng)器B中狀態(tài)Ⅲ(C/N=20)效果最佳,其甲烷產(chǎn)量為296.90ml/g.VS,VS去除率為68.19%,COD去除率為59.87%。對(duì)小麥秸稈進(jìn)行氧化裂解預(yù)處理后,大大提高了其厭氧發(fā)酵率。為闡明實(shí)驗(yàn)中甲烷產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)理,對(duì)每一種實(shí)驗(yàn)狀態(tài),采用Gompertz模型解釋其累計(jì)甲烷產(chǎn)量曲線。4.本研究還探討了加熱及超聲波預(yù)處理對(duì)鵝糞厭氧發(fā)酵的影響。在6個(gè)半連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CSTR)中,以 3 種不同的 OLR(1.4 g·(L·d)-1·VS,2.9 g·(L·d)-1·VS 和 4.4 g·(L·d)-1·VS,分別稱為狀態(tài)1、狀態(tài)2和狀態(tài)3)、以及5個(gè)不同的超聲波(28 kHz)預(yù)處理時(shí)間(25、45、60、90和120 min),優(yōu)化鵝糞的厭氧發(fā)酵過程以提高甲烷產(chǎn)量。實(shí)驗(yàn)表明:狀態(tài)2效果最佳,甲烷產(chǎn)量、COD去除率及VS去除率最高。由于加熱、超聲波預(yù)處理及OLR調(diào)控,反應(yīng)器C在狀態(tài)2實(shí)驗(yàn)條件下,其甲烷產(chǎn)量增加40.76%。本研究還進(jìn)行了雞糞、鵝糞和氧化裂解小麥秸稈聯(lián)合發(fā)酵實(shí)驗(yàn),其基本目的是減少雞糞中的氨。結(jié)果表明:反應(yīng)器B中狀態(tài)Ⅱ(C/N=25,3.0 g·(L·d)-1·VS)效果最佳,甲烷產(chǎn)量達(dá)260.14 ml/g.VS,VS及COD去除率分別為63.90%及56.76%。
【圖文】：

ｔｈｅｍｉｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍ邋ｓｔｏｖｅｒ；邋（Ｄ，邋Ｅ）邋ａｆｔｅｒ邋ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍ邋ｓｔｏｖｅｒ邋ｔｏ逡逑ｅｖａｌｕａｔｅ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ邋ａｎａｌｙｓｉｓ逡逑圖２．２：邐（Ａ，邋Ｂ）用于預(yù)處理玉米秸稈的制備；（Ｃ）用于玉米秸桿熱化學(xué)逡逑預(yù)處理的高壓器；（Ｄ，邋Ｅ）玉米秸稈預(yù)處理后的組份分析逡逑２．４．２邋Ｂａｔｃｈ邋ａｎａｅｒｏｂｉｃ邋ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ逡逑Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋ｓｃａｌｅ邋１Ｌ邋ｂａｔｃｈ邋ａｎａｅｒｏｂｉｃ邋ｄｉｇｅｓｔｅｒｓ邋ｗｅｒｅ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｌａｂ邋ｗｉｔｈ邋８００邋ｉｎｉ邋ｏｆ逡逑ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｖｏｌｕｍｅ．邋Ｅａｃｈ邋ｄｉｇｅｓｔｅｒ邋ｃｏｎｔａｉｎｅｄ邋ｔｗｏ邋ｐｏｒｔｓ；邋ｏｎｅ邋ｐｏｒｔ邋ｆｏｒ邋ｓｌｕｄｇｅ邋ｓａｍｐｌｅ邋ｗｉｔｈｄｒａｗａｌ邋ｔｏ逡逑ａｎａｌｙｚｅ邋ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｌｉｋｅ邋ｐＨ

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【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S216.4
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本文編號(hào)：2684924