通過(guò)對(duì)馬鈴薯莖葉資源量、分布及處理方式的調(diào)查研究得出,2013年中國(guó)馬鈴薯莖葉的產(chǎn)生量為9210.38萬(wàn)t,可收集利用的馬鈴薯莖葉量為7368.31萬(wàn)t,作為新型能源利用的馬鈴薯莖葉資源量有3174.27萬(wàn)t;新型能源化利用資源量超過(guò)100萬(wàn)t的有8個(gè)省(市、自治區(qū)),包括內(nèi)蒙古、四川、貴州、云南、甘肅、重慶、黑龍江、湖北;從新型能源化可獲得量分布密度角度分析,超過(guò)全國(guó)平均水平的有15個(gè)省(市、自治區(qū)),排名前5位的分別是黑龍江9.88 t/hm~2、江西9.24 t/hm~2、吉林8.81 t/hm~2、重慶8.48 t/hm~2、西藏8.45 t/hm~2。結(jié)果表明,中國(guó)馬鈴薯莖葉資源量大,分布集中,多個(gè)省份都適宜推廣馬鈴薯莖葉沼氣化利用技術(shù)。目前馬鈴薯莖葉資源僅有1181.88萬(wàn)t用于燃料化,近2000萬(wàn)t馬鈴薯莖葉資源被廢棄或焚燒,據(jù)2014年FAO統(tǒng)計(jì),中國(guó)因馬鈴薯莖葉產(chǎn)生的CO_2排放量達(dá)到129.47萬(wàn)t,對(duì)農(nóng)業(yè)及社會(huì)生態(tài)環(huán)境造成了巨大破壞,同時(shí)也是生物質(zhì)資源的一種巨大浪費(fèi)。隨著“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”的發(fā)展,將會(huì)產(chǎn)生更多的馬鈴薯莖葉資源,如何提高馬鈴薯莖葉“五料化”利用的研究任務(wù)迫在眉睫,因此本文以馬鈴薯莖葉為研究對(duì)象,系統(tǒng)展開(kāi)了對(duì)其厭氧消化產(chǎn)沼氣特性的研究,主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:(1)馬鈴薯莖葉厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力及其產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)研究。通過(guò)對(duì)馬鈴薯莖葉理化性質(zhì)的分析表明,馬鈴薯莖葉含有大量的有機(jī)質(zhì),其VS/TS為0.87,理論產(chǎn)甲烷量為449.86 mL/gVS。以未脫氣、脫氣和脫氣后經(jīng)馴化的3種不同接種物對(duì)馬鈴薯莖葉產(chǎn)甲烷潛力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,馴化過(guò)的接種物從產(chǎn)沼氣量、產(chǎn)甲烷量及對(duì)馬鈴薯莖葉的生物降解率方面都要優(yōu)于為未經(jīng)過(guò)馴化的接種物,分別提高了26.78%、36.56%和17.62%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,運(yùn)用Modified Gompertz模型和一階動(dòng)力學(xué)模型對(duì)馬鈴薯莖葉厭氧消化過(guò)程進(jìn)行模擬,結(jié)果表明,馬鈴薯莖葉最大產(chǎn)甲烷潛力為214.15 m L/gVS、最大產(chǎn)甲烷速率為40.39 mL·g_(vs)~(-1)d~(-1)、厭氧消化遲滯期為3.44 d。(2)離子液體預(yù)處理對(duì)馬鈴薯莖葉厭氧消化產(chǎn)氣特性的影響。選取離子液體1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽([C_2mim]Ac)、1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([C_4mim]Cl)和助溶劑二甲基亞砜(DMSO)在130℃條件下對(duì)馬鈴薯莖葉預(yù)處理120 mins。結(jié)果表明馬鈴薯莖葉內(nèi)纖維素的高結(jié)晶度三維穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞,使再生纖維素的含量提高17.3%~27.5%,木質(zhì)素含量降低31.8%~43.9%,對(duì)木質(zhì)纖維素的溶解及脫除能力高低依次為:[C_2mim]Ac[C_2mim]Ac/DMSO[C_4mim]Cl/DMSODMSO[C_4mim]Cl,對(duì)馬鈴薯莖葉厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響依次為[C_4mim]Cl/DMSO[C_2mim]Ac/DMSO[C_2mim]Ac[C_4mim]ClDMSO。馬鈴薯莖葉經(jīng)離子液體預(yù)處理后,厭氧消化遲滯期減少了9 d,累積產(chǎn)沼氣量提高了3.2%~76.3%,產(chǎn)甲烷含量提高了14.3%~25.1%,生物降解率提高了8.37%~33.90%。(3)緩沖底物對(duì)馬鈴薯莖葉厭氧消化產(chǎn)氣穩(wěn)定性的影響。選用乙酸銨作為緩沖底物,以HRT 1 d、HRT 3 ds、HRT 5 ds為時(shí)間間隔,以11.25 g/L、22.50 g/L和45.00 g/L為濃度梯度進(jìn)行緩沖底物添加試驗(yàn)。結(jié)果表明,添加緩沖底物可有效提高馬鈴薯莖葉厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)厭氧微生物對(duì)氨氮的耐受程度,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,促進(jìn)系統(tǒng)的產(chǎn)沼氣量及產(chǎn)甲烷含量。HRT 5ds buffer 2.5 g/L處理組的產(chǎn)沼氣效果最佳,累積產(chǎn)沼氣量提高了37.46%,日產(chǎn)沼氣量、NH_4~+-N濃度及pH值的波動(dòng)幅度分別在±60 m L、±0.07 g/L和±0.12之間;產(chǎn)沼氣效果較優(yōu)的試驗(yàn)組包括:HRT 5ds buffer 2.5 g/L、HRT 5ds buffer 1.25 g/L、HRT 3ds buffer 1.5 g/L、HRT 5ds buffer 5 g/L、HRT 3ds buffer 0.75 g/L。雖然添加緩沖底物可明顯提高馬鈴薯莖葉厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)微生物的氨氮耐受程度,但添加濃度及添加間隔時(shí)間不能一成不變,應(yīng)視系統(tǒng)反應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整。(4)馬鈴薯莖葉與玉米秸稈混合厭氧消化工藝參數(shù)優(yōu)化研究。以物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)A、碳氮比B和接種物質(zhì)量分?jǐn)?shù)C為因素,TS產(chǎn)沼氣率為響應(yīng)值,通過(guò)三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)。結(jié)果表明,馬鈴薯莖葉與玉米秸稈混合厭氧消化產(chǎn)TS產(chǎn)氣率回歸模型為Y=538.34-20.37A+23.16C-34.89AB-42.71AC-167.39A~2-93.31B~2-93.04C~2。三個(gè)因素對(duì)TS產(chǎn)氣率的影響依次為CBA,均呈顯著相關(guān);兩兩因素間的交互作用對(duì)TS產(chǎn)沼氣率的影響依次為ACABBC。最優(yōu)工藝條件為:物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.78%、碳氮比為18.76:1、接種物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.84%,TS產(chǎn)氣率為540.98mL/g TS。(5)生物炭介導(dǎo)的馬鈴薯莖葉厭氧消化提質(zhì)增效特性研究。以玉米秸稈為原料,通過(guò)低溫?zé)峤?即在600℃保溫2 h的條件下制備生物炭,比表面積為238.40 m~2/g,平均孔徑為6.30 nm,通過(guò)TGA分析,表明本試驗(yàn)所制備的生物炭具備代表性。生物炭介導(dǎo)馬鈴薯莖葉厭氧消化產(chǎn)氣特性試驗(yàn)以不同生物炭粒徑0.83 mm、0.38 mm、0.25 mm和不同添加量5%、10%、20%為影響因素。結(jié)果表明,生物炭介導(dǎo)的馬鈴薯莖葉顯著提高了厭氧消化的產(chǎn)能,最大日產(chǎn)甲烷量提高了5.16%~56.94%,VS累積產(chǎn)甲烷量提高了1.65%~37.71%,生物降解率提高了1.69%~37.62%,COD去除率提高了3.47%~16.48%。最高日產(chǎn)甲烷量達(dá)到了46.58 m L/gVS,最大VS累積產(chǎn)甲烷量達(dá)到325.14 m L/gVS。不同添加量及不同粒徑的生物炭介導(dǎo)馬鈴薯莖葉厭氧消化產(chǎn)甲烷能力依次為:20%CB6020%CB4020%CB205%CB2010%CB605%CB605%CB4010%CB4010%CB20。運(yùn)用Gompertz模型和一階動(dòng)力學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,得出生物炭介導(dǎo)的馬鈴薯莖葉厭氧消化產(chǎn)甲烷速率提高了62.59%~168.16%,遲滯期縮短了20.16%~96.12%,一階水解速率常數(shù)提高了0.04~0.08 d~(-1)。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：S216.4
【部分圖文】：

中國(guó)農(nóng)業(yè)部正式啟動(dòng)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，將馬鈴薯發(fā)展為繼后第四大主糧，令主食品種更加多樣化、營(yíng)養(yǎng)更加多元化（李文娟等 2 月，中國(guó)農(nóng)業(yè)部正式頒發(fā)農(nóng)農(nóng)發(fā)[2016]1 號(hào)文件《農(nóng)業(yè)部關(guān)于推進(jìn)馬導(dǎo)意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》），《意見(jiàn)》指出為貫徹落實(shí)中央 1 號(hào)文件家糧食安全戰(zhàn)略部署，推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，牢固樹(shù)立“營(yíng)養(yǎng)指生產(chǎn)”的理念，充分認(rèn)識(shí)加快馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)具有重要意義�！兑庖�(jiàn)》產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)，到 2020 年，馬鈴薯種植面積擴(kuò)大到 1 億畝以上，平均畝總產(chǎn)達(dá)到 1.3 億 t 左右；優(yōu)質(zhì)脫毒種薯普及率達(dá)到 45%，適宜主食加達(dá)到 30%，主食消費(fèi)占馬鈴薯總消費(fèi)量的 30%。國(guó)外馬鈴薯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FoodandAgricultureOrganizationoftheUnitedNation，在全世界 5 大洲有 158 個(gè)國(guó)家和地區(qū)種植馬鈴薯，其分布情況如圖 1植和生產(chǎn)區(qū)主要集中在歐洲和亞洲的“三區(qū)兩帶”，即高山地區(qū)、低地大主產(chǎn)區(qū)，23o～34oN、44o～58oN 兩個(gè)緯度帶，占世界種植面積 70%14）。

馬鈴薯莖葉厭氧消化特性與工藝優(yōu)化研究12于平穩(wěn)、緩慢上升的態(tài)勢(shì)，但世界馬鈴薯生產(chǎn)重心開(kāi)始由西向東、由發(fā)達(dá)國(guó)家向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移（劉洋等 2014）。1960～1980 年，歐洲的馬鈴薯種植面積和產(chǎn)量均占全球的 60%以上，但隨著亞洲馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，到 2014 年，歐洲馬鈴薯種植面積份額在全球總量中占不到 30%（與中國(guó)種植面積相當(dāng) 29.57%），而亞洲種植面積所占份額從 1961年的 10.60%躍升至 2014 年的 52.01%。從產(chǎn)量上看，歐洲從 1961 年的 2.22 億 t 降至 2014 年的 1.25 億 t，所占份額從 81.99%降至 32.63%；而亞洲則從最初的 0.23 億 t 增長(zhǎng)至 2014 年的 1.87 億 t，所占份額從 8.63%增至 48.96%，成為世界最大的馬鈴薯生產(chǎn)區(qū)。(a)(b)

馬鈴薯莖葉厭氧消化特性與工藝優(yōu)化研究。介導(dǎo)馬鈴薯莖葉厭氧消化提質(zhì)增效特性研究獨(dú)特的原料特性，導(dǎo)致了其厭氧消化產(chǎn)沼氣效能偏低，同時(shí)穩(wěn)定，為了能系統(tǒng)、便捷地解決此問(wèn)題，本研究選擇以生物不同添加量的生物炭介導(dǎo)，研究其對(duì)馬鈴薯莖葉厭氧消化提路線技術(shù)路線如圖 1-4 所示。

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1 薄芯,李京霞;馬鈴薯莖線蟲(chóng)的無(wú)公害防治初探[J];北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年04期

2 吳力斌;;第五屆國(guó)際厭氧消化(沼氣)討論會(huì)簡(jiǎn)訊[J];中國(guó)能源;1989年01期

3 傅國(guó)志;李秀金;袁海榮;馬淑R

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