【摘要】：能源是人類和經濟社會發(fā)展的重要物質基礎。傳統(tǒng)石化能源的持續(xù)消費給環(huán)境帶來很大的負面效應。面對儲量有限的傳統(tǒng)能源和日益嚴峻的環(huán)境問題,開發(fā)利用可再生能源,提升厭氧發(fā)酵效率已經成為了當前厭氧發(fā)酵的熱點問題。隨著全球集約化畜牧業(yè)如火如荼的發(fā)展,以農業(yè)廢棄物為原料的能源發(fā)展?jié)摿Σ豢珊鲆�。本研究以常見農業(yè)固體廢棄物為主要研究對象,首先,確定常見秸稈和牲畜糞便在厭氧發(fā)酵中的最佳溫度和初始pH值區(qū)間,根據各發(fā)酵原料的特性進行組合,對不同溫度及初始pH值下混合厭氧消化進行優(yōu)化,得到高效厭氧消化的最佳溫度、初始pH值及混合配比;其次,通過混合發(fā)酵過程中降溫和pH值調控對發(fā)酵過程中不同時段監(jiān)測指標的主成分分析,探究各指標對甲烷產量的影響;最后,為進一步提高混合發(fā)酵的效率,降低發(fā)酵投入,得到最佳發(fā)酵降溫幅度和pH值調控條件。研究結論如下:1.不同溫度下各有機物厭氧發(fā)酵效率具有顯著差異。提高發(fā)酵并不意味著縮短發(fā)酵時間。常規(guī)農業(yè)廢棄物中,牛糞的最適發(fā)酵溫度區(qū)間偏高,更適宜高溫(55℃)發(fā)酵;豬糞的最適發(fā)酵溫度區(qū)間適中,更適宜中溫(35℃)發(fā)酵;玉米秸稈的發(fā)酵啟動速度較快,水稻秸稈的產甲烷潛力較大。同一溫度下,在固定的發(fā)酵時間內,物料的種類和配比影響發(fā)酵停滯期長短,從而引起總產氣量差異。在混合發(fā)酵過程中,豬糞/玉米秸稈混合發(fā)酵適宜中溫(35℃)厭氧發(fā)酵,而牛糞/玉米秸稈混合發(fā)酵適宜高溫(55℃)發(fā)酵。當發(fā)酵進入到產甲烷階段時,兩種混合原料各配比的產甲烷速率沒有顯著性差異。2.初始pH值會顯著影響厭氧發(fā)酵的啟動時間和產氣高峰持續(xù)時間及峰值,受影響的程度依據原料性質各異。試驗表明牛糞厭氧發(fā)酵過程中pH值回升速度較快,VFA/堿度比值不高于0.4且保持穩(wěn)定。這表明以牛糞為原料的發(fā)酵基質緩沖性能較好,發(fā)酵系統(tǒng)更為穩(wěn)定。3.發(fā)酵前期與累積甲烷產量正相關性最高的是溫度,負相關性最高的是C/N比。發(fā)酵中期糞便含量與pH值的回升能力呈正比。發(fā)酵后期糞便含量與氨態(tài)氮積累量呈正相關。與高溫(55℃)相比,中溫(35℃)更適于產甲烷階段的進行,且氨態(tài)氮累積量與發(fā)酵原料C/N有密切的關系。根據主成分分析綜合模型評分顯示:55℃牛糞70:30-8.0、35℃牛糞70:30-8.0、55℃牛糞70:30-7.5;35℃豬糞70:30-8.0、35豬糞70:30-7.5、55℃豬糞70:30-8.0處理分別為各原料評分排名前三的處理。根據糞便/秸稈三因素相關性回歸方程模型,得到豬糞/玉米秸稈在35℃,糞便含量為47.98%,初始pH值為8.0時,預計單位甲烷產量可達到最大,最大值為193.74 m L/g VS;牛糞/玉米秸稈在55℃條件下,糞便含量為56.85%,初始pH值為7.5時,可得到最大單位甲烷產量205.11 mL/g VS。4.降溫效果受到了發(fā)酵底物特性的影響。降溫對發(fā)酵過程的促進/抑制作用并不是隨著糞便含量的增加而增強,在一定的糞便/秸稈范圍內,降溫的促進/抑制作用才會到達最大。高溫(55℃)厭氧發(fā)酵過程中在合適的范圍內進行降溫處理,可以有效降低消化底物中氨態(tài)氮的濃度。試驗表明,降溫對豬糞/玉米秸稈厭氧發(fā)酵各處理起到了促進作用。在一定范圍內的降溫可以有效提升豬糞/玉米秸稈發(fā)酵產氣峰的數(shù)量和持續(xù)時間,提高發(fā)酵過程中pH值的回升能力,提升累積甲烷產量;牛糞/玉米秸稈發(fā)酵則對降溫表現(xiàn)較為敏感,不利于pH值的穩(wěn)定性。5.發(fā)酵基質的性質決定了基質對pH值調控的敏感度。通過在合理范圍內調節(jié)發(fā)酵基質的pH值,可有效縮短發(fā)酵停滯期和發(fā)酵周期,提高甲烷產氣效率,降低能源消耗,合理利用資源。當發(fā)酵基質的C/N比較高時,pH值調控有效抑制氨態(tài)氮濃度升高趨勢;隨著C/N比的降低,pH值對氨態(tài)氮濃度的有效影響范圍則明顯縮小。偏堿性的發(fā)酵基質是提升甲烷產率、獲得較高甲烷產量的調控方法之一。6.降溫和pH值調控均會顯著影響累積甲烷產量。在提高產甲烷效率、保證發(fā)酵順利進行和降低發(fā)酵能耗消耗的前提下,偏堿性和小幅度降溫調控是最佳的選擇。優(yōu)化試驗表明,調控pH值7.65,高溫(55℃)厭氧發(fā)酵溫度降幅為9℃條件下得到最大單位甲烷產量279.40 m L/g VS。并且制定了牛糞/玉米秸稈混合發(fā)酵降溫和pH值調控工藝操作規(guī)范,為實際化生產提供參考依據。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S216.4

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