【摘要】：能源是人類和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)石化能源的持續(xù)消費(fèi)給環(huán)境帶來(lái)很大的負(fù)面效應(yīng)。面對(duì)儲(chǔ)量有限的傳統(tǒng)能源和日益嚴(yán)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(jīng)成為了當(dāng)前厭氧發(fā)酵的熱點(diǎn)問題。隨著全球集約化畜牧業(yè)如火如荼的發(fā)展,以農(nóng)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(nóng)業(yè)固體廢棄物為主要研究對(duì)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(jù)各發(fā)酵原料的特性進(jìn)行組合,對(duì)不同溫度及初始pH值下混合厭氧消化進(jìn)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(diào)控對(duì)發(fā)酵過程中不同時(shí)段監(jiān)測(cè)指標(biāo)的主成分分析,探究各指標(biāo)對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響;最后,為進(jìn)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(diào)控條件。研究結(jié)論如下:1.不同溫度下各有機(jī)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(shí)間。常規(guī)農(nóng)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(dòng)速度較快,水稻秸稈的產(chǎn)甲烷潛力較大。同一溫度下,在固定的發(fā)酵時(shí)間內(nèi),物料的種類和配比影響發(fā)酵停滯期長(zhǎng)短,從而引起總產(chǎn)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(dāng)發(fā)酵進(jìn)入到產(chǎn)甲烷階段時(shí),兩種混合原料各配比的產(chǎn)甲烷速率沒有顯著性差異。2.初始pH值會(huì)顯著影響厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)時(shí)間和產(chǎn)氣高峰持續(xù)時(shí)間及峰值,受影響的程度依據(jù)原料性質(zhì)各異。試驗(yàn)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(zhì)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(chǎn)量正相關(guān)性最高的是溫度,負(fù)相關(guān)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(guān)。與高溫(55℃)相比,中溫(35℃)更適于產(chǎn)甲烷階段的進(jìn)行,且氨態(tài)氮累積量與發(fā)酵原料C/N有密切的關(guān)系。根據(jù)主成分分析綜合模型評(píng)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(píng)分排名前三的處理。根據(jù)糞便/秸稈三因素相關(guān)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(shí),預(yù)計(jì)單位甲烷產(chǎn)量可達(dá)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(shí),可得到最大單位甲烷產(chǎn)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(duì)發(fā)酵過程的促進(jìn)/抑制作用并不是隨著糞便含量的增加而增強(qiáng),在一定的糞便/秸稈范圍內(nèi),降溫的促進(jìn)/抑制作用才會(huì)到達(dá)最大。高溫(55℃)厭氧發(fā)酵過程中在合適的范圍內(nèi)進(jìn)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(yàn)表明,降溫對(duì)豬糞/玉米秸稈厭氧發(fā)酵各處理起到了促進(jìn)作用。在一定范圍內(nèi)的降溫可以有效提升豬糞/玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣峰的數(shù)量和持續(xù)時(shí)間,提高發(fā)酵過程中pH值的回升能力,提升累積甲烷產(chǎn)量;牛糞/玉米秸稈發(fā)酵則對(duì)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(zhì)的性質(zhì)決定了基質(zhì)對(duì)pH值調(diào)控的敏感度。通過在合理范圍內(nèi)調(diào)節(jié)發(fā)酵基質(zhì)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(chǎn)氣效率,降低能源消耗,合理利用資源。當(dāng)發(fā)酵基質(zhì)的C/N比較高時(shí),pH值調(diào)控有效抑制氨態(tài)氮濃度升高趨勢(shì);隨著C/N比的降低,pH值對(duì)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(zhì)是提升甲烷產(chǎn)率、獲得較高甲烷產(chǎn)量的調(diào)控方法之一。6.降溫和pH值調(diào)控均會(huì)顯著影響累積甲烷產(chǎn)量。在提高產(chǎn)甲烷效率、保證發(fā)酵順利進(jìn)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(diào)控是最佳的選擇。優(yōu)化試驗(yàn)表明,調(diào)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(chǎn)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(diào)控工藝操作規(guī)范,為實(shí)際化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(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)：2465731