本文關(guān)鍵詞：提高香蕉（Musa sapientum Linn.）秸稈厭氧消化性能的預(yù)處理方法及工藝研究

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【摘要】：我國是農(nóng)業(yè)大國,大部分農(nóng)作物秸稈因得不到合理利用而被遺棄,甚至造成環(huán)境污染。以農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈為基質(zhì)的厭氧消化技術(shù),既可實現(xiàn)秸稈的減量化處理,又可為生產(chǎn)清潔能源提供有效原材料。然而,以木質(zhì)纖維素為主要成分的農(nóng)作物秸稈在厭氧消化中存在諸多難點,不僅降解效果差,產(chǎn)氣效率低,而且由于秸稈密度小、體積大,吸水后會發(fā)生膨脹和漂浮,流動性差等特點,很難直接使用已規(guī)�；瘧�(yīng)用的反應(yīng)器進行厭氧消化。因此,采用低成本、高效的預(yù)處理技術(shù),改善木質(zhì)纖維類農(nóng)作物秸稈的厭氧消化性能,并設(shè)計出適用于秸稈類固體物料的厭氧消化工藝,可為農(nóng)作物秸稈的大規(guī)模應(yīng)用提供解決途徑。本研究利用全自動甲烷潛能測試裝置,探討了化學(xué)預(yù)處理劑對香蕉秸稈厭氧消化性能的影響,并優(yōu)化了NaOH預(yù)處理的工藝參數(shù)。采用新型兩相一體厭氧消化反應(yīng)器,對香蕉秸稈厭氧消化的穩(wěn)定性和系統(tǒng)效率進行研究,旨在為香蕉秸稈高效厭氧消化提供技術(shù)支撐。主要研究結(jié)果如下：(1)香蕉秸稈中纖維素和半纖維素含量較高,木質(zhì)素含量低,葡萄糖和木糖是秸稈的主要單糖組分；粒徑破碎至5mmn時可縮短香蕉秸稈的厭氧消化時間；采用傳統(tǒng)的單相全混反應(yīng)器對破碎處理的香蕉秸稈進行厭氧消化,難以實現(xiàn)在高有機負荷率下的穩(wěn)定運行；香蕉秸稈纖維易與攪拌裝置纏繞,在反應(yīng)器內(nèi)呈現(xiàn)非均質(zhì)態(tài),致使均質(zhì)態(tài)的厭氧污泥隨出料流失快,反應(yīng)器揮發(fā)性脂肪酸濃度迅速上升造成丙酸積累,因此反應(yīng)器運行不穩(wěn)定,系統(tǒng)效率低下。(2)四種酸堿預(yù)處理劑,在不同預(yù)處理時間(3 d,7 d和14 d)和不同預(yù)處理溫度(20℃,30℃和50℃)下,對香蕉秸稈的化學(xué)組分及厭氧消化性能的影響表明：半纖維素的降解率與預(yù)處理時間和預(yù)處理溫度呈正相關(guān),纖維素和木質(zhì)素的降解率受預(yù)處理時間和溫度的影響不大；延長預(yù)處理時間和提高預(yù)處理溫度均會造成更多的秸稈干物質(zhì)損失,減少厭氧消化過程可利用的底物量；在30℃,4% NaOH處理7 d后,香蕉秸稈的甲烷產(chǎn)率最高,可達343.8 NmL CH4/gVS,推薦NaOH為香蕉秸稈預(yù)處理試劑。(3)不同NaOH添加量(2%,4%和6%)和不同厭氧消化進料總固體濃度(4%,6%和8%)預(yù)處理香蕉秸稈的厭氧消化性能表明：NaOH預(yù)處理香蕉秸稈的最優(yōu)預(yù)處理條件和厭氧消化參數(shù)為：香蕉秸稈含水率90%,NaOH添加量為香蕉秸稈干重的4%,30-C,處理7 d,厭氧消化進料TS濃度為6%時,可獲得最高累積產(chǎn)甲烷量和甲烷產(chǎn)率,且均比未處理香蕉秸稈提高了81.1%,消化時間縮短近25%。以最優(yōu)預(yù)處理條件處理香蕉秸稈后,利用連續(xù)攪拌式全混反應(yīng)器對預(yù)處理秸稈進行連續(xù)厭氧消化試驗,結(jié)果表明：在水力停留時間為36 d,有機負荷率為1.8 kgVS/(m3·d)條件下可以穩(wěn)定運行,VS去除率為55.4%,容積產(chǎn)氣率為0.64 Nm3/(m3·d),甲烷產(chǎn)率為0.31 Nm3CH4/kgVS.(4)新型兩相一體厭氧反應(yīng)器以續(xù)批式進料方式,以10 d為進出料周期,穩(wěn)定運行220 d。在有機負荷率為2.2 kgVS/(m3·d)時,以新鮮香蕉秸稈為進料,平均容積產(chǎn)氣率最高可達1.27 Nm3/(m3·d),最大甲烷產(chǎn)率為0.325 Nm3CH4/kgVS,揮發(fā)性固體去除率為62.5%；以NaOH預(yù)處理香蕉秸稈為進料,每周期累積產(chǎn)氣量可提高11%,平均容積產(chǎn)氣率達1.41 Nm3/(m3·d),甲烷產(chǎn)率為0.37 Nm3CH4/kgVS, VS去除率達68.38%。堿預(yù)處理香蕉秸稈在新型兩相一體厭氧反應(yīng)器內(nèi)停留10 d后,其厭氧生物降解率達90%以上。(5)新型兩相一體厭氧反應(yīng)器內(nèi)部微生物種群結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不均一性,總體而言,水解產(chǎn)酸單元的細菌和古菌多樣性均高于產(chǎn)甲烷單元。水解產(chǎn)酸單元中有大量與纖維素降解和利用相關(guān)的細菌,嗜氫型甲烷菌與嗜乙酸型甲烷菌相對豐度相當；甲烷單元中甲烷鬃毛菌占據(jù)絕對優(yōu)勢。以上結(jié)果說明：新型兩相一體厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷單元以利用乙酸產(chǎn)甲烷的途徑為主,在水解產(chǎn)酸單元中氫型和乙酸型產(chǎn)甲烷途徑共同存在,實現(xiàn)了同一反應(yīng)器內(nèi)的兩種產(chǎn)甲烷方式協(xié)調(diào)共存。新型兩相一體厭氧反應(yīng)器處理香蕉秸稈時不易產(chǎn)生浮渣,運行過程中可實現(xiàn)固液分離,固體停留時間、水力停留時間和平均細胞停留時間分離,是適合香蕉秸稈高效厭氧消化的處理工藝。
【關(guān)鍵詞】：香蕉秸稈 厭氧消化 兩相一體 厭氧反應(yīng)器 微生物種群結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S216
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 英文縮寫詞表9-15
• 第一章 緒論15-31
• 1 香蕉秸稈的產(chǎn)生和處置現(xiàn)狀15-19
• 1.1 香蕉秸稈的產(chǎn)生與分布15
• 1.2 香蕉秸稈的利用現(xiàn)狀15-19
• 2 香蕉秸稈的結(jié)構(gòu)特點19-20
• 2.1 纖維素的結(jié)構(gòu)特點19-20
• 2.2 半纖維素的結(jié)構(gòu)特點20
• 2.3 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特點20
• 2.4 香蕉秸稈特有的化學(xué)成分20
• 3 秸稈生物氣轉(zhuǎn)化存在的主要困難20-22
• 3.1 預(yù)處理技術(shù)方面21
• 3.2 厭氧消化工藝方面21
• 3.3 厭氧消化反應(yīng)器方面21-22
• 4 秸稈厭氧消化技術(shù)及進展22-26
• 4.1 厭氧消化的基本理論22-23
• 4.2 厭氧處理工藝23-24
• 4.3 厭氧消化的影響因素24-26
• 5 秸稈預(yù)處理技術(shù)國內(nèi)外研究進展26-29
• 5.1 物理預(yù)處理26-27
• 5.2 化學(xué)預(yù)處理27-28
• 5.3 微生物預(yù)處理28-29
• 6 本研究的目的、內(nèi)容和技術(shù)路線29-31
• 第二章 香蕉秸稈的厭氧生物可降解性及工藝運行研究31-43
• 1 材料和方法31-35
• 1.1 試驗原料31-32
• 1.2 試驗接種物32
• 1.3 試驗裝置32-33
• 1.4 試驗儀器和分析測試方法33-35
• 2 結(jié)果與分析35-41
• 2.1 香蕉秸稈的基本理化特性35-36
• 2.2 破碎粒徑對香蕉秸稈厭氧消化性能的影響36-37
• 2.3 香蕉秸稈的厭氧產(chǎn)甲烷潛能37-39
• 2.4 香蕉秸稈的CSTR厭氧消化工藝研究39-41
• 3 本章小結(jié)41-43
• 第三章 化學(xué)預(yù)處理對香蕉秸稈生物降解性能的影響研究43-60
• 1 材料與方法43-46
• 1.1 試驗材料43
• 1.2 預(yù)處理參數(shù)的確定43-44
• 1.3 厭氧消化參數(shù)的確定44-45
• 1.4 試驗儀器和分析測試方法45-46
• 2 結(jié)果與分析46-59
• 2.1 預(yù)處理前后香蕉秸稈化學(xué)組分的變化46-50
• 2.2 預(yù)處理對香蕉秸厭氧消化性能的影晌50-59
• 3 本章小結(jié)59-60
• 第四章 NaOH預(yù)處理參數(shù)優(yōu)化及預(yù)處理香蕉秸稈的CSTR工藝研究60-72
• 1 材料與方法60-61
• 1.1 試驗材料60
• 1.2 試驗裝置60
• 1.3 試驗儀器60
• 1.4 厭氧消化參數(shù)60
• 1.5 預(yù)處理參數(shù)的確定60-61
• 2 結(jié)果與分析61-70
• 2.1 NaOH預(yù)處理參數(shù)優(yōu)化結(jié)果61-68
• 2.2 NaOH預(yù)處理香蕉秸稈的CSTR工藝運行研究68-70
• 3 本章小結(jié)70-72
• 第五章 香蕉秸稈兩相一體高效厭氧消化工藝研究72-88
• 1 材料與方法72-74
• 1.1 試驗材料72
• 1.2 試驗儀器和分析測試方法72
• 1.3 試驗裝置72-73
• 1.4 反應(yīng)器運行方案73-74
• 2 結(jié)果與分析74-87
• 2.1 新型兩相一體厭氧消化工藝的特點74-76
• 2.2 兩相一體厭氧消化工藝的穩(wěn)定性和系統(tǒng)效率研究76-81
• 2.3 兩相一體厭氧消化反應(yīng)器反應(yīng)動力學(xué)研究81-83
• 2.4 預(yù)處理前后香蕉秸稈兩相一體消化工藝比較83-87
• 3 本章小結(jié)87-88
• 第六章 兩相一體厭氧反應(yīng)器微生物種群結(jié)構(gòu)研究88-99
• 1 試驗材料與研究方法88-91
• 1.1 污泥樣品來源88-89
• 1.2 樣品總DNA的提取89
• 1.3 高通量測序方法89
• 1.4 16s rDNA克隆文庫的構(gòu)建89-90
• 1.5 數(shù)據(jù)分析計算90-91
• 1.6 主要儀器與設(shè)備91
• 2 結(jié)果與分析91-98
• 2.1 微生物的樣品豐度和多樣性92-93
• 2.2 樣品間相似度分析93
• 2.3 微生物組成分析93-98
• 3 本章小結(jié)98-99
• 第七章 結(jié)論、創(chuàng)新點與建議99-102
• 1 主要結(jié)論99-100
• 2 創(chuàng)新點100
• 3 建議100-102
• 參考文獻102-113
• 致謝113-114
• 個人簡歷及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文114

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本文編號：610146