氨钾复合改性稻草批式与序批式厌氧消化性能试验研究

摘要

稻草中含有的木质素阻碍了纤维素和半纤维素与微生物接触的可及度，制约了厌氧消化的进程，而目前单一改性试剂无法满足破坏复杂木质纤维素结构的需求。同时，单级CSTR厌氧反应器的完全混合设置，导致了物料“短流”现象，未完全消化的物料会随出料排出，限制了厌氧消化潜能。因此，本研究设计采用KOH与氨水对稻草进行复合改性的方式，更高效地破坏纤维素晶体结构，提升纤维素、半纤维素与厌氧微生物的可及度，并进一步提高厌氧消化产气性能，提高沼渣沼液的营养价值和经济价值。并采用两级厌氧消化系统，解决CSTR反应器的“短流”问题，提高厌氧消化效率。
　　1、研究了不同氨水-氢氧化钾浓度混合配比对于稻草批式厌氧消化产气性能的影响，结果表明:1％KOH+1％NH3改性效果最好，最高日产气量为1350mL，相比未处理组提高了35.0％。甲烷含量稳定在58％-63％范围内，累积产甲烷量为9824.3mL，比未处理组提高15.3％。单位VS产气率，相比未处理组提高了16.0％。TS降解率和VS降解率，分别比未处理组提高14.2％和21.8％。
　　2、研究了采用1％KOH+1％NH3对稻草秸秆改性对于单级序批（HRT48d）厌氧消化性能的影响。结果表明，改性组(R1)容积产甲烷率比未处理组（R0）提高了4.5％-5.9％，TS去除率为48.4％-55.4％。同时R1体现出更优的系统缓冲能力。在当进料负荷为90gTS·L-1时，系统稳定性出现明显波动，相比未处理组能更快恢复稳定状态。
　　3、研究了在氨钾复合改性条件下，对稻草不同两级序批（HRT36+12d、HRT24+24d）厌氧消化性能的影响。结果表明，两级系统中厌氧消化主要在第一级反应器中进行，HRT24+24d第一级反应器VS去除率占总去除率的85.1％-97.2％，HRT36+12d第一级反应器VS去除率占总去除率的87.5％-97.3％。其中HRT36+12d两级系统的单位VS产甲烷量要比HRT24+24d两级厌氧消化系统提高4.01％-4.05％，比改性单级厌氧消化系统(R1)单位VS产气量提高了10.4％-13.3％，比未处理单级厌氧消化系统(R0)提高了16.9％-19.5％。同时，HRT36+12d两级比HRT24+24d两级体现出更好的系统稳定性。在进料负荷为85gTS·L-1时，不同两级厌氧消化系统稳定性均出现了明显波动，而HRT24+24d系统发生的更早，且恢复时间较长，这主要是因为HRT24+24d第一级反应器每日进料量更大，对系统的冲击更大，恢复时间较长。一级动力学、R-X图解法对单级和两级厌氧消化系统进行模拟，两级厌氧消化系统的水解速率和运行效果优于单级系统。
　　4、通过高通量测序对单级、两级（HRT36+12d）第一级和第二级厌氧消化系统微生物多样性及群落结构组成进行分析，分别记为R1和HRT36+12-Ⅰ、HRT36+12-Ⅱ。两级厌氧消化的第一级系统能够提高细菌丰度，而第二级系统能明显提高细菌种群多样性，与单级系统细菌菌群差异性较大。在古菌菌群分布上，广古菌门（Euryarchaeota）作为优势菌门，在HRT36+12-Ⅰ、HRT36+12-Ⅱ、和R1样本中的相对含量分别为51.2％、70.2％和36.2％，优势属为甲烷杆菌属（Methano bacterium）。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 稻草的产生与利用现状

1．1．1 稻草的产量

1．1．2 稻草的组成

1．1．3 稻草的利用现状

1．2 稻草改性技术

1．2．1 生物质改性技术研究现状

1．2．2 化学改性

1．3 厌氧消化工艺

1．3．1 单相厌氧消化工艺

1．3．2 两相厌氧消化工艺

1．3．3 两级厌氧消化工艺

1．4 高通量测序技术在厌氧消化微生物学的研究

1．5 研究的目的与内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

第二章 氨钾复合改性对稻草批式厌氧消化性能的影响研究

2．1 材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验装置

2．1．3 实验方法

2．1．4 分析方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 日产气量分析

2．2．2 日产甲烷含量分析

2．2．3 稻草厌氧消化时间分析

2．2．4 累积甲烷产量和单位VS产甲烷量分析

2．2．5 稻草TS和VS去除率分析

2．2．6 木质纤维素降解率分析

2．2．7 消化液氨氮及碱度分析

2．2．8 消化液挥发性脂肪酸(VFAs)分析

2．3 本章小结

第三章 氨钾复合改性对稻草单级CSTR厌氧消化性能影响研究

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验装置

3．1．3 实验方法

3．1．4 分析方法

3．2 氨钾复合改性对单级厌氧消化性能影响

3．2．1 日产气量和甲烷含量

3．2．2 容积产甲烷率与单位VS产甲烷率

3．2．3 物质去除率

3．2．4 系统稳定性

3．3 本章小结

第四章 氨钾复合改性对稻草两级CSTR厌氧消化性能影响与动力学模拟

4．1 材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验装置

4．1．3 买验方法

4．1．4 分析方法

4．2 稻草不同两级厌氧消化性能比较

4．2．1 日产气量和甲烷含量

4．2．2 容积产甲烷率与单位VS产甲烷率

4．2．3 物质去除率

4．2．4 系统稳定性

4．3 稻草单级与两级动力学模型

4．3．1 一级动力学模型

4．3．2 R-X图解法

4．4 本章小结

第五章 单级与两级厌氧消化系统微生物群落结构比较研究

5．1 材料与方法

5．1．1 样品收集

5．1．2 DNA提取与PCR扩增

5．1．3 Illumina Miseq测序

5．2 单级与两级厌氧消化系统细菌微生物群落分析

5．2．1 细菌多样性分析

5．2．2 细菌菌群差异性分析

5．2．3 细菌微生物群落结构分析

5．3 单级与两级厌氧消化系统古菌微生物群落分析

5．3．1 古菌多样性分析

5．3．2 古菌菌群差异性分析

5．3．3 古菌微生物群落结构分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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