玉米秸秆与牛粪混合发酵产沼气工艺研究

摘要

随着化石燃料的不断利用和消耗，环境问题的日益增加，太阳能、风能和生物质能等可再生能源的开发利用显得尤为重要。沼气发酵是一种利用生物质能的方式，它可产生气体燃料甲烷。秸秆是厌氧发酵产沼气的重要原料。2014年我国秸秆总量约为7.66亿吨，其中玉米秸秆年产量约为2.24亿吨。本文以玉米秸秆的长时间贮存和沼气化利用为背景，研究了不同形态（干黄或青贮）玉米秸秆的厌氧发酵产沼气性能，发酵过程中接种量和总固体浓度的筛选比较，以及添加乙酸对玉米秸秆青贮效果及其发酵产沼气性能的影响。
　　1.采用中温批式沼气发酵试验，使用青贮秸秆与干黄玉米秸杆分别与牛粪混合消化，以厌氧消化配比为研究内容，分别对发酵过程中 pH、产气和产甲烷的情况进行分析。然后根据产气情况进行动力学分析。结果表明，牛粪与青贮玉米秸秆混合厌氧发酵可以提高沼气产量，最佳干物质配比7:3。在混合比例7:3时，与干黄玉米秸秆比较，青贮秸秆与牛粪的混合发酵，累积产气量增加了4.76％，累积甲烷产量增加了61.5%。采用修正 Gompertz模型拟合结果表明，配比为7:3时延滞时间短，也有较高的甲烷产量。
　　2.以接种量和固体浓度为研究内容进行批式发酵试验。牛粪与青贮玉米秸秆厌氧发酵需要适当的接种量，在接种量为30%时，可以获得较高的产气量与产甲烷量。过大的接种量会加快有机质的消耗，缩短厌氧消化的周期。总固体浓度（TS）为10%时，牛粪与青贮玉米秸秆能稳定发酵产沼气。TS为12%时产气效果较好。TS为14%时，累积产气及产甲烷量反而有所下降。牛粪与青贮玉米秸秆混合厌氧发酵的适宜接种量为30%，TS为12%。
　　3.以不同乙酸添加量的玉米秸秆为材料，分别设置3个平行进行青贮，比较青贮的效果。不同乙酸添加量对玉米秸秆青贮品质的影响具有一定的差异性，但随着乙酸添加量的增加，各指标不具有连续变化的倾向。鲜玉米秸秆添加1%~6%乙酸，经过250d的贮存后，在乙酸添加量为1%时，可以提高玉米秸秆青贮的品质。
　　4.通过牛粪与不同乙酸添加量的青贮秸秆混合批式沼气发酵，考察了消化过程中沼液的pH、VFAs、COD、NH4+-N的变化情况，利用修正 Gompertz方程分析厌氧消化的动力学参数，并对厌氧消化前后纤维素、半纤维素和木质素含量进行分析。结果表明，未添加乙酸秸秆沼气发酵过程中的产酸总量最小，乙酸添加量为4%的青贮玉米秸秆用以沼气发酵可以获得较好的产气效果，同时缩短了厌氧消化的启动时间。厌氧消化过程中纤维素和半纤维素的降解率分别为24.4%和24.0%。
　　综上，青贮玉米秸秆与牛粪混合厌氧发酵前对玉米秸秆进行预处理，减少了温室气体排放，利用生物质资源转化为清洁能源，本研究为进一步研究混合物料厌氧发酵提供了理论依据，具有潜在的社会和经济效益。

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第1章 文献综述

1.1 农作物秸秆生产沼气概况

1.2沼气发酵秸秆预处理方法

1.3沼气发酵微生物

1.4本课题研究目的与意义

第2章 不同形态玉米秸秆沼气发酵比较

2.1引言

2.2材料与方法

2.3结果与分析

2.4本章小结

第3章 固体浓度及接种量对青贮秸秆沼气发酵的影响

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果与分析

3.4讨论与结论

第4章 乙酸添加对秸秆青贮品质的影响

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果与分析

4.4分析与讨论

4.5本章小结

第5章 乙酸添加对秸秆青贮后产气效果的影响

5.1引言

5.2材料与方法

5.3结果与分析

5.4分析和讨论

5.5本章小结

结论与展望

6.1主要结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

致谢

插图索引

附表索引

附录B 攻读硕士学位期间所发表的论文及成果