不同预处理工艺厌氧发酵产气效率及其综合效益评价

摘要

环境污染和资源浪费是农业废弃物不能被合理利用的结果。厌氧发酵技术将有机物转化为沼气，是合理利用农业废物的重要途径。但农业废弃物中的秸秆中木质素含量高，并将纤维素和半纤维素包裹住。因此秸秆直接进行发酵存在启动慢、产气效率低、发酵不完全、发酵周期长等问题。本研究以农业废物中的牛粪、水稻秸秆和小麦秸秆为发酵原料，利用超声波、堆腐、氢氧化钠、氨水、盐酸和醋酸对发酵原料进行预处理，之后按照牛粪和秸秆干物质比为1∶1，在试验室批次试验的条件下进行混料厌氧发酵。探讨高效经济的厌氧发酵原料预处理技术，得出各种预处理方式在何种预处理条件下能产生最大沼气产量，分析预处理对发酵初始环境和发酵过程的影响，探究预处理后产气量与发酵初始环境和发酵过程稳定性的关系，揭示预处理提高产气量的内在原因，并对比分析最佳产气量的预处理条件的厌氧发酵综合效益。主要结论如下:
　　(1)适宜的超声波预处理、堆腐预处理、氢氧化钠预处理、氨水预处理、盐酸预处理和醋酸预处理条件均能显著提高厌氧发酵总气产量(P＜0.01)。超声波预处理中，水稻秸秆预处理20分钟与牛粪预处理40分钟混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆预处理20分钟与牛粪混料厌氧发酵30分钟处理组总产气量最高，分别为13679mL和13100mL。堆腐预处理中，水稻秸秆与牛粪混料物质在35℃下预处理6天处理组和小麦秸秆与牛粪混料物质在35℃下预处理6天处理组总产气量最高，分别为16005mL和16515mL。氢氧化钠预处理中，水稻秸秆被3％的氢氧化钠预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆被3％的氢氧化钠预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组总产气量最高，总产气量分别为14365mL和13830mL。氨水预处理中，水稻秸秆被8％的氨水预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆被8％的氨水预处理2天与牛粪混料厌氧发酵处理组总产气量最高，分别为16940mL和19925mL。，水稻秸秆被2％的盐酸预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆被3％的盐酸预处理2天与牛粪混料厌氧发酵处理组总产气量最高，分别为13225mL和20225mL。醋酸预处理中，水稻秸秆被4％的醋酸预处理6天与牛粪混料厌氧发酵处理组和小麦秸秆被4％的醋酸预处理4天与牛粪混料厌氧发酵处理组总产气量最高，分别为11605mL和11880mL。
　　(2)水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵初始环境中纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH受预处理的影响。超声波预处理后，纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH的最大值分别是4.22IU/mL、11.29mg/mL、746mg/L和7.6，堆腐预处理后其最大值分别是1.55IU/mL、9.25mg/mL、576mg/L和7.9，氢氧化钠预处理后，其最大值分别是5.47IU/mL、30.03mg/mL、511mg/L和8.7，氨水预处理后其最大值分别是6.11IU/mL、40.35mg/mL、1092mg/L和9.2，预处理后其最大值分别是8.26IU/mL、82.89mg/mL、1194mg/L和7.0，醋酸预处理后，其最大值分别是5.83IU/mL、32.91mg/mL、2623mg/L和7.2。小麦秸秆和牛粪混料厌氧发酵初始发酵环境中纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH受超声波预处理、堆腐预处理、氢氧化钠预处理、盐酸预处理、氨水预处理和醋酸预处理的影响。超声波预处理后纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH的最大值分别是2.05IU/mL、12.97mg/mL、683mg/L和7.7，堆腐预处理后其最大值分别是1.42IU/mL、8.88mg/mL、315mg/L和7.7。氢氧化钠预处理其最大值分别是3.08IU/mL、18.41mg/mL、653mg/L和8.3。氨水预处理后其最大值分别是5.98IU/mL、54.30mg/mL、1317mg/L和9.2。盐酸预处理后，其最大值为最大值分别是8.82IU/mL、36.87mg/mL、873mg/L和7.8，醋酸预处理后其最大值分别是9.38IU/mL、89.59mg/mL、2753mg/L和6.7。
　　(3)厌氧发酵初始环境中纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH值对厌氧发酵对厌氧发酵总沼气有直接影响和间接影响。不同预处理方式使秸秆与牛粪混料厌氧发酵初始环境与总产量的关系不同。在发酵初始环境中，除纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH外，还存在其他因素对总产气量产生影响。水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵各个处理组中，超声波预处理、堆腐预处理、氢氧化钠预处理、盐酸预处理、氨水预处理和醋酸预处理发酵初始环境与总产气量的通经分析的剩余系数分别为0.766、0.827、0.596、0.762、0.468和0.379，而在小麦秸秆和牛粪混料厌氧发酵各个处理组中剩余系数分别为0.745、0.720、0.449、0.844、0.513和0.826。
　　(4)水稻秸秆和牛粪混料物质及小麦秸秆混料物质均在35℃下预处理6天，净收入最高，分别为296.07元/年和302.12元/年。醋酸预处理水稻秸秆和小麦秸秆后与牛粪混料厌氧发酵不适宜应用到生产实际中。超声波、堆腐、氢氧化钠、氨水和盐酸预处理水稻秸秆和小麦秸秆后与牛粪混料厌氧发酵适宜利用到实际生产中。水稻秸秆和小麦秸秆被8％的氨水预处理4天和2天的生态效益最高，分别比对照高159.00％和181.53％。
　　(5)预处理通过影响发酵过程中日产气量、纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量和pH之间的关系提高厌氧发酵总产气量。预处理后厌氧发酵过程因素的稳定性被改变，这种改变相互作用，使厌氧发酵系统的稳定性被提高。厌氧发酵不同阶段日产气量的主要影响因素不同。小麦秸秆预处理后与牛粪混料厌氧发酵过程中纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA含量、pH值和日产气量的稳定性均受预处理的影响。预处理后pH值的稳定性被降低，VFA含量的稳定性被提高。

目录

声明

摘要

第一章 导言

1．1 研究背景

1．2 影响厌氧发酵进行的主要影响因素

1．2．1 温度

1．2．2 pH值

1．2．3 营养物质

1．2．4 有机负荷

1．2．5 水力停留时问

1．2．6 氧气浓度

1．2．7 有毒物质

1．3 厌氧发酵预处理的必要性

1．4 厌氧发酵预处理国内外研究进展

1．4．1 物理预处理研究进展

1．4．2 化学预处理

1．4．3 物理化学预处理方法

1．4．4 联合预处理

1．5 研究目的及意义

1．6 研究内容

1．7 研究方法与技术路线

第二章 材料与方法

2．1 试验材料

2．2 试验设计

2．2 试验装置

2．3 指标测定方法

2．4 厌氧发酵方法

2．5 通径分析方法

2．6 数据处理方法

第三章 超声波预处理厌氧发酵产气效率及其工艺优化

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 超声波预处理方法

3．2 结果与分析

3．2．1 超声波预处理对水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵的影响

3．2．2 超声波预处理对牛粪和小麦秸秆混料厌氧发酵的影响

3．3 讨论

3．3．1 超声波预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵初始环境的影响

3．3．2 超声波预处理对厌氧发酵总产气量的影响

3．4 小结

第四章 堆腐预处理厌氧发酵产气效率及其工艺优化

4．1 材料与方法

4．1．1 试验材料

4．1．2 堆腐预处理方法

4．2 结果分析

4．2．1 堆腐预处理对水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵的影响

2．2．2 堆腐预处理对牛粪和小麦秸秆混料厌氧发酵的影响

4．3 讨论

4．3．1 堆腐预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵初始环境的影响

4．3．2 堆腐预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵总产气量的影响

4．4 小结

第五章 氢氧化钠预处理厌氧发酵产气效率及其工艺优化

5．1 材料与方法

5．1．1 试验材料

5．1．2 氢氧化钠预处理方法

5．2 结果与分析

5．2．1 氢氧化钠预处理对水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵的影响

5．2．2 氢氧化钠预处理对小麦秸秆和牛粪混料厌氧发酵的影响

5．3 讨论

5．3．1 氢氧化钠预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵初始环境的影响

5．3．2 氢氧化钠预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵总产气量的影响

5．4 小结

第六章 氨水预处理厌氧发酵产气效率及其工艺优化

6．1 氨水预处理方法

6．2 结果与分析

6．2．1 氨水预处理对水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵的影响

6．2．2 氨水预处理对小麦秸秆和牛粪混料厌氧发酵的影响

6．3 讨论

6．3．1 氨水预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵初始环境的影响

6．3．2 氨水预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵总产气量的影响

6．4 小结

第七章 盐酸厌氧发酵产气效率及其工艺优化

7．1 盐酸预处理方法

7．2 结果与分析

7．2．1 盐酸预处理对水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵的影响

7．2．2 盐酸预处理对小麦秸秆和牛粪混料厌氧发酵效果的影响

7．3 讨论

7．3．1 盐酸预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵初始环境的影响

7．3．2 盐酸预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵总产气量的影响

7．4 小结

第八章 醋酸预处理厌氧发酵产气效率及其工艺优化

8．1 醋酸预处理方法

8．2 结果与分析

8．2．1 醋酸预处理对水稻秸秆和牛粪混料厌氧发酵的影响

8．2．2 醋酸预处理对小麦秸秆和牛粪混料厌氧发酵的影响

8．3 讨论

8．3．1 醋酸预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵初始环境的影响

8．3．2 醋酸预处理对秸秆与牛粪混料厌氧发酵总产气量的影响

8．4 结论

第九章 不同预处理方式产气效益比较分析及其综合效益评价

9．1 试验材料

9．2 结果与分析

9．2．1 总产气量比较分析

9．2．2 经济效益比较分析

9．2．4 生态环境效益

9．2．5 社会效益评价

9．3 讨论

9．3．1 水稻秸秆和牛粪及小麦秸秆和牛粪混料厌氧发酵产气量比较分析

9．3．2 不同预处理方式产气效益比较分析

9．3．3 不同预处理方式净经济效益比较分析

9．4 小结

第十章 预处理提高产气效益原因分析-----以氨水为例

10．1 数据分析方法

10．2 结果与分析

10．2．1 氨水预处理对牛粪和小麦秸秆混料厌氧发酵日产气量的影响

10．2．2 氨水预处理对牛粪和秸秆混料厌氧发酵过程与日产气量关系的影响

10．2．3 氨水预处理对牛粪和秸秆混料厌氧发酵日产气量的主要影响因子的影响分析

10．2．4 发酵过程中日产气量、纤维素酶活力、还原性糖含量、VF含量和pH变异系数

10．3 讨论

10．3．1 氨水预处理对厌氧发酵日产气量主要影响因素的影响

10．3．2 氨水预处理对厌氧发酵过程稳定性的影响

10．3．3 氨水预处理对厌氧发酵日产气量的影响

10．4 小结

11．1 结论

11．2 创新点

11．3 研究展望

参考文献

致谢

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