芦笋秸秆NaOH预处理工艺条件和沼气发酵的研究

摘要

我国是农业大国,每年产生的种植业废弃物数目巨大,如不经过合理处理和利用会造成资源浪费和环境污染。2008年上海崇明岛港沿镇芦笋种植面积达267公顷,芦笋年产量3000吨,芦笋废弃秸秆量1000吨。大量芦笋秸秆废弃物随意堆放在田间道路两旁,自然堆沤发酵,影响农户生产生活环境健康。因此,以芦笋秸秆为代表的种植业废弃物资源化处理问题严重,而厌氧发酵制取沼气这一生态能源化利用方式既解决污染问题又变废弃物为能源,是理想的选择。沼气燃烧后的产物是二氧化碳和水,是一种用途广泛并且无污染的生物能源。沼气发酵后的残余物可以用于农田施肥和生物农药,实现环境零排放。目前针对农作物种植废弃物、养殖业禽畜粪便、食品工业废水等的厌氧发酵制沼技术已日趋成熟,但是由于秸秆等种植业废弃物的有机成分主要以纤维素、半纤维素和木质素为主,其分子结构复杂,难以被厌氧微生物直接利用,所以又对沼气发酵效率存在限制。针对这一问题,主要是通过各种预处理方法对秸秆类材料进行前期预处理,破化木质纤维素的结构,提高其分解效率。本课题结合上海市科委项目(07DZ12050)“多种农业有机废弃物沼气发酵集中供气技术的研究与示范”和上海市重大科技攻关项目(08DZ1900405)“农业废弃物循环利用关键技术研究与应用示范”,拟通过芦笋秸秆NaOH预处理技术参数的研究,解决秸秆废弃物厌氧消化产气困难的问题,为农业有机废弃物规模化生物产气提供切实可行的参考。试验以NaOH预处理时预处理时间、NaOH浓度、NaOH溶液用量和原料粒径大小各工艺参数为变量,通过观测预处理和发酵前后纤维素、半纤维素和木质素含量的变化,以及沼气发酵过程中产气量、pH值和甲烷含量的变化,从而确定了NaOH预处理芦笋秸秆的最佳工艺条件。试验结果表明:(1) NaOH预处理对芦笋秸秆中木质纤维素的降解作用为半纤维素>木质素>纤维素。在本试验中(NaOH浓度0％-10%),随NaOH浓度升高,木质素降解程度增加。随预处理中NaOH浓度升高,半纤维降解效果表现为先增后减。2.5%的NaOH对纤维素降解效果最明显。沼气发酵后大部分纤维素、半纤维素得到分解,木质素难以利用,相对含量升高幅度150%-200%。(2) NaOH浓度过高或过低会影响芦笋秸秆沼气发酵产气效果,经过一定时间的预处理可以减轻Na+对发酵的抑制作用。单因素试验结果表明,3.6%-5%NaOH、15～20d是较佳的工艺参数。(3)芦笋秸秆经粉碎和切割后使粒径分布在2.5cm以下对NaOH预处理和沼气发酵所产生的促进作用比筛分后各组效果要好,因此NaOH预处理和沼气发酵时芦笋秸秆不需要进行进一步筛分。(4)三因素试验试验结果表明,预处理优化的工艺条件为:预处理时间为18天,NaOH溶液用量为74ml,NaOH浓度为4.2%,此时总产气量最大预测值为13352.9ml,验证试验总产气量13893ml,与预测值相比相对误差为4.04%,产气高峰期各组甲烷含量在60%以上,系统正常运作。

目录

摘要

ABSTRACT

本文使用的缩略语

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 木质纤维素降解及厌氧消化理论

1.2.1 木质纤维素的生物降解

1.2.2 预处理技术

1.2.3 厌氧消化理论

1.3 研究目的、意义与内容

1.3.1 研究目的与意义

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

第二章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验装置

2.3 检测项目及方法

2.4 试验主要仪器

第三章 NAOH 预处理条件单因素试验

3.1 试验设计与数据分析方法

3.2 芦笋秸秆纤维素、半纤维素和木质素含量变化

3.2.1 芦笋秸秆 NaOH 预处理及其沼气发酵后纤维素、半纤维素和木质素含量变化

3.2.2 不同粒径大小芦笋秸秆的半纤维素、纤维素和木质素含量

3.3 NAOH 预处理时间对芦笋秸秆沼气发酵产气效果的影响

3.3.1 产气量

3.3.2 甲烷含量

3.3.3 pH 值

3.4 芦笋秸秆粒径大小对芦笋秸秆沼气发酵产气效果的影响

3.4.1 产气量

3.4.2 甲烷含量

3.4.3 pH 值

3.5 NAOH 预处理浓度对芦笋秸秆沼气发酵产气效果的影响

3.5.1 产气量

3.5.2 甲烷含量

3.5.3 pH 值

3.5.4 响应面二次回归模型和方差分析

3.5.5 验证试验

3.6 结论

第四章 预处理时间、NAOH 溶液浓度和用量三因素试验

4.1 试验设计与数据处理方法

4.2 结果与分析

4.2.1 芦笋秸秆 NaOH 预处理后沼气发酵响应面二次回归模型及方差分析

4.2.2 芦笋秸秆 NaOH 预处理条件的响应面优化分析

4.2.3 芦笋秸秆 NaOH 预处理优化条件的验证试验

4.3 结论

第五章 结论与建议

5.1 主要结论

5.2 存在的问题与建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文