基于能源化和资源化利用的太湖蓝藻厌氧发酵的研究

摘要

本研究以太湖蓝藻为材料,进行厌氧发酵环境和工艺流程的探讨,并对太湖蓝藻厌氧发酵工程化运行和发酵产物的资源化利用进行了初步研究,为进一步研究太湖蓝藻厌氧发酵工艺及其工程应用奠定了基础。结果如下： 1.蓝藻厌氧发酵预处理的方法与蓝藻和小麦秸杆的特征是密切相关的。发酵材料的预处理提高了日产气量,缩短了发酵周期,发酵过程中最大容积产气率达到0.680L/(L·d),平均容积产气率为0.160L(L·d)。调节发酵罐启动pH值为7.5有利于厌氧发酵的进行,最大容积产气率0.325L(L·d),平均容积产气率0.158L(L·d)。55℃条件下进行发酵效果最优,最大容积产气率1.620L(L·d),平均容积产气率0.480L(L·d)。接种剂量占发酵液50％时可以提高产气率和提前产气高峰的时间,最大容积产气率0.310L(L·d),平均容积产气率0.145L(L·d)。40min的搅拌和回流时间有利于发酵过程的产气,最大容积产气率0.522L(L·d)。 2.米氏方程可以用来描述厌氧消化过程中甲烷发酵阶段的动力学行为。由米氏方程可以求得厌氧消化过程中不同配比投料情况下的动力学常数Vmax和Ks。将蓝藻水华和秸杆以一定比例直接投加到厌氧反应器后,可以提高厌氧消化过程的动力学常数Vmax,提高反应器的基质降解速率,同时也降低了半饱和常数Ks。混合投料对厌氧消化过程中的产甲烷阶段有激活作用。蓝藻和秸杆以一定比例投料,可以缩短甲烷菌对底物的适应期,有效提高底物降解速率和产甲烷速率。C/N对厌氧消化作用的影响受培养方式、温度、所用碳源等多种因素的影响,需要通过多因子试验加以进一步验证。 3.比较蓝藻单独发酵和蓝藻秸杆混合发酵,平均容积产气率分别为0.150L(L·d)和0.285 L/(L·d),pH值变化范围分别在7.44～8.31之间和7.37～8.22之间,碱度变化范围都在210mmol/L～770mmol/L之间,COD削减率分别为69.34％和78.62％,VFA变化范围分别在235mg/L～4353mg/L之间和235mg/L～4582mg/L之间,实验说明蓝藻是理想的发酵原料,而且在厌氧发酵罐中加入一定量的水稻秸杆可以明显增加产气量,提高容积产气速率,为实际工程化运行提供了依据。 4.用果胶酶、纤维素酶、木瓜蛋白酶和木聚糖酶进行组合,在发酵罐启动时加入,实验发现四种酶的活力在发酵结束后都发生下降,果胶酶活降低86.32％,纤维素酶活降低65.66％,木瓜蛋白酶活力降低72.83％,木聚糖酶活降低81.30％,说明复合酶制剂的加入虽然增加了蓝藻发酵高峰时的产气量和总产气量,但在发酵装罐时加入是不合适的。 5.在蓝藻发酵工程化运行中,对厌氧接触工艺采用序批式发酵方式,对厌氧折流板工艺采用连续发酵方式,COD负荷率分别为0.81Kg/(m3·d)和1.67Kg(m3·d),实验过程中COD去除率分别为71.83％和77.11％,平均原料产气率0.35m3/KgTS和0.41m3/KgTS。 6.比较了沼液和复合肥对新几内亚风仙花朵数、花期和叶片叶绿素含量的影响,沼渣作为基肥沼液作为追肥对小青菜和番茄的影响。实验表明在氮素相等的情况下,施用沼液更能促进花朵数的增加,每次施用含氮素30mg左右的沼液,可以在保持花朵数时,不会缩短凤仙花的花期,同时沼液比含等量氮素复合肥更能提高叶片中叶绿素含量,沼液和沼渣在提高小青菜和番茄产量的同时,增加蔬菜的品质。

目录

文摘

英文文摘

声明

1文献综述

2前言

3材料和方法

3.1实验材料

3.2实验设计和方法

3.2.1发酵工艺条件的筛选

3.2.2发酵营养成分的动力学分析

3.2.3发酵过程不同处理指标的变化

3.2.4酶制剂对厌氧发酵的影响

3.2.5工程化运行对发酵处理的影响

3.2.6发酵产物的肥效实验

3.3数据处理与统计分析

4实验结果和分析

4.1蓝藻厌氧发酵条件的选择

4.1.1材料预处理的选择

4.1.2发酵pH值的选择

4.1.3发酵温度的选择

4.1.4接种剂量的选择

4.1.5发酵搅拌和回流时间的选择

4.2营养成分的动力学曲线

4.3蓝藻发酵过程指标的变化

4.3.1产气量的变化

4.3.2 pH值和碱度的变化

4.3.3 COD和VFA的变化

4.4不同酶制剂对发酵的影响

4.4.1发酵过程酶活的变化

4.4.2发酵过程蓝藻细胞的镜检

4.4.3发酵过程产气量的变化

4.4.4发酵过程pH值的变化

4.5蓝藻厌氧发酵的工程化运行

4.5.1不同反应器的比较

4.5.2运行过程ORP和pH值的变化

4.5.3运行过程CH4含量和COD的变化

4.5.4运行过程中产气量的比较

4.6沼液沼渣的肥效实验

4.6.1小青菜的盆栽实验

4.6.2非洲风仙的盆栽实验

4.6.3番茄的盆栽实验

5讨论

6结论

参考文献

致谢

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