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沼液堆沤玉米秸秆厌氧干发酵试验与机理研究

作　者: 李伟
导　师: 王相友; 朱继英
学　校: 山东理工大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 沼液堆沤厌氧干发酵工艺优化基质特性干发酵试验台
分类号: S216.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

厌氧干发酵具有底物来源广泛、单位容积产能能力高、节约水源、废渣含水量低等优势,但较低含水量会导致搅拌困难、传质过程缓慢,从而导致发酵过程不稳定。针对以上问题,本文研究了沼液堆沤预处理和发酵条件对玉米秸秆厌氧干发酵效果的影响,研究了沼液堆沤玉米秸秆厌氧干发酵过程中基质特性的变化规律；设计搭建了可用于厌氧干发酵机制研究的试验平台。主要的研究内容及结论如下：1.以沼液堆沤预处理的玉米秸秆为原料进行厌氧干发酵试验,结果表明：虽然沼液堆沤预处理并不能显著的增加沼气中的CH4含量,但预处理秸秆的发酵启动速度快,日产气量大,30天内的累计产气量比未处理秸秆提高42.22%,明显缩短了水力滞留时间,提高了发酵效率。2.以底物初始pH、物料填充密度、发酵罐高径比、接种方式为试验因素进行正交试验,对沼液堆沤玉米秸秆厌氧干发酵工艺进行了优化。结果表明：初始pH与填充密度对发酵过程的影响较大,而高径比和接种方式的影响相对较弱,最优发酵工艺条件为：基质初始pH8.0、填充密度0.55-0.60kg/L、高径比1：1、接种方式为将底物和接种物均分成五份。所有参数对碱度的影响都是显著的,对pH的影响都是不显著的。初始pH、填充密度、高径比对总固体(TS)、挥发性固体(VS)消耗利用的影响是显著的；接种方式对TS、VS的影响不显著。初始pH、填充密度和接种方式对CH4含量、日产气量和累计产气量变化的影响较为明显,而高径比的影响不明显；初始pH、填充密度和接种方式对C02含量变化的影响不明显,而高径比的影响较为明显。3.以底物和接种物分层放置的接种方式进行厌氧干发酵试验,研究沼液堆沤玉米秸秆厌氧干发酵基质特性的变化规律,结果表明：底物层与种子层的物料特性具有不同的变化趋势。上部底物与下部底物TS、VS的变化也有十分明显的差异,两者的pH和碱度的变化趋势相似,但是变化程度不同。日产气量在第3天达到第一次峰值,其中成分以CO2为主；之后再次迅速增长达到峰值并稍有回落进入稳定期,期间CH4含量逐渐升高至50%左右,并保持稳定直至试验结束。各层底物中的乙酸含量的变化趋势相似,迅速增长然后迅速降低,产气进入稳定期时由于乙酸被及时转化而造成浓度降低至接近于0。接种物层检测不到乙酸和丙酸的存在。底物层中的丙酸含量也是先以较快速度上升然后逐渐下降,但其完全被消耗的时间与日产气量开始下降的时间一致。说明在产气稳定期,乙酸化速度是限制日产气量的主要因素,而底物的水解和酸化速度则是衰竭期日产气量的限制因素。4.设计搭建了能够实现发酵基质温度与pH实时在线检测和随时取样进行基质特性分析的厌氧干发酵试验平台,为厌氧干发酵机制的进一步研究提供了硬件支持。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-25
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 厌氧干发酵研究现状  10-20
    1.2.1 厌氧干发酵理论模型  11-16
    1.2.2 厌氧发酵过程动力学研究进展  16-20
    1.2.3 研究展望  20
  1.3 研究对象选择  20-21
  1.4 预处理方法选择  21-22
  1.5 基本实验参数的确定  22-24
    1.5.1 原料的C/N比  22-23
    1.5.2 总固体含量(TS)  23
    1.5.3 接种量  23
    1.5.4 发酵温度  23-24
    1.5.5 pH值  24
  1.6 研究内容  24-25
第二章材料与方法  25-28
  2.1 试验材料  25
  2.2 测定指标与方法  25-26
    2.2.1 TS、VS、C、N含量测定  25
    2.2.2 pH值测定  25
    2.2.3 碱度测定  25
    2.2.4 VFA含量测定  25-26
    2.2.5 气体分析  26
  2.3 仪器设备及试验装置  26-28
第三章沼液堆沤玉米秸秆厌氧干发酵试验  28-32
  3.1 秸秆堆沤  28
  3.2 干发酵试验  28-29
  3.3 结果与分析  29-31
    3.3.1 气体成分  29-30
    3.3.2 气体产量  30-31
  3.4 本章小结  31-32
第四章沼液堆沤玉米秸秆干发酵参数影响探究  32-53
  4.1 研究目的  32
  4.2 试验方案  32-34
  4.3 各因素对物料特性的影响  34-40
    4.3.1 极差分析  34-36
    4.3.2 方差分析  36-40
  4.4 各因素对产气情况的影响  40-52
    4.4.1 各因素对气体成分的影响  40-46
    4.4.2 各因素对产气量的影响  46-52
  4.5 本章小结  52-53
第五章沼液堆沤玉米秸秆厌氧干发酵过程研究  53-65
  5.1 研究目的  53
  5.2 试验方案  53
  5.3 物料特性  53-60
    5.3.1 TS变化  53-55
    5.3.2 VS变化  55-56
    5.3.3 pH变化  56-58
    5.3.4 碱度变化  58-60
  5.4 产气情况  60-61
    5.4.1 气体成分  60
    5.4.2 气体产量  60-61
  5.5 中间产物  61-64
    5.5.1 乙酸含量变化  61-62
    5.5.2 丙酸含量变化  62-64
  5.6 本章小结  64-65
第六章厌氧干发酵试验台的搭建  65-67
  6.1 研究目的  65
  6.2 试验台总体示意图与工作原理  65-66
  6.3 上端盖小孔分布示意图  66
  6.4 取样器示意图与工作原理  66
  6.5 本章小结  66-67
第七章论文总结  67-68
参考文献  68-72
攻读硕士学位期间发表的论文及参与的课题  72-73
致谢  73

沼液堆沤玉米秸秆厌氧干发酵试验与机理研究

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