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汽爆秸秆两相法厌氧发酵试验研究

作 者: 刘杰博
导 师: 徐桂转
学 校: 河南农业大学
专 业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 蒸汽爆破 玉米秸秆 两相 厌氧发酵
分类号: S216.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


在化石能源日渐匮乏、能源形势日益紧张的今天,人类寻找替代或辅助能源并提高能源利用效率的要求显得愈加迫切。目前我国农作物秸秆资源总量丰富但利用水平较低,如能将其用于沼气发酵,不仅能解决当前因焚烧秸秆、滥用化肥而造成的环境污染,也能缓解能源紧张给社会带来的压力。同时,由于秸秆中木质素、纤维素、半纤维素相互缠绕,不利于发酵,需对其进行预处理。汽爆破预处理已经被广大学者证明是一种有效的秸秆预处理方法,但秸秆汽爆预处理后用于厌氧发酵产沼气特性的研究并不多见。本文是在农业部“引进国际先进农业科学技术”项目:秸秆厌氧发酵技术引进、消化与创新(编号2010-s25,2011-s15)的资金扶持下进行。本文对玉米秸秆进行了蒸汽爆破预处理并进行两相厌氧发酵试验,并与单相厌氧发酵试验的结果进行对比,选取了不同原料浓度,对产酸相的pH值、挥发性脂肪酸(VFAs)值的变化特性和其对厌氧发酵的影响进行了分析。并进行了两相厌氧发酵工艺条件的研究,得到了产酸阶段和产甲烷阶段的最适工艺参数。研究得出的主要研究结论如下:(1)对比不同消化液TS浓度对厌氧反应的影响发现,较高浓度的TS,料液pH值下降速度较快,并长时间维持在较低的pH值内,造成料液酸化,不利于发酵的进行,延长了发酵周期;同时,高浓度发酵对于产气量和甲烷含量的影响很大,往往是产气量和甲烷含量随TS升高而降低。(2)通过对3种VFAs在试验过程中含量变化的分析,发现微生物对乙酸和丁酸利用较多,在整个发酵周期里乙酸和丁酸的含量变化较大,但对丙酸利用较少。(3)对不同温度的厌氧发酵研究结果发现,采用中温35℃进行两相厌氧发酵试验最为适宜。(4)两相厌氧发酵试验中采用不同回流量,结果发现,在回流量为120mL时,可以获得较高的产气量和甲烷体积含量,分别为11005mL和68.3%。(5)通过比较两相和单相厌氧反应器运行效果,发现两相厌氧发酵过程中经过产酸相的缓冲之后,两相反应器中产甲烷菌对pH值的适应范围更广,更耐受冲击负荷和环境骤变,单位有机物平均产气量达到660.6mL/gVS,比单相发酵提高52%,发酵周期缩短60%。在处理农作物秸秆废弃物时,两相厌氧发酵工艺显示出极大的优势。

全文目录


致谢  4-8
摘要  8-9
1 绪论  9-20
  1.1 研究背景  9
  1.2 秸秆利用现状  9-11
    1.2.1 秸秆的产生和性质  9-10
    1.2.2 秸秆的利用方式  10-11
  1.3 厌氧消化工艺原理  11-15
    1.3.1 厌氧消化的基本原理  11
    1.3.2 厌氧消化的影响因素  11-13
    1.3.3 厌氧消化的三种阶段理论  13-14
    1.3.4 厌氧消化的中间产物抑制机理  14-15
  1.4 两相厌氧消化理论  15-18
    1.4.1 两相厌氧发酵的基本理论  15
    1.4.2 两相厌氧消化的特点  15-16
    1.4.3 两相厌氧消化相分离方式  16
    1.4.4 两相厌氧消化的国内外研究现状  16-18
  1.5 玉米秸秆的结构分析  18-19
  1.6 研究内容的提出  19-20
    1.6.1 研究内容  19
    1.6.2 技术路线  19-20
2 试验材料与试验方法  20-29
  2.1 试验材料  20
  2.2 试验仪器与设备  20
  2.3 分析方法  20-26
    2.3.1 TS、VS 的测定  20-21
    2.3.2 含氮量测定  21
    2.3.3 含碳量测定  21-22
    2.3.4 甲烷和二氧化碳的测定  22-24
    2.3.5 VFAs 测定  24-26
    2.3.6 pH 值测定  26
    2.3.7 产气量测定  26
  2.4 试验方法  26-29
    2.4.1 玉米秸秆汽爆预处理方法  26
    2.4.2 低固体(湿式)浓度厌氧发酵方案  26-28
    2.4.3 试验方案设计  28-29
3 汽爆玉米秸秆厌氧发酵试验研究  29-36
  3.1 汽爆玉米秸秆在不同 TS 下的发酵效果  29-32
    3.1.1 汽爆玉米秸秆在不同 TS 下的发酵  29-31
    3.1.2 汽爆玉米秸秆在不同 TS 下的产气效果  31-32
    3.1.3 小结  32
  3.2 低浓度发酵在不同温度下的产酸相的发酵效果  32-34
    3.2.1 低浓度发酵在不同温度下的产酸相的发酵  32-34
    3.2.2 小结  34
  3.3 汽爆玉米秸秆厌氧发酵试验研究小结  34-36
4 汽爆玉米秸秆两相法厌氧发酵试验研究  36-46
  4.1 发酵周期中 pH 值的变化  36-37
  4.2 发酵周期里产气情况和产气中甲烷含量的变化  37-38
    4.2.1 产气情况  37-38
    4.2.2 产气中甲烷含量的变化  38
  4.3 VFAs 的降解  38-42
    4.3.1 总 VFAs 的变化  38-40
    4.3.2 各组分 VFAs 的变化  40-42
  4.4 两相与单相厌氧反应器运行效果比较研究  42-45
    4.4.1 pH 变化  42
    4.4.2 挥发酸浓度变化  42-43
    4.4.3 有机物去除率  43
    4.4.4 产气量和气体成分  43-44
    4.4.5 单相和两相反应器产甲烷潜力分析  44-45
  4.5 小结  45-46
5 结论与建议  46-47
  5.1 试验结论  46
  5.2 试验建议  46-47
参考文献  47-51
硕士期间发表论文  51
Abstract  51-52

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中图分类: > 农业科学 > 农业工程 > 农业动力、农村能源 > 生物能(生物质能)的应用 > 植物能源
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