提高香蕉（Musa sapientum Linn.）秸秆厌氧消化性能的预处理方法及工艺研究

【摘要】：我国是农业大国,大部分农作物秸秆因得不到合理利用而被遗弃,甚至造成环境污染。以农业废弃物秸秆为基质的厌氧消化技术,既可实现秸秆的减量化处理,又可为生产清洁能源提供有效原材料。然而,以木质纤维素为主要成分的农作物秸秆在厌氧消化中存在诸多难点,不仅降解效果差,产气效率低,而且由于秸秆密度小、体积大,吸水后会发生膨胀和漂浮,流动性差等特点,很难直接使用已规模化应用的反应器进行厌氧消化。因此,采用低成本、高效的预处理技术,改善木质纤维类农作物秸秆的厌氧消化性能,并设计出适用于秸秆类固体物料的厌氧消化工艺,可为农作物秸秆的大规模应用提供解决途径。本研究利用全自动甲烷潜能测试装置,探讨了化学预处理剂对香蕉秸秆厌氧消化性能的影响,并优化了NaOH预处理的工艺参数。采用新型两相一体厌氧消化反应器,对香蕉秸秆厌氧消化的稳定性和系统效率进行研究,旨在为香蕉秸秆高效厌氧消化提供技术支撑。主要研究结果如下：(1)香蕉秸秆中纤维素和半纤维素含量较高,木质素含量低,葡萄糖和木糖是秸秆的主要单糖组分；粒径破碎至5mmn时可缩短香蕉秸秆的厌氧消化时间；采用传统的单相全混反应器对破碎处理的香蕉秸秆进行厌氧消化,难以实现在高有机负荷率下的稳定运行；香蕉秸秆纤维易与搅拌装置缠绕,在反应器内呈现非均质态,致使均质态的厌氧污泥随出料流失快,反应器挥发性脂肪酸浓度迅速上升造成丙酸积累,因此反应器运行不稳定,系统效率低下。(2)四种酸碱预处理剂,在不同预处理时间(3 d,7 d和14 d)和不同预处理温度(20℃,30℃和50℃)下,对香蕉秸秆的化学组分及厌氧消化性能的影响表明：半纤维素的降解率与预处理时间和预处理温度呈正相关,纤维素和木质素的降解率受预处理时间和温度的影响不大；延长预处理时间和提高预处理温度均会造成更多的秸秆干物质损失,减少厌氧消化过程可利用的底物量；在30℃,4% NaOH处理7 d后,香蕉秸秆的甲烷产率最高,可达343.8 NmL CH4/gVS,推荐NaOH为香蕉秸秆预处理试剂。(3)不同NaOH添加量(2%,4%和6%)和不同厌氧消化进料总固体浓度(4%,6%和8%)预处理香蕉秸秆的厌氧消化性能表明：NaOH预处理香蕉秸秆的最优预处理条件和厌氧消化参数为：香蕉秸秆含水率90%,NaOH添加量为香蕉秸秆干重的4%,30-C,处理7 d,厌氧消化进料TS浓度为6%时,可获得最高累积产甲烷量和甲烷产率,且均比未处理香蕉秸秆提高了81.1%,消化时间缩短近25%。以最优预处理条件处理香蕉秸秆后,利用连续搅拌式全混反应器对预处理秸秆进行连续厌氧消化试验,结果表明：在水力停留时间为36 d,有机负荷率为1.8 kgVS/(m3·d)条件下可以稳定运行,VS去除率为55.4%,容积产气率为0.64 Nm3/(m3·d),甲烷产率为0.31 Nm3CH4/kgVS.(4)新型两相一体厌氧反应器以续批式进料方式,以10 d为进出料周期,稳定运行220 d。在有机负荷率为2.2 kgVS/(m3·d)时,以新鲜香蕉秸秆为进料,平均容积产气率最高可达1.27 Nm3/(m3·d),最大甲烷产率为0.325 Nm3CH4/kgVS,挥发性固体去除率为62.5%；以NaOH预处理香蕉秸秆为进料,每周期累积产气量可提高11%,平均容积产气率达1.41 Nm3/(m3·d),甲烷产率为0.37 Nm3CH4/kgVS, VS去除率达68.38%。碱预处理香蕉秸秆在新型两相一体厌氧反应器内停留10 d后,其厌氧生物降解率达90%以上。(5)新型两相一体厌氧反应器内部微生物种群结构呈现不均一性,总体而言,水解产酸单元的细菌和古菌多样性均高于产甲烷单元。水解产酸单元中有大量与纤维素降解和利用相关的细菌,嗜氢型甲烷菌与嗜乙酸型甲烷菌相对丰度相当；甲烷单元中甲烷鬃毛菌占据绝对优势。以上结果说明：新型两相一体厌氧反应器的产甲烷单元以利用乙酸产甲烷的途径为主,在水解产酸单元中氢型和乙酸型产甲烷途径共同存在,实现了同一反应器内的两种产甲烷方式协调共存。新型两相一体厌氧反应器处理香蕉秸秆时不易产生浮渣,运行过程中可实现固液分离,固体停留时间、水力停留时间和平均细胞停留时间分离,是适合香蕉秸秆高效厌氧消化的处理工艺。 【关键词】：香蕉秸秆 厌氧消化 两相一体 厌氧反应器 微生物种群结构
【学位授予单位】：湖南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 英文缩写词表9-15
• 第一章 绪论15-31
• 1 香蕉秸秆的产生和处置现状15-19
• 1.1 香蕉秸秆的产生与分布15
• 1.2 香蕉秸秆的利用现状15-19
• 2 香蕉秸秆的结构特点19-20
• 2.1 纤维素的结构特点19-20
• 2.2 半纤维素的结构特点20
• 2.3 木质素的结构特点20
• 2.4 香蕉秸秆特有的化学成分20
• 3 秸秆生物气转化存在的主要困难20-22
• 3.1 预处理技术方面21
• 3.2 厌氧消化工艺方面21
• 3.3 厌氧消化反应器方面21-22
• 4 秸秆厌氧消化技术及进展22-26
• 4.1 厌氧消化的基本理论22-23
• 4.2 厌氧处理工艺23-24
• 4.3 厌氧消化的影响因素24-26
• 5 秸秆预处理技术国内外研究进展26-29
• 5.1 物理预处理26-27
• 5.2 化学预处理27-28
• 5.3 微生物预处理28-29
• 6 本研究的目的、内容和技术路线29-31
• 第二章 香蕉秸秆的厌氧生物可降解性及工艺运行研究31-43
• 1 材料和方法31-35
• 1.1 试验原料31-32
• 1.2 试验接种物32
• 1.3 试验装置32-33
• 1.4 试验仪器和分析测试方法33-35
• 2 结果与分析35-41
• 2.1 香蕉秸秆的基本理化特性35-36
• 2.2 破碎粒径对香蕉秸秆厌氧消化性能的影响36-37
• 2.3 香蕉秸秆的厌氧产甲烷潜能37-39
• 2.4 香蕉秸秆的CSTR厌氧消化工艺研究39-41
• 3 本章小结41-43
• 第三章 化学预处理对香蕉秸秆生物降解性能的影响研究43-60
• 1 材料与方法43-46
• 1.1 试验材料43
• 1.2 预处理参数的确定43-44
• 1.3 厌氧消化参数的确定44-45
• 1.4 试验仪器和分析测试方法45-46
• 2 结果与分析46-59
• 2.1 预处理前后香蕉秸秆化学组分的变化46-50
• 2.2 预处理对香蕉秸厌氧消化性能的影晌50-59
• 3 本章小结59-60
• 第四章 NaOH预处理参数优化及预处理香蕉秸秆的CSTR工艺研究60-72
• 1 材料与方法60-61
• 1.1 试验材料60
• 1.2 试验装置60
• 1.3 试验仪器60
• 1.4 厌氧消化参数60
• 1.5 预处理参数的确定60-61
• 2 结果与分析61-70
• 2.1 NaOH预处理参数优化结果61-68
• 2.2 NaOH预处理香蕉秸秆的CSTR工艺运行研究68-70
• 3 本章小结70-72
• 第五章 香蕉秸秆两相一体高效厌氧消化工艺研究72-88
• 1 材料与方法72-74
• 1.1 试验材料72
• 1.2 试验仪器和分析测试方法72
• 1.3 试验装置72-73
• 1.4 反应器运行方案73-74
• 2 结果与分析74-87
• 2.1 新型两相一体厌氧消化工艺的特点74-76
• 2.2 两相一体厌氧消化工艺的稳定性和系统效率研究76-81
• 2.3 两相一体厌氧消化反应器反应动力学研究81-83
• 2.4 预处理前后香蕉秸秆两相一体消化工艺比较83-87
• 3 本章小结87-88
• 第六章 两相一体厌氧反应器微生物种群结构研究88-99
• 1 试验材料与研究方法88-91
• 1.1 污泥样品来源88-89
• 1.2 样品总DNA的提取89
• 1.3 高通量测序方法89
• 1.4 16s rDNA克隆文库的构建89-90
• 1.5 数据分析计算90-91
• 1.6 主要仪器与设备91
• 2 结果与分析91-98
• 2.1 微生物的样品丰度和多样性92-93
• 2.2 样品间相似度分析93
• 2.3 微生物组成分析93-98
• 3 本章小结98-99
• 第七章 结论、创新点与建议99-102
• 1 主要结论99-100
• 2 创新点100
• 3 建议100-102
• 参考文献102-113
• 致谢113-114
• 个人简历及在学期间发表的学术论文114

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