中草药残渣好氧厌氧耦合发酵产甲烷特性

【摘要】：在中国中草药残渣(Chinese Herb-extraction Residues,CHER)的年产量在100万吨以上,是一种重要的固体有机废弃物。中草药工业的迅猛发展给我国经济发展城镇化建设做出了贡献,而与此同时在中草药生产过程中产生的CHER也给生态环境带来不可忽视的压力。CHER中富含糖类、甙类、葱酮、木质素、生物碱、靴质和粗蛋白等有机化合物,如处理不当会对周边生态环境造成严重打击。目前针对CHER比较常见的处理方式是卫生填埋和焚烧,然而这些处理方式会不可避免的对周边地下水源、土壤和空气造成二次污染。与此同时,CHER也是一种能够被厌氧微生物降解发酵利用的生物质资源,但CHER中中性洗涤纤维(NDF)约占50%左右,由于木质素的物理屏蔽作用,阻碍了微生物细胞胞外酶与纤维素、半纤维素的接触,限制CHER中纤维素、半纤维素的水解速率,导致其厌氧发酵过程缓慢,VS产甲烷率较低。可见木质素的降解是水解酸化的首要步骤,而木质素最初的裂解需要分子氧的存在,未经过好氧处理的木质素几乎不能在厌氧环境下被微生物降解。为此将厌氧发酵分成两相进行,即首先对CHER进行中温好氧水解产酸发酵,之后进行产甲烷发酵试验,并且将不同种类的中草药残渣(CHER)的单相厌氧产甲烷发酵过程与好氧厌氧两相耦合产甲烷发酵过程进行对比,将过程中甲烷累积产量、VS甲烷产率、日产甲烷量以及TS降解率等参数进行深入的对照研究。结果表明:(1)好氧厌氧两相耦合发酵模式对改善两种CHER产甲烷潜能提高厌氧发酵的累积甲烷产量、VS甲烷产率和日产甲烷量均有显著效果,对累积甲烷产量最大提升率为35.7%,对VS甲烷产率的最大提升率为31.1%,对日产甲烷量的最大提升率为52.4%。(2)好氧水解酸化微生物能够有效的破坏木质素的物理屏蔽使更多的纤维素、半纤维素被降解,好氧厌氧耦合发酵模式相对于单相厌氧发酵对两种CHER的TS降解率有显著的提升。(3)不同好氧水解发酵时长对两种CHER厌氧产甲烷发酵的各项指标的提升差别显著。在本试验中在对两种中草药残渣好氧水解酸化发酵24h时,CHER-A的累积甲烷产量提升了30.9%,VS甲烷产率提升了23.6%,最大日产甲烷量提升了25.5%,底物TS降解率提升到37.9%;CHERB的累积甲烷产量提升了35.7%,VS甲烷产率提升了31.1%,最大日产甲烷量提升了52.4%,底物TS降解率提升到了40.0%。所以,在好养厌氧耦合发酵模式中好氧水解酸化发酵相的最佳运行时长为24小时。 【关键词】：中草药残渣 两相耦合发酵 VS甲烷产率 累积甲烷产量 TS降解率
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X787;TQ221.11
【目录】：

• 摘要8-9
• 英文摘要9-11
• 1 前言11-24
• 1.1 研究意义与目的11-13
• 1.1.1 研究的意义11-12
• 1.1.2 研究的目的12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 国内外生物燃气产业发展状况13-14
• 1.2.2 中草药残渣的特性14-16
• 1.2.3 中草药残渣的处理现状16-17
• 1.3 厌氧发酵原理17-20
• 1.3.1 厌氧发酵中微生物的协同作用17-19
• 1.3.2 温度、pH、微量元素对厌氧发酵的影响19
• 1.3.3 底物成分对厌氧发酵的影响19-20
• 1.4 中草药残渣好氧厌氧耦合发酵20-21
• 1.5 研究内容与技术路线21-24
• 1.5.1 研究内容21-22
• 1.5.2 技术路线22-24
• 2 材料和方法24-34
• 2.1 试验材料24-27
• 2.1.1 试验装置24
• 2.1.2 发酵原料和接种物24-26
• 2.1.3 试验仪器与试剂26-27
• 2.2 试验测定项目及方法27-34
• 2.2.1 TS与VS的测定27-28
• 2.2.2 pH的测定28
• 2.2.3 产气体积及成分测定28-29
• 2.2.4 总凯氏氮的测定29-30
• 2.2.5 总糖和还原糖的测定30-32
• 2.2.6 脂肪的测定32-34
• 3 试验方案设计34-37
• 3.1 CHER两相耦合发酵试验设计34-36
• 3.1.1 好氧水解酸化相试验设计34-35
• 3.1.2 厌氧产甲烷相试验设计35-36
• 3.2 CHER单相厌氧发酵试验设计36-37
• 4 结果与讨论37-48
• 4.1 两种CHER单相厌氧发酵结果分析37-38
• 4.2 两种CHER两相耦合发酵结果分析38-45
• 4.2.1 好氧水解酸化相结果分析38-39
• 4.2.2 厌氧产甲烷相结果分析39-45
• 4.3 方差分析45-48
• 5 结论与建议48-50
• 5.1 结论48
• 5.2 建议48-50
• 致谢50-51
• 参考文献51-56
• 附录56-57
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文57

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