干青玉米秸秆厌氧发酵特性与优化工艺研究

【摘要】：我国作为一个农业大国，农作物秸秆产量大、分布广、种类多，特别是近几年，我国农业连年丰收，秸秆产量逐年增多。据农业部调查统计，2010年全国秸秆产量约为7亿吨，其中玉米秸秆2.73亿吨。在我国很多地方，大部分玉米秸秆不能被有效利用，而是被农户用作燃料，或者直接在大田进行了焚烧处理。秸秆就地焚烧，不仅造成资源浪费，而且污染环境，影响交通安全，甚至引发火灾、交通事故等重大安全事故。因此，如何高效利玉米秸秆成为一个迫在眉睫的课题，合理利用玉米秸秆，不仅能带动农民增收，而且符合新农村建设的要求，具有良好的社会效益、经济效益和环境效益。玉米秸秆含有30%以上的碳水化合物、2%～4%的蛋白质和0.5%～1%的脂肪，是沼气生产中一种良好的发酵原料，并在实践中得到了应用。由于玉米秸秆中木质素、纤维素、半纤维素含量高，难以降解，导致发酵启动慢，产气效率低。经过不同的预处理虽然可以从一定程度上解决这些问题，但是许多预处理方法可操作性差，在实际生产中不易得到推广。 本研究主要探索了玉米秸秆不同部位（叶片、叶鞘、茎皮、茎髓和玉米芯）的发酵产沼气潜力；通过对干玉米秸秆和青贮秸秆进行不同的预处理，探索其发酵产沼气特性；从中选择产气更优的青贮秸秆进行更深入的试验研究，以更好地提高玉米秸秆的利用率。 本研究主要研究内容和结论如下： （1）玉米秸秆不同部位的产气特性研究。试验结果表明玉米芯的产气效果最优，其总产气量为33480ml、TS产气量为279.0ml/g、日均产气量为608.72ml、平均甲烷含量为49.42%；叶片的总产气量为31030ml、TS产气量为258.6ml/g、日均产气量为564.2ml、平均甲烷含量为55.65%；叶鞘的总产气量为33020ml、TS产气量为275.2ml/g、日均产气量为600.4ml、平均甲烷含量为47.44%；茎皮的总产气量为30785ml、TS产气量为256.5ml/g、日均产气量为559.7ml、平均甲烷含量为50.65%；茎髓的总产气量为26620ml、TS产气量为221.8ml/g、日均产气量为484.0ml、平均甲烷含量为53.68%。 （2）对青贮秸秆和干玉米秸秆进行不预处理、NaOH溶液预处理和沼液浸泡预处理，然后进行厌氧发酵，探索其产气特性。试验结果表明，无论是用NaOH溶液、沼液对其浸泡进行预处理，还是不进行任何预处理，青贮秸秆的产气特性均要优于干玉米秸秆。试验结果表明：不进行预处理的试验组，干玉米秸秆厌氧发酵的总产气量52169ml、TS产气量434.7ml/g、日均产气量948.5ml、平均甲烷含量38.69%；青贮秸秆的总产气量57190ml、TS产气量476.6ml/g、日均产气量1039.8ml、平均甲烷含量42.57%。用NaOH溶液进行预处理的试验组，干玉米秸秆厌氧发酵的总产气量61056ml、TS产气量508.8ml/g、日均产气量1110.1ml、平均甲烷含量45.00%；青贮秸秆的总产气量64445ml、TS产气量537.0ml/g、日均产气量1171.7ml、平均甲烷含量47.82%。用沼液浸泡进行预处理的试验组，干玉米秸秆厌氧发酵的总产气量57990ml、TS产气量483.3ml/g、日均产气量1054.4ml、平均甲烷含量44.51%；青贮秸秆的总产气量64785ml、TS产气量539.9ml/g、日均产气量1177.9ml、平均甲烷含量48.83%。 （3）青贮秸秆厌氧发酵工艺优化研究。分别选取料液浓度为6%、8%、10%，碳氮比为20、25、30，接种物浓度20%、30%、40%，对青贮秸秆厌氧发酵进行三因素三水平正交试验。对试验数据进行极差分析，结果表明：各因素对青贮秸秆厌氧发酵产气量影响大小的主次关系为：料液TS浓度→接种量→碳氮比。从总产气量和平均甲烷含量两个指标来看，对因素B和因素C的选择是相同的，都以B_2、C_3为最佳，对总产气量和平均甲烷含量这两个指标综合考虑，TS浓度取A_3水平为好。因此通过综合分析，得出较好的试验方案是：A_3B_2C_3，即TS浓度为10%、碳氮比为25、接种量为40%是最佳发酵工艺。 【关键词】：干玉米秸秆 青贮秸秆 秸秆不同部位 预处理 厌氧发酵
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 导论12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 中国玉米秸秆资源现状及利用情况12-17
• 1.2.1 中国玉米秸秆资源现状及其特性12-13
• 1.2.2 中国玉米秸秆资源利用情况13-17
• 1.3 玉米秸秆厌氧发酵的影响因素17-19
• 1.3.1 温度对厌氧消化的影响17-18
• 1.3.2 碳氮比对厌氧消化的影响18
• 1.3.3 pH 对厌氧消化的影响18-19
• 1.3.4 微生物对厌氧消化的影响19
• 1.4 国内外厌氧发酵技术研究现状19-21
• 1.4.1 国外厌氧发酵技术的研究现状20
• 1.4.2 国内厌氧发酵技术的研究现状20-21
• 1.5 选题的目的和意义21-22
• 1.6 研究内容及技术路线22-24
• 1.6.1 研究内容22
• 1.6.2 技术路线22-24
• 第二章 玉米秸秆不同部位厌氧发酵产气潜力研究24-32
• 2.1 材料与方法24-26
• 2.1.1 试验装置24
• 2.1.2 试验材料24-25
• 2.1.3 试验设计与方法25
• 2.1.4 测定指标与方法25-26
• 2.2 结果与分析26-31
• 2.2.1 玉米秸秆不同部位厌氧发酵产气量的变化26-28
• 2.2.2 玉米秸秆不同部位厌氧发酵甲烷含量的变化28-29
• 2.2.3 玉米秸秆不同部位厌氧发酵 pH 的变化29-30
• 2.2.4 玉米秸秆不同部位厌氧发酵产气潜力比较30-31
• 2.3 小结31-32
• 第三章 干青玉米秸秆厌氧发酵预处理工艺研究32-44
• 3.1 材料与方法32-33
• 3.1.1 试验材料32
• 3.1.2 试验设计与方法32-33
• 3.1.3 指标与测试方法33
• 3.2 结果与分析33-42
• 3.2.1 未预处理的干青玉米秸秆厌氧发酵产气特性33-36
• 3.2.2 NaOH 预处理对干青玉米秸秆厌氧发酵产气效果的影响36-39
• 3.2.3 沼液预处理对干青玉米秸秆厌氧发酵产气效果的影响39-41
• 3.2.4 不同预处理的玉米秸秆的产气潜力比较41-42
• 3.3 小结42-44
• 第四章 青贮玉米秸秆厌氧发酵优化工艺研究44-51
• 4.1 试验材料44
• 4.2 试验设计与方法44-45
• 4.3 指标与测试方法45-46
• 4.3.1 原料总固体含量（TS）和挥发性固体含量（VS）的测定45
• 4.3.2 甲烷含量及 pH 测定45
• 4.3.3 产气量测定45
• 4.3.4 原料 TOC 和 TN 测定45
• 4.3.5 产气率45-46
• 4.4 结果与分析46-50
• 4.4.1 青贮秸秆厌氧发酵正交试验产气量的变化46-47
• 4.4.2 青贮秸秆厌氧发酵正交试验总产气量的数据分析47-48
• 4.4.3 青贮秸秆厌氧发酵正交试验甲烷含量的变化48
• 4.4.4 青贮秸秆厌氧发酵正交试验平均甲烷含量的数据分析48-50
• 4.5 小结50-51
• 第五章 结论与讨论51-53
• 5.1 结论51-52
• 5.2 讨论52-53
• 参考文献53-57
• 致谢57-58
• 作者简介58

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