秸秆用于沼气发酵原料最优工艺参数研究

【摘要】： 当前农村户用沼气发展迅速，绝大多数是以人畜粪便为发酵原料，但是由于多种原因，发酵原料日益紧缺。为了保证可持续发展，必须研究除人畜粪便外且容易出料的发酵原料及工艺。作物秸秆是农作物生产系统中一项重要的生物资源，利用厌氧发酵方法对秸秆进行处理，是一项能源环保双赢的技术。但秸秆纤维素、木质素难降解，C／N高会极大降低秸秆的厌氧发酵效果。本研究以提高秸秆厌氧发酵效率为目的，采用粉碎、石灰水浸泡和堆沤等对秸秆进行预处理。研究粉碎粒度、C／N、堆沤时间对秸秆厌氧发酵产沼气的影响，寻找最佳工艺参数；为高效利用秸秆进行厌氧发酵的研究提供一定的理论依据。本课题以秸秆为发酵原料制取沼气主要结论如下： 1．通过粉碎理论、Bond法则、正交旋转组合设计方法及实际要求找到适合本实验的物料最佳粉碎粒度范围，即x_1＞8、6＜x_2＜8、3＜x_3＜6、2＜x_4＜4、x_5＜2。 2．经过单因素分析，测定出不同浓度Ca(OH)_2溶液碱处理后的秸秆料液BOD、COD影响曲线图。得到熟石灰用量为每升料液添加9g为最佳。碱溶液处理后，经池塘水浸泡的秸秆料液COD降解率可提高30％。 3．在粉碎后，C／N的合理配比从20～30∶1上升至40∶1，证明在沼气发酵过程中，通过对秸秆合理的预处理，完全可以在发酵原料含秸秆多的情况下，达到较好的产气效果；在堆沤时间在8天的情况下，即会促进原料中产甲烷菌的增加，又不会因为因堆沤时间过程，产酸菌的积累，而使原料酸化，限制产气的发生。 4．本实验采用的实验方法为二次正交旋转组合设计，通过此实验得出三个因素(粉碎粒度(X_1)、C／N比、堆沤时间(X_3)对两个指标产气量(Y_1)、产气效率(Y_2)的影响方程和变化曲线： Y_1=15842-3536.404209X_1-2417.135921X_2+1645.216862X_3-4474.622758X_1X_1+1532.677927X_2X_1-10357X_2X_2-1704.547201X_3X_1+512.778725-X_3X_2+2999.622758X_3X_3 Y_2=0.0158-0.0029X_1-0.0065X_2+0.0010X_3+0.0006X_1X_1+0.0015X_2X_1-0.0023X_2X_2-0.0008X_3X_1-0.0003-X_3X_2+0.0008X_3X_3 5．在常温厌氧发酵中，产气量、产气率的变化规律具有明显的相关性，变化趋势基本一致。指标达到最优值时所对应的粉碎粒度、C／N、堆沤时间分别为：(4＜X＜8，40，8)，说明粉碎粒度不是越小越好，在实践中这样的结果为提高秸秆产气效果，避免因过度粉碎的能耗提供了一定的实验依据。 【关键词】：秸秆 浸泡 粉碎 厌氧发酵 二次旋转正交
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 1. 绪论9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 我国秸秆利用的状况9-11
• 1.3 国内外秸杆发酵制备沼气的现状11-13
• 1.4 课题研究目标、内容及技术路线13-15
• 1.4.1 课题研究的目标13
• 1.4.2 课题研究内容13-14
• 1.4.3 课题研究的技术路线14-15
• 2. 厌氧发酵系统机理的研究15-20
• 2.1 沼气发酵的机理及有机物分解代谢过程15-17
• 2.1.1 沼气发酵的机理15
• 2.1.2 沼气发酵的生物化学过程15-17
• 2.2 厌氧消化动力学17-18
• 2.2.1 基质的利用与微生物增长表达式17
• 2.2.2 水解动力学17-18
• 2.2.3 产甲烷动力学18
• 2.3 影响沼气厌氧发酵的基本因素18-20
• 3. 实验设计与分析方法20-28
• 3.1 材料和仪器20-21
• 3.1.1 实验材料20
• 3.1.2 实验仪器20-21
• 3.3 实验方案21-24
• 3.3.1 秸秆的粉碎22
• 3.3.2 秸秆的浸泡22
• 3.3.3 秸秆的酸化22
• 3.3.4 接种物的选择及驯化22-24
• 3.3.6 实验运转方式24
• 3.4 实验参数的确定24-26
• 3.4.1 原料负荷的确定25
• 3.4.2 接种污泥添加量的确定25
• 3.4.3 温度控制25
• 3.4.4 PH值25-26
• 3.5 测定项目及手段26-28
• 4. 秸秆预处理实验研究28-33
• 4.1 秸秆的机械粉碎28-29
• 4.1.1 秸秆的机械粉碎理论28-29
• 4.1.2 实验方法及结果29
• 4.2 石灰水浸泡预处理29-31
• 4.2.1 实验材料及仪器29
• 4.2.2 实验方法29-31
• 4.2.3 实验结果分析31
• 4.3 堆沤好氧生物处理31-33
• 5. 秸秆发酵特性实验研究33-36
• 5.1 秸秆厌氧发酵预备实验33-36
• 5.1.1 实验设计与测试参数的确定33-34
• 5.1.2 结果与分析34-36
• 6. 二次正交旋转组合实验研究36-53
• 6.1 实验安排36
• 6.2 各因素对产气量(Y1)的影响36-47
• 6.2.1 回归模型的解析与分析38-47
• 6.3 各因素对产气率(Y2)的影响47-52
• 6.3.1 实验配比及结果47-49
• 6.3.2 回归模型的解析与分析49-52
• 6.4 回归方程的模拟寻优52-53
• 7. 结论53-54
• 参考文献54-57
• 致谢57-58
• 附录一: 攻读学位期间发表的学术论文58

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