预处理对水葫芦和稻秸厌氧消化产沼气性能的影响研究

【摘要】：绿色可再生能源的研究开发已成为世界各国科研工作的重点。生物能源将成为未来可持续能源系统的重要组成部分。稻秸和水葫芦来源丰富,是作为能源化原料的首选之一,但因其含有木质纤维素成分,需进行预处理提高其厌氧消化效果。本文研究稻秸和水葫芦单独预处理以及两者混合青贮预处理对厌氧消化产气性能的影响,获取稻秸与水葫芦预处理及其共混厌氧消化的关键工艺参数,阐明厌氧消化产气特性与过程参数变化规律,旨在提高原料利用率和甲烷产率,以期为最大化净能量产出及工程化应用提供理论依据。 (1)研究了稻秸NaOH水热预处理和3种生物预处理下中温批式厌氧消化产气特性。结果发现,NaOH水热预处理的累积沼气产率和甲烷产率最高,分别为454.5L/kg VS和236.3L/kg VS,比未处理稻秸各增加77.3%和87.1%。菌剂和沼液预处理可一定程度提高稻秸厌氧消化过程中甲烷浓度,厌氧消化第5天菌剂和沼液预处理甲烷浓度分别比未处理高出280%和61%,但并未提高累积沼气和甲烷产率。内源微生物预处理的累积沼气和甲烷产率最低,分别为129.7L/kg VS和52.8L/kg VS. 拉曼光谱分析发现,NaOH碱处理通过破坏稻秸组织中半纤维素、纤维素和木质素的空间交联结构,促进稻秸组织中半纤维素和纤维素在厌氧消化中的利用率,从而提高NaOH预处理后稻秸的甲烷产率。 (2)研究了水葫芦叶、茎、根分别青贮(0-4d)后进行中温批式厌氧消化产气特性。并对青贮4d预处理、未处理水葫芦厌氧消化前后的叶进行切片显微镜微观比较分析。0-4d青贮后厌氧消化,水葫芦叶甲烷产率随着青贮时间的增加而增加。水葫芦叶经4d青贮,甲烷产率最高,为177.6L/kg VS,比未处理增加了26.0%。水葫芦茎经1-3d青贮,甲烷产率均高于未青贮。经2d青贮水葫芦茎累积甲烷产率达138.8L/kg VS,比未处理增加了12.3%。经4d青贮水葫芦茎甲烷产率与未处理没有显著差异。水葫芦根经1-4d青贮,甲烷产率均高于未青贮,且水葫芦根经2d青贮,甲烷产率最高,为30.2L/kg VS,比未处理增加了127.4%。未处理的水葫芦叶、茎、根的累积甲烷产率,叶最大,其次是茎,根最小。切片微观分析表明,青贮预处理可提高水葫芦叶细胞壁的降解性,从而提高其厌氧消化效率。 (3)研究了水葫芦与稻秸不同质量配比(75：25-100：0,湿基)混合青贮(30℃,25d)对其厌氧消化的影响。结果表明,混合青贮预处理可提高厌氧消化甲烷浓度和累积甲烷产率。随着稻秸比例增加,甲烷产率增加。水葫芦与稻秸按配比95：5、85：15和75：25(湿基)混合青贮后厌氧消化累积甲烷产率各为65.5、74.1和83.7L/kg VS,比未青贮分别提高了4.2%、26.8%和33.69%。 水葫芦单独青贮,添加青贮发酵液比不添加青贮发酵液,青贮料VS损失率更大,分别为25.75%和20.67%；厌氧消化甲烷浓度近似,在50%-60%之间；添加发酵液水葫芦青贮甲烷产率与未处理无显著差异,约为58L/kgVS。水葫芦添加发酵液单独青贮,并不能提高其厌氧消化产气率。水葫芦与稻秸以75：25质量配比(1：4,干基)下,经0、7、14、21d青贮后厌氧消化。结果表明,随着青贮时间增加,青贮料的质量、TS及VS减少,VS损失率增大；pH值减小；厌氧消化的甲烷浓度有一定程度提高,尤其在厌氧消化前期的甲烷浓度明显提高；累积甲烷产率提高。青贮21d甲烷产率达61.41±0.66L/kg VS,比未青贮增加了52.2%。 (4)研究了水葫芦与稻秸以75：25质量配比(1：4,干基)下混合连续厌氧消化产气特性。随着全混合连续厌氧消化系统有机负荷率从0.5gVS/(L·d)提高到1.5gVS/(L·d),沼气日产率也提高,从0.17L/g VS提高到0.28L/g VS;甲烷浓度先上升再略下降后趋向稳定；pH值先下降后上升。有机负荷率为2gVS/(L·d)时,甲烷浓度、pH值迅速下降,出现酸抑制,沼气日产率大幅度下降。对于水葫芦与稻秸以75：25(1：4,干基)质量配比下混合连续厌氧消化,有机负荷率最高不超过1.5gVS/(L·d)。研究了水葫芦与稻秸以75：25(1：4,干基)质量配比下混合青贮(30℃,25d)后连续厌氧消化产气特性。水葫芦与稻秸粉碎后混合青贮,青贮料pH值为3.98,乳酸含量为14.32mg/g。水葫芦与稻秸以1：4TS配比混合青贮后连续厌氧发酵,有机负荷率从0.5gVS/(L·d)升高到2gVS/(L·d),产气率在各阶段最终都保持稳定；甲烷浓度提高,尤其在提高有机负荷率的厌氧消化前期；且连续厌氧发酵底物pH值较稳定；随着水力停留时间的减少,发酵系统的容积产气率稳步提升。青贮预处理可提高水葫芦与稻秸混合连续厌氧消化产气性能,累积沼气产率和甲烷产率比未青贮混合产气分别增加67.3%和138.5%。 【关键词】：水葫芦 稻秸 青贮预处理 厌氧消化 沼气 甲烷
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 本论文受以下项目资助5-6
• 致谢6-7
• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 插图清单12-14
• 表格清单14-15
• 英文缩略表15-16
• 目录16-20
• 第一章 绪论20-33
• 1.1 概述20-21
• 1.2 稻秸的能源化利用21-24
• 1.2.1 稻秸资源利用状况21-22
• 1.2.2 稻秸厌氧消化的国内外研究现状22-24
• 1.3 水葫芦的能源化利用24-28
• 1.3.1 水葫芦的生物学特性及危害24
• 1.3.2 水葫芦能源化利用24-26
• 1.3.3 水葫芦厌氧消化产甲烷国内外研究现状26-27
• 1.3.4 水葫芦预处理的国内外研究现状27-28
• 1.4 青贮预处理28-32
• 1.4.1 青贮预处理28-30
• 1.4.2 稻秸与水葫芦混合青贮的可行性30-31
• 1.4.3 青贮添加剂31-32
• 1.5 研究内容32-33
• 第二章 不同预处理对稻秸厌氧消化产气性能的影响33-61
• 2.1 稻秸与接种污泥配比对厌氧消化产气性能的影响33-41
• 2.1.1 引言33-34
• 2.1.2 材料与方法34-36
• 2.1.2.1 试验材料34
• 2.1.2.2 批式厌氧消化试验方法34-35
• 2.1.2.3 分析项目及方法35-36
• 2.1.2.4 数据统计分析36
• 2.1.3 结果与讨论36-41
• 2.1.3.1 沼气日产率和累积产率36-38
• 2.1.3.2 沼气气体成分38-39
• 2.1.3.3 甲烷产率39-41
• 2.2 不同预处理对稻秸厌氧消化产气性能的影响41-52
• 2.2.1 引言41-42
• 2.2.2 材料与方法42-45
• 2.2.2.1 试验材料42
• 2.2.2.2 预处理方法42-44
• 2.2.2.3 批式厌氧消化方法44
• 2.2.2.4 分析项目及方法44-45
• 2.2.3 结果与讨论45-52
• 2.2.3.1 稻秸特性参数45-46
• 2.2.3.2 沼气日产率和累积产率46-47
• 2.2.3.3 甲烷含量47-48
• 2.2.3.4 氧化碳含量48-49
• 2.2.3.5 甲烷产率49-51
• 2.2.3.6 预处理对稻秸木质纤维素成分的影响51-52
• 2.3 基于共聚焦显微拉曼光谱研究碱处理对稻秸发酵产沼气的影响52-60
• 2.3.1 引言52-53
• 2.3.2 样品的准备53
• 2.3.3 拉曼光谱仪参数53
• 2.3.4 结果与讨论53-60
• 2.3.4.1 稻秸组织的超微观结构53-54
• 2.3.4.2 显微拉曼光谱面扫描54
• 2.3.4.3 稻叶组织拉曼光谱的主成分分析54-56
• 2.3.4.4 稻秸组织的化学成像分析56-60
• 2.4 本章小结60-61
• 第三章 青贮预处理对水葫芦厌氧消化产气性能的影响61-85
• 3.1 引言61
• 3.2 接种污泥C/N对青贮水葫芦厌氧消化产气性能的影响61-65
• 3.2.1 材料与方法61-62
• 3.2.1.1 试验材料61-62
• 3.2.1.2 青贮试验方法62
• 3.2.1.3 批式厌氧消化试验方法62
• 3.2.1.4 分析项目及方法62
• 3.2.2 结果与讨论62-65
• 3.2.2.1 元素分析62-63
• 3.2.2.2 厌氧消化沼气产率63-65
• 3.3 接种污泥浓度对水葫芦厌氧消化产气性能的影响65-66
• 3.3.1 材料与方法65
• 3.3.1.1 试验材料65
• 3.3.1.2 试验方法65
• 3.3.2 结果与讨论65-66
• 3.4 不同青贮时间预处理对水葫芦叶茎根厌氧消化产气性能的影响66-81
• 3.4.1 材料与方法66-69
• 3.4.1.1 试验材料66
• 3.4.1.2 青贮试验方法66-67
• 3.4.1.3 批式厌氧消化试验方法67
• 3.4.1.4 分析项目及方法67-69
• 3.4.2 结果与讨论69-81
• 3.4.2.1 原料特性参数69-72
• 3.4.2.2 水葫芦叶茎根的沼气产率72-76
• 3.4.2.3 水葫芦叶茎根的甲烷产率76-81
• 3.5 水葫芦叶的微观分析81-83
• 3.5.1 样品切片的制备81-82
• 3.5.2 结果与讨论82-83
• 3.6 本章小结83-85
• 第四章 水葫芦与稻秸混合青贮对厌氧消化产气性能的影响85-108
• 4.1 引言85
• 4.2 水葫芦与稻秸不同配比混合青贮对厌氧消化产气性能的影响85-97
• 4.2.1 材料与方法85-87
• 4.2.1.1 试验材料85
• 4.2.1.2 试验设计85-86
• 4.2.1.3 厌氧消化试验86
• 4.2.1.4 分析项目及方法86-87
• 4.2.2 结果与讨论87-97
• 4.2.2.1 原料特性参数的变化87-89
• 4.2.2.2 厌氧消化沼气及甲烷产率89-97
• 4.3 青贮添加剂对水葫芦青贮后厌氧消化产气性能的影响97-102
• 4.3.1 材料与方法97-98
• 4.3.1.1 试验材料97
• 4.3.1.2 试验方法97-98
• 4.3.2 结果与讨论98-102
• 4.3.2.1 水葫芦青贮特性参数的变化98-99
• 4.3.2.2 厌氧消化沼气及甲烷产率99-102
• 4.4 同青贮时间对原料厌氧消化产气性能的影响102-108
• 4.4.1 材料与方法102-103
• 4.4.1.1 试验材料102
• 4.4.1.2 试验设计102-103
• 4.4.1.3 批式厌氧消化试验方法103
• 4.4.1.4 分析项目及方法103
• 4.4.2 结果与讨论103-107
• 4.4.2.1 发酵原料的特性参数变化103-104
• 4.4.2.2 厌氧消化沼气及甲烷产量与产率104-107
• 4.4.3 本章小结107-108
• 第五章 水葫芦与稻秸混合青贮预处理对其连续厌氧消化产气性能的影响108-120
• 5.1 引言108
• 5.2 水葫芦与稻秸混合连续厌氧消化产气性能108-114
• 5.2.1 材料与方法108-110
• 5.2.1.1 试验材料108-109
• 5.2.1.2 试验装置109
• 5.2.1.3 试验设计109-110
• 5.2.1.4 分析项目及方法110
• 5.2.2 结果与讨论110-114
• 5.3 青贮预处理对水葫芦与稻秸混合连续厌氧消化产气性能的影响114-119
• 5.3.1 材料与方法114
• 5.3.1.1 试验材料114
• 5.3.1.2 试验设计114
• 5.3.1.3 分析项目及方法114
• 5.3.2 结果与讨论114-119
• 5.5 本章小结119-120
• 第六章 结论与展望120-123
• 6.1 主要研究结论120-121
• 6.2 主要创新点121-122
• 6.3 足与展望122-123
• 参考文献123-130
• 作者简历130

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

接种物数量对沼气产气量的影响    赵洪;邓功成;高礼安;李静;马媛;李永波;俸才军;张林;杨世凯;黎娇凌;

不同添加剂对小黑麦青贮饲料品质的影响    许庆方;崔志文;魏化敬;玉柱;张翔;刘豪;蒙淑芳;

上海黄浦江凤眼莲灾害的发生机理及控制对策初探    杨凤辉,马涛,陈家宽,李博

水葫芦与猪粪混合厌氧发酵产沼气研究    魏世清;覃文能;李金怀;李勇江;

不同秸秆原料发酵产沼气试验研究    覃文能;魏世清;李金怀;

提高青贮饲料质量和利用率的主要措施    李波,孙鹃,张齐卉,方华

Investigation on emission factors of particulate matter and gaseous pollutants from crop residue burning    

城市水体富营养化的生态危害及其防治措施    齐孟文,刘凤娟

水葫芦与蓝藻厌氧发酵产沼气研究    刘海琴;宋伟;高运强;韩士群;黄建萍;

稻草中温干式厌氧发酵产甲烷的中试研究    张望;李秀金;庞云芝;蔡璐平;

水葫芦厌氧发酵特性及工艺技术研究    叶小梅

青贮发酵体系中乳酸菌多样性的研究    韩吉雨

西北农村地区的生态建筑适宜技术——以银川市碱富桥村设计为例    何泉;刘加平;吕小辉;

水体的富营养化及其防治    李佐荣;鲍素敏;黄祥明;

水体富营养化的形成、危害和防治    赵不凋;刘柏朱;卢晓芳;李大;唐海;彭懿明;

重富营养化水体内凤眼莲生长特性的研究    陈玲玲,林振山,濮培民,徐尧

牧草引种与外来杂草入侵研究    田雪亮;

直接降解稻草秸秆的菌株筛选及其发酵过程研究    金显春;郭文杰;杨勇;陶文沂;

浮床栽培绿叶蔬菜对富营养化水体的净化效果    张村侠;朱世东;

城市景观水体的生物修复技术    王琳;李季;康文力;张琴;李银金;屈冉;

我国生物质能资源及其利用技术现状    曹稳根;段红;

凤眼莲植株碳·氮·磷含量的动态变化    葛绪广;王国祥;李振国;王文林;潘国权;

水体富营养化对巢湖河蚬和环棱螺分布及种群密度的影响    邓道贵;李洪远;胡万明;周琼;过龙根;

生物菌剂对秸秆厌氧发酵的影响    王赛月;牛明芬;庞小平;

水热液化技术处理水葫芦废弃物研究    张良;李长军;杨潇;张士成;陈建民;

中国能源可持续发展的功能分区方法与区划方案    沈镭;刘立涛;

苜蓿生产燃料乙醇研究    邢启明;孙启忠;高凤芹;

外来入侵植物水葫芦及其防治技术    殷利利;谭万忠;

厌氧技术在生活垃圾处理中的应用现状及发展趋势    齐岳;董保成;尹建锋;

长湖水质富营养化的人工神经网络评价研究    张昆实;

浮床种植海马齿对富营养化海水氮、磷移除能力的初步研究    张志英;黄凌风;姜丹;郑新庆;谢天宏;林玉美;洪清波;

中国能源农业发展的环境效益的定量评价和地理分布格局分析    张亚平;

淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究    谢斌飞

稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究    孙万里

玉米秸秆发酵生产酒精的研究    张强

木质纤维素大分子白腐菌改性机制及热解性质研究    杨雪薇

中国木本油料能源树种资源开发潜力与产业发展研究    刘轩

餐厨垃圾制沼及膜法沼气提纯一体化系统设计及理论研究    尼姝丽

外来入侵植物—少花蒺藜草的分布与生物学特性研究    徐军

乳酸杆菌对肉鸡生产性能、免疫机能及肠道菌群的影响    郭元晟

互花米草对河口盐沼生态系统氮循环的影响    彭容豪

中国主要生物质废物环境影响与污染治理策略研究    罗钰翔

铁锰硅对凤眼莲生物质结构的影响    武少伟

蓖麻成熟期胚抑制消减cDNA文库构建及其差异表达基因分析    高艳平

长沙市水生植物园林应用研究    胡阳阳

刺苦草等水生植物对富营养化程度不同水体净化作用研究    赵迪

木糖发酵菌种的筛选及利用玉米秸秆产乙醇工艺的研究    王罗琳

可降解纤维素的微生物菌群筛选及其性质初探    于洁

新疆生物质能产业发展研究    刘彦东

生物质快速裂解产品深加工研究    栗晓静

生物质电厂燃料供应系统的模拟与优化    俞宏德

α-淀粉酶预处理对城市生活垃圾厌氧消化的影响研究    邹成鸿

pH值对沼气产气量的影响    赵洪;邓功成;高礼安;李静;马媛;李永波;黎娇凌;俸才军;张林;杨世凯;

农村沼气主要成分简易快速测定方法    赵洪;邓功成;高礼安;李静;马媛;李永波;俸才军;张林;杨世凯;黎娇凌;

接种物数量对沼气产气量的影响    赵洪;邓功成;高礼安;李静;马媛;李永波;俸才军;张林;杨世凯;黎娇凌;

高效秸秆发酵剂优良菌种的分离筛选与鉴定    孙力军,商常发,钟德山,张树杰,张忠诚

利用人工基质无土栽培经济植物净化富营养化水体的研究    刘淑媛,任久长,由文辉

以甜高粱渣为原料发酵生产乙醇    班靖洋;张栩;谭天伟;

气相色谱法测定发酵法乳酸产品中乳酸及有机杂质    吕九琢,徐亚贤,徐金龙

城市生活垃圾生物转化乙醇初探    马会强;张兰英;刘娜;刘虹;李爽;赵喆;

添加甲酸对白花草木樨青贮品质的影响    杨富裕,周禾,韩建国

添加剂对羊草青贮发酵品质和体外消化率的影响    孙娟娟;玉柱;薛艳林;毛培胜;白春生;许庆方;单战;

小黑麦青贮饲料的研究    许庆方;崔志文;张翔;游珍珍;

凤眼莲的营养性评定与优化利用研究    李菊娣

以凤眼莲为主体的水生植物对铜污染与富营养化水体生物修复研究    胡朝华

牛粪常温厌氧发酵特性的试验研究    王丽丽

不同接种物对牛粪高温厌氧发酵过程的影响    余建峰

低温对沼气菌群产气能力的影响以及产甲烷菌的分离    杨光

蔬菜废物中温单相厌氧消化性能研究    毛菁菁

稻草中温厌氧消化产气初步研究    邹星星;郑正;陈广银;李继红;杨世关;

两相连续固体床厌氧消化反应器的试验    鲍安红;

信息长廊    蒋铭;闻有成;杨朝晖;刘育英;李小萌;王淳;

流动式厌氧消化试验车简解    龚德根;

第5届国际厌氧消化(沼气)会议    吴力斌 ,赵一章

厌氧消化醪液在农业生产中的再利用    杨耀明;

硫酸盐对厌氧消化的影响    钱泽澍

厌氧消化残留物作饲料    张无敌,胡云

城市生活垃圾厌氧消化中木聚糖酶活与产气量关系的研究    李建昌;袁亚阁;王强;徐锐;

阿维菌素对厌氧消化的影响研究    李再兴,杨景亮,刘春艳,罗人明,王艳茹,赵文霞

特定有益菌对奶牛粪便中温厌氧消化体系中指示菌存活的影响    孙翠平;柴同杰;张红双;姚美玲;李晓霞;段会勇;

生活垃圾与人粪尿混合厌氧消化的试验研究    韩艳霄;林聪;黄莹;程东林;

林可霉素菌渣厌氧消化工况优化及抑制因素分析    吴铎;管冬兴;吕凡;邵立明;何品晶;

城市生活垃圾厌氧消化反应动力学分析    卢旭珍;邱凌;张波;

厌氧消化时间对养猪场废水处理影响    吴根义;谭建纯;颜智勇;杨仁斌;

生物质废物中温联合厌氧消化的动力学研究    王典;孙轶斐;王伟;朱天乐;

微量金属元素对农业废弃物厌氧消化的作用    潘云霞;

畜禽粪便与玉米秸秆厌氧消化产气特性    罗娟;董保成;陈羚;高新星;万小春;赵立欣;

秸秆厌氧消化系统pH调控措施初探    段娜;林聪;苏珊;

四川省畜禽粪便的能源环境工程建设探讨    吴香尧;

没有最好 只有最适宜    吴文伟　马婧一

沼气产业：给2.8亿吨秸秆找出路    黄朝武

从技术到制度    本报记者 陈卫东通讯员 房树芬

新加坡用木材废料生产沼气    张敬然

垃圾场摇身变作沼气站    张亮

基于提高麦秸厌氧消化性能的碱预处理方法研究及工程应用    庞云芝

水解酶预处理对城市有机生活垃圾厌氧消化的影响    李建昌

微波结合碱解预处理改善剩余污泥厌氧消化效能的研究    池勇志

城市生活垃圾厌氧消化的关键生态因子强化研究    张记市

预处理对水葫芦和稻秸厌氧消化产沼气性能的影响研究    夏益华

蔬菜废弃物厌氧消化产酸特性及回流调控研究    左壮

剩余污泥温度分级—生物分相厌氧消化系统研究    蔚静雯

厌氧消化-SBR-絮凝组合工艺处理牛粪废水研究    张翔

餐厨垃圾厌氧消化影响因素及动力学研究    吴云

抗生素与重金属对猪场废水厌氧消化的抑制效应及其调控对策    孙建平

牛粪和鸭粪厌氧消化产气的影响因素研究    李礼

蔬菜废物两级强化水解厌氧消化实验研究    宋丽

家畜粪便厌氧消化特性与应用研究    刘德江

玉米秸秆厌氧消化试验研究    高志坚

汽爆玉米秸秆高温固态阶梯厌氧消化的研究    宋永民

食醋工业废弃物厌氧消化性能及预处理技术研究    冯璐

城市生活垃圾单基质厌氧消化研究    付云霞

蔬菜废物中温单相厌氧消化性能研究    毛菁菁

水生植物与猪粪混合厌氧消化的实验研究与工艺设计    张东旭

厌氧消化数学模型研究与应用    吴正高