不同预处理对玉米秸秆固态厌氧发酵特性的影响研究

发布时间：2020-04-01 14:29

【摘要】：我国农作物秸秆资源富足,有效利用秸秆等生物质能源,通过固态厌氧发酵技术将其转化为沼气及有机副产物是秸秆能源化利用中的一项重要途径。因此,本文以玉米秸秆为原料,分别对其进行沼液预处理、组合碱预处理和白腐菌预处理,控制各自的预处理时间和温度。测定玉米秸秆在预处理前后纤维组分含量,同时采用扫描电镜、傅里叶红外光谱仪和X射线衍射仪对玉米秸秆纤维组分结构特性进行测定,通过与未经预处理的玉米秸秆相比较,明确不同预处理对玉米秸秆纤维组分及特性的影响。然后将预处理后的玉米秸秆作为发酵底物,分别在常温(恒定环境温度)、中温(37℃)和高温(53℃)发酵条件下进行固态厌氧发酵试验,测定发酵期间发酵基质的TS/VS降解率、日产气量、累积产气量、VS产气量、消化时间及发酵基质的pH值和发酵前后秸秆的纤维组分含量,同时测定发酵周期内料液中耗氢甲烷菌和耗乙酸甲烷菌的数量,对比各项试验指标,探讨不同预处理方案对玉米秸秆固态厌氧发酵的影响机制。所取得的主要结论如下：(1)玉米秸秆经不同方式预处理后,其纤维组分含量、VS含量呈现不同幅度的降低趋势。其中组合碱处理的秸秆中纤维组分含量改变程度最大,纤维素含量降低了8.08%,半纤维素含量降低了10.65%,木质素含量降低了16.79%,其次白腐菌预处理和沼液预处理；其中经白腐菌预处理后VS降解率最高,可达7.6%,其次是组合碱预处理和沼液预处理,VS降解率分别为6.2%和5.7%。(2)扫描电镜结果显示,沼液预处理只是对玉米秸秆纤维表面产生破坏,破坏程度较小,组合碱预处理对秸秆的内部结构可以产生较大的破坏；傅里叶红外光谱结果显示,经过不同方式预处理的玉米秸秆中纤维素结构发生了不同程度的破坏,1365 cm-1处来自于木质素中C—H弯曲振动信号峰在组合碱处理过程中消失,说明秸秆在组合碱液作用下,木质素结构遭到严重破坏；X射线衍射结果显示,经预处理的玉米秸秆中纤维素的无定型区比例升高,纤维素的部分结晶结构遭到破坏、结晶度下降,说明预处理有助于提高纤维素的水解效率,为更高效、合理调控秸秆沼气工程预处理阶段奠定基础。(3)经预处理的玉米秸秆TS与VS降解率均高于未经预处理的玉米秸秆。常温发酵中,经沼液预处理的玉米秸秆TS与VS降解率最高,分别是45.36%与44.12%,中温和高温发酵中经组合碱预处理的玉米秸秆TS与VS降解率最高,分别是52.14%、49.15%和54.13%、52.01%。同时不同发酵温度条件下,经组合碱预处理的秸秆的纤维素降解率最高,分别是56.3%、58.8%和54.36%。说明组合碱预处理比其他两种预处理方案更显著地改变了秸秆中纤维素的含量,提高了纤维素的水解率,有助于提高玉米秸秆中有机物质的厌氧消化能力,从而提高沼气产量。同时在不同发酵温度条件下发酵料液的pH值变化趋势大体相同,经不同预处理后的玉米秸秆进行固态厌氧发酵,其发酵基质中pH值的变化趋势也大体相同。(4)玉米秸秆经不同预处理后均能不同幅度的提高其自身厌氧发酵产气速率和总产气量,缩短秸秆的消化启动时间,提高秸秆厌氧发酵产沼气能力。常温发酵条件下,经沼液预处理的秸秆累积产气量和VS产气量最高,分别是8157mL和158.63mL/gVS；中温发酵条件下,经组合碱预处理的秸秆累积产气量和VS产气量最高,分别是24924mL和363.64mL/gVS；高温发酵条件下,经组合碱预处理的秸秆累积产气量和VS产气量最高,分别是23043mL和338.82mL/gVS。(5)在发酵启动时期,与未经过预处理的秸秆相比较,经过预处理的秸秆的发酵基质中产甲烷菌的数量存在明显优势,代谢、增殖活跃。发酵过程中耗氢甲烷菌整体的数量变化趋势呈现为发酵启动期(0-10d)先缓慢上升,在发酵盛产期的前期(10-20d)加快上升,并发酵生产期荧光面积达到最大值,而后随发酵时间的延长而下降。(6)发酵过程中耗乙酸甲烷菌与耗氢甲烷菌适应发酵体系中氧化还原电位的能力不同,表现为在发酵启动期(0-10d)数量明显增高,且荧光面积均大于耗氢甲烷菌,高温条件下,经组合碱预处理的发酵基质中耗乙酸甲烷菌的数量由发酵第0d的0.96×104像素/mL快速上升到发酵第10d的5.36×104像素／mL,,然后随着发酵时间的延长,呈现降低趋势,并在发酵盛产期末期有小幅度回升而后下降直至发酵终止。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216.4

【相似文献】