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《西北农林科技大学》 2014年
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马铃薯茎叶与玉米秸秆混合厌氧发酵特性及工艺参数研究

周彦峰  
【摘要】:我国马铃薯茎叶的年产量巨大,但利用率极低,除极少数应用于有机肥料、畜禽饲养和厌氧发酵制气,大部分马铃薯茎叶都被丢弃在田间,任其自然风干、腐烂或者直接焚烧。而马铃薯茎叶中含有丰富的营养元素,是一种良好的沼气原料,且含有丰富的钾元素,厌氧发酵后的沼渣,可以作为优质的沼肥施用于土壤中,以补充钾肥的不足。只要在发酵前做好充分的预处理,在发酵过程中适当添加的补充碳源,能够获得较好的沼气产气率,并可作为高碳沼气原料的氮素补充源。 本文在探索马铃薯茎叶物料特性的基础上,以晒干的马铃薯茎叶为材料,研究不同预处理条件下马铃薯茎叶纤维成分的降解速度和效果,以及厌氧发酵过程中产气量、CH4含量及H2S含量的变化特性,在此基础上进行了三因素正交试验,探求预处理马铃薯茎叶的最佳工艺条件。最后应用二次正交旋转组合的多因素研究方法,探索了马铃薯茎叶和玉米秸秆混合厌氧发酵的特性、数学模型和优化工艺参数,以期为沼气生产提供理论依据和应用参考。 论文主要研究内容和结果包括以下方面: (1)干鲜马铃薯茎叶物料和厌氧发酵特性研究。分别对干、鲜马铃薯茎叶进行厌氧发酵,研究其物料和产气特性。试验结果表明:干马铃薯茎叶的厌氧发酵过程启动较慢,周期较长,但TS产气量较高,TS产气量288.87ml·g-1,平均甲烷含量50.80%(v/v)。新鲜马铃薯茎叶的厌氧发酵过程启动快,周期短,但TS产气量较低,TS产气量239.73ml·g-1,平均甲烷含量41.70%(v/v)。 (2)马铃薯茎叶厌氧发酵预处理单因素试验研究。分别以干马铃薯茎叶粒径d60目、60目d40目、40目d20目、d20目和不筛分;沼液浸泡干马铃薯茎叶0、2、4、6、8天;木醋液浸泡干马铃薯茎叶0、2、4、6、8天;木醋浸泡液稀释倍数0、50、100、150、200倍为条件,对马铃薯茎叶进行了单因素厌氧发酵试验,结果表明:粒径大小d60目的试验组产气潜力最大,粗纤维CF、酸性洗涤纤维ADF、酸性洗涤木质素ADL的平均降解率、TS产气量和平均甲烷含量分别为61.47%、226.13ml·g-1和51.04%(v/v)。沼液浸泡4d和2d的试验组产气潜力相对较大,木醋液浸泡2d和4d的试验组产气潜力相对较大,沼液浸泡和木醋液浸泡后马铃薯茎叶厌氧发酵的TS产气量和平均甲烷含量无明显差别,但木醋液浸泡后的马铃薯茎叶厌氧发酵产沼气中的H2S含量明显低于沼液浸泡组。稀释50倍、100倍和150倍试验组产气潜力相对较大,其中稀释100倍试验组TS产气量最高为190.48ml·g-1。稀释50倍试验组的CF、ADF、ADL平均降解率和平均甲烷含量均达到最高最高为63.37%、57.19%(v/v)。 (3)马铃薯茎叶厌氧发酵预处理工艺优化研究。在单因素试验的基础上,进行三因素三水平正交试验。结果表明:干马铃薯茎叶粒径为80目d60目,木醋液浸泡时间为3天,木醋液稀释倍数为100倍的工艺,TS产气量为243.54ml·g-1,平均甲烷含量为59.83%(v/v),优于其他工艺。 (4)马铃薯茎叶和玉米秸秆二次正交旋转组合厌氧发酵试验。以料液浓度、碳氮比、菌种质量百分数为试验条件,应用二次正交旋转组合的多因素研究方法,探索了马铃薯茎叶和玉米秸秆混合厌氧发酵的特性、数学模型和优化工艺参数。结果表明:料液浓度是影响总产气量和平均甲烷含量的主要因素。马铃薯茎叶和玉米秸秆混合原料厌氧发酵产气数量最高的工艺参数为:料液浓度10.40%、碳氮比17.50:1和菌种质量百分数20.80%。混合原料发酵产气质量最高工艺参数为:料液浓度11.20%、碳氮比18.70:1、菌种质量百分数21.50%。
【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】:2014
【分类号】:X71

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