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小麦秸秆高效厌氧发酵特性研究

张彤  
【摘要】:我国是传统农业大国,众多的农业人口导致农村能源短缺。大力发展沼气技术,既为人们提供了良好的生物质能源,又充分利用了农业、畜牧业废弃物,为农户提供了有机肥料,具有显著的能源、经济、生态和环保效益,已广泛应用于农作物粪便、秸秆等废弃物的资源化利用及无害化处理。厌氧消化指在无氧环境下,利用兼性厌氧菌群或专性厌氧菌群分解有机物质(包括农作物秸秆、粪便、工农业排放出的废弃物中所含的有机物等),同时产生可利用的能源(沼气)的生物处理方法,由于整个消化过程受原料的组成、细菌、真菌等因素的影响,其反应机理非常复杂,厌氧发酵的微生物基本分为三大类:发酵水解性细菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌。在发酵过程中分泌出有特殊催化能力的酶类,这类酶有启动发酵、加速分解的能力,对有机物质分解转化过程有着非常重要的作用。因此,有机物的厌氧发酵过程其实是微生物生化反应的过程,该过程在碳循环中,起着非常重要的作用。 探索发酵原料产气量与pH值、挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFA)之间的关系,确定最佳原料配比、发酵温度是本研究的关键。本试验在恒温条件下,以不同配比的鸡粪、牛粪、猪粪分别与麦秆的混合物为原料,在20℃~40℃范围内进行厌氧发酵,研究pH值和VFA对沼气产量的影响,结果显示: 1、鸡粪与小麦秸秆混合发酵,产气时间约50d。产气速率高温条件下的高于低温。整个发酵过程中,35℃鸡麦3:1产气速率最大,峰值为467 mL/d ,20℃鸡麦1:2产气速率最小,峰值为188 mL/d;40℃鸡麦3:1累积产气量最高,达11492mL,20℃鸡麦3:1累积产气量最低,为3082mL。 2、牛粪与小麦秸秆混合发酵,产气时间约39d。产气速率高温条件下的高于低温。整个发酵过程中,40℃牛麦2:1产气速率最大,峰值为815mL/d,20℃牛麦1:1产气速率最小,峰值为147 mL/d;40℃牛麦2:1累积产气量最高,达12315mL,20℃牛麦1:2累积产气量最低,为4468mL。 3、猪粪与小麦秸秆混合发酵,产气时间约56d。产气速率高温条件下的高于低温。整个发酵过程中,40℃猪麦3:1产气速率最大,峰值为320mL/d,25℃猪麦2:1产气速率最小,峰值为147 mL/d;40℃牛麦3:1累积产气量最高,达7998mL,25℃猪麦3:1累积产气量最低,为3957mL。 4、在相同温度下,各配比之间的产气量存在一定差异。鸡粪与小麦秸秆混合发酵,在25℃、30℃发酵条件下,随着麦秆比例的增加,产气量逐渐递增;在35℃、40℃发酵条件下,随着麦秆比例的减少,产气量逐渐递增。牛粪与小麦秸秆混合发酵,四个温度下,均随着麦秆比例的增加,产气量逐渐减少。猪粪与小麦秸秆混合发酵,在25℃、30℃发酵条件下,随着麦秆比例的增加,产气量逐渐递增;在35℃、40℃发酵条件下,随着麦秆比例的增加,产气量逐渐递减。 5、日产气量同pH、VFA三者之间有着密切的关系。pH与日产气量成正比,pH值低于6.9,甲烷菌活性受到抑制,产气量低;日产气量达到高峰时pH值为7.0~7.4。温度波动过大,亦可降低甲烷菌分解VFA的速度,导致VFA积累,使VFA升高,VFA与日产气量及pH成反比,VFA越高,产气量越低。


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