發(fā)布時間：2020-08-02 13:04

【摘要】：當今世界對化石燃料的過度依賴和消耗對環(huán)境造成了極大的負面影響，導致人類健康風險和全球氣候變化威脅的增加。因此，有必要發(fā)展替代能源和可再生能源（renewableenergy）。以厭氧消化（anaerobic digestion）制取沼氣，因其技術簡單、原材料來源廣泛及成本低廉等優(yōu)點，日漸成為主要的生物質能利用方式。在過去的二十多年中，厭氧消化已經(jīng)作為一種有效的生物技術手段被廣泛用來解決能源短缺及緩解化石燃料造成的環(huán)境污染。 本研究以羊糞為主要研究對象，首先通過在不同溫度條件下對羊糞、牛糞、豬糞和雞糞分別進行單一原料厭氧消化，比較了羊糞同其他糞便產(chǎn)氣效率的差異；其次，研究了不同總固體濃度與羊糞單一厭氧消化之間的關系、羊糞秸稈不同混合比例進行厭氧消化對提高沼氣產(chǎn)量的作用，以及高效厭氧消化的最佳比例；最后，為進一步提高混合發(fā)酵的效率，研究了三種外源添加劑對羊糞厭氧發(fā)酵的促進作用。同時，對羊糞沼氣化發(fā)展?jié)摿M行了評價，為生產(chǎn)實踐提供理論基礎。 本研究主要取得的研究成果如下： 1、以羊糞為主要研究對象，通過比較羊糞與牛糞、豬糞和雞糞在低溫（20°C）、中溫（35°C）和高溫（50°C）3種件條下的厭氧消化結果可以發(fā)現(xiàn)，在30d的消化周期中不同溫度下各發(fā)酵組產(chǎn)氣情況均表現(xiàn)為牛糞羊糞雞糞豬糞，3個不同溫度處理之間的產(chǎn)氣情況表現(xiàn)為35°C50°C20°C。羊糞厭氧消化產(chǎn)氣效果顯著高于豬糞和雞糞，但略低于牛糞。該結果表明，羊糞比較適合用于厭氧消化的底物進行沼氣生產(chǎn)。 2、通過對不同總固體濃度（4%、6%、8%、10%和12%）與羊糞單一厭氧消化之間的關系進行研究，結果表明在總固體濃度為8%時，累積產(chǎn)氣量可達最大；當總固體濃度為4%時，發(fā)酵過程中產(chǎn)氣高峰來的較早，這是由于總固體濃度較低，底物容易降解，產(chǎn)氣量受底物總量的限制，較早的結束發(fā)酵；5種總固體濃度產(chǎn)氣量表現(xiàn)為：8%10%6%12%4%。通過回歸方程擬合，獲得最優(yōu)發(fā)酵組合，當初始TS濃度為8.27%時，可達到最大累積產(chǎn)氣量5531.18mL。該結果可為進一步優(yōu)化羊糞厭氧發(fā)酵工藝提供理論依據(jù)。 3、利用羊糞分別與小麥、玉米和水稻的秸稈進行不同混合配比（10:90、30:70、50:50、70:30和90:10，m: m）厭氧消化，結果表明在35°C條件下，混合發(fā)酵方式不僅可以有效延長產(chǎn)氣周期至55d，而且克服了單一原料發(fā)酵時C/N比的不平衡，對提高沼氣產(chǎn)量是行之有效的。通過方差分析確定，最佳的混合配比分別為GM/CS30:70，GM/CS70:30，GM/RS30:70和GM/RS50:50。然而，羊糞與麥稈混合發(fā)酵并未引起沼氣產(chǎn)量的顯著提高，造成該現(xiàn)象的主要原因是小麥秸稈中碳含量較高而氮含量不足，過高的C/N比造成發(fā)酵體系pH偏低，抑制微生物生長和甲烷生產(chǎn)。本研究同時表明，pH和VFA密切相關，隨著消化系統(tǒng)內(nèi)VFA的大量積累造成pH值下降，從而抑制發(fā)酵底物的水解率。 4、選擇磷酸二銨、蓬灰和斑脫土作為外源添加劑，研究其對羊糞厭氧消化的促進作用。分別向消化體系中添加1g/L、4g/L和7g/L的磷酸二銨、蓬灰以及斑脫土，證明了外源添加劑對羊糞秸稈混合配比厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量有促進作用。從試驗結果可以看出，三種外源添加劑均為堿性，對厭氧消化底物產(chǎn)氣都有不同程度的提高，從甲烷含量增幅來看，磷酸二銨在濃度為4g/L時對沼氣產(chǎn)量的促進作用最為明顯，濃度達到7g/L時，產(chǎn)氣量下降，因為磷酸二銨雖屬堿性，但是濃度過高容易產(chǎn)生氨抑制，從而影響沼氣產(chǎn)量；蓬灰和斑脫土均在濃度為4g/L和7g/L有較大的提高，表明二者在濃度為4g/L時即可達到對發(fā)酵較好的促進作用。 5、通過對我國羊糞資源的估算統(tǒng)計，可以看到我國羊糞沼氣化潛力巨大，每年理論沼氣總產(chǎn)量可達1.29×1010m3，相當于921萬噸標準煤，理論CO2減排量高達1.22×107t，SO2減排量達1.23×105t，環(huán)境效益明顯。通過對羊糞資源的區(qū)域分布進行分析，可以發(fā)現(xiàn)西北牧區(qū)是羊糞資源的主要集中區(qū)域，尤其是內(nèi)蒙古和新疆2個省區(qū)的羊糞沼氣化潛力占我國羊糞總產(chǎn)氣潛力的30%以上，分別達到2.33×109m3和1.59×109m3。然而由于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝的限制、羊糞資源豐富地區(qū)的復雜氣候環(huán)境及沼氣發(fā)展積極性缺乏等因素導致我國目前的羊糞沼氣化水平不高。在分析相關制約因素的同時，提出了合理布局、加大投入、改進設備等相應對策，以期為進一步提高我國的羊糞沼氣化生產(chǎn)水平提供指導和依據(jù)。
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：S216.4
【圖文】：

精等）、轉化為沼氣（biogas）等。其中以厭氧消化（anaerobic digestion）方的利用方式因其技術簡單、原材料來源廣泛及成本低廉等優(yōu)點，日漸成為主能利用方式（Rao et al. 2010）。在過去的二十多年中，厭氧消化已經(jīng)作為一物技術手段被廣泛使用來解決能源短缺及緩解化石燃料造成的環(huán)境污染（M011; Weiland 2010）。

牛糞、雞糞以及豬糞為發(fā)酵底物，分別在 20 °C、35 °C、50 °C 下進行單一厭氧消化，試驗通過使用自主設計的厭氧發(fā)酵模式，在1000 mL錐形瓶內(nèi)進行厭氧消化（見第2章）。其中包括 560 g 厭氧消化底物及 140 g 接種物。每組試驗重復 3 次。發(fā)酵啟動后，保證每天至少輕輕晃動發(fā)酵瓶 1 次，以使沼液與發(fā)酵底物充分混勻接觸。發(fā)酵周期持續(xù) 30 d。3.3 結果與分析3.3.1 20 °C 時各消化組產(chǎn)氣速率不同消化底物產(chǎn)甲烷量如圖 3-1 所示。在 20 °C 發(fā)酵狀態(tài)下，牛糞在發(fā)酵第 12 d 出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，最大產(chǎn)甲烷量是 410 mL/d；豬糞在發(fā)酵中出現(xiàn) 2 個小高峰，最大產(chǎn)甲烷量是 175 mL/d 和 285 mL/d。分別在發(fā)酵的第 8 d 和第 21 d；羊糞的最大產(chǎn)甲烷量為 370mL/d，出現(xiàn)在第 19 d；雞糞最大產(chǎn)甲烷量在第 12 d，為 290 mL/d。厭氧消化剛啟動時，產(chǎn)甲烷量較低，這是由于消化初期為產(chǎn)酸階段，甲烷菌含量較少，抑制發(fā)酵。

圖 3-2 35 °C 下 4 種糞便的產(chǎn)氣速率Fig. 3-2 Biogas production rates of 4 manure under 35 °C condition.3.3.3 50 °C 時各消化組產(chǎn)氣速率不同消化底物產(chǎn)甲烷量如圖 3-3 所示。在 50 °C 發(fā)酵狀態(tài)下，以牛糞和雞糞為發(fā)酵底物，均在第 14 d 出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，分別是 445 mL/d 和 320 mL/d；以豬糞為消化原料，分別在發(fā)酵進行到第 2 d 和第 14 d 時出現(xiàn)產(chǎn)氣峰值（分別為 237 mL/d 和 245 mL/d）。而以羊糞為底物進行厭氧消化，在第 12 d 到達發(fā)酵高峰，為 430mL，之后發(fā)酵狀態(tài)呈下降趨勢，直至反應結束。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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本文編號：2778551