玉米秸稈與豬糞兩階段厭氧消化反應(yīng)機(jī)理及關(guān)鍵參數(shù)研究.pdf

1、目前，我國(guó)秸稈理論資源量為8.4億噸，可收集資源量約為7億噸。由于缺乏有效的處理方式，約有2.47億噸的秸稈被廢棄或直接焚燒，不僅污染了環(huán)境，更是對(duì)資源的極大浪費(fèi)。我國(guó)同時(shí)也是生豬養(yǎng)殖大國(guó)，2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，生豬糞污產(chǎn)生量近30億噸，合理有效地處置秸稈及畜禽糞便已成為當(dāng)務(wù)之急。
　　本論文選擇玉米秸稈和生豬糞便為混合原料，采用固態(tài)產(chǎn)酸和液態(tài)產(chǎn)甲烷兩階段厭氧消化新工藝，研究了兩階段厭氧消化的反應(yīng)機(jī)理、影響因素、關(guān)鍵工藝參數(shù)及微

2、生物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。論文研究成果可為玉米秸稈與豬糞混合原料固-液兩階段厭氧發(fā)酵工藝開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
　　論文分析了13種木質(zhì)纖維素原料的理化特性和產(chǎn)甲烷潛力，研究發(fā)現(xiàn)累積沼氣產(chǎn)量、累積甲烷產(chǎn)量與木質(zhì)纖維素類原料的半纖維素含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)；與木質(zhì)素含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)；而與原料的可溶性糖含量、VS/TS含量、TOC含量、TC含量以及C/N無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系。其中玉米秸稈的

3、產(chǎn)沼氣潛力最高，其沼氣產(chǎn)率與甲烷產(chǎn)率分別為478.6Nml/gVS與252.2Nml/gVS。豬糞的沼氣產(chǎn)率與甲烷產(chǎn)率分別為617Nml/gVS和337Nml/gVS，最大產(chǎn)甲烷速率為39.7Nml/(g·d)VS。玉米秸稈與豬糞混合后，可使發(fā)酵原料C/N和含水率更適合厭氧消化。
　　論文得出固體產(chǎn)酸發(fā)酵的工藝優(yōu)化條件為：豬糞與秸稈原料配比為2:1，沼液回流量25％，沼液回流間隔時(shí)間12～24h。靜態(tài)固體產(chǎn)酸過(guò)程在6～10d為高峰

4、期，20d以后維持在較低水平。固體產(chǎn)酸消化為乙酸型發(fā)酵，消化產(chǎn)物 VFA中乙酸占有機(jī)酸60%以上，丙酸濃度低于1.0g/L，適合于產(chǎn)甲烷厭氧消化。
　　液態(tài)產(chǎn)甲烷反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同pH水平下，35℃厭氧消化的沼氣產(chǎn)率高于55℃；相同消化溫度下，當(dāng)pH高于7.0時(shí)，沼氣產(chǎn)率隨pH的升高而降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，pH為7.0，35℃為液態(tài)產(chǎn)甲烷發(fā)酵的最適參數(shù)。中溫消化中，乙酸營(yíng)養(yǎng)型甲烷鬃毛菌屬M(fèi)ethanosaeta為優(yōu)勢(shì)菌屬，主

5、要通過(guò)乙酸氧化生產(chǎn)甲烷，在中低 pH（6.5～7.5）下相對(duì)豐度高于>70%；高溫消化中，Methanosarcina甲烷八疊球菌屬為優(yōu)勢(shì)菌屬，在pH為7.0～7.5時(shí)相對(duì)豐度在60%以上，除可利用乙酸合成甲烷外，還可利用H2和CO2生成CH4，但速率較低，使高溫消化甲烷產(chǎn)量低于中溫消化甲烷產(chǎn)量；游離氨的增加是甲烷產(chǎn)率降低的主要原因，對(duì)于高含氮有機(jī)廢棄物厭氧消化，不宜采用高溫厭氧消化。
　　通過(guò)連續(xù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，得出兩階段厭氧混合發(fā)酵

6、的最佳豬糞與秸稈原料比、沼液回流比、沼液回流間隔時(shí)間、固體產(chǎn)酸反應(yīng)器有效容積與液體產(chǎn)甲烷反應(yīng)器有效容積比、固體消化停留時(shí)間，液態(tài)消化階段的有機(jī)負(fù)荷、水力停留時(shí)間等最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果還顯示，沼液回流對(duì)調(diào)節(jié)產(chǎn)酸消化體系pH具有明顯作用，沼液回流量和回流間隔時(shí)間是調(diào)控固體產(chǎn)酸消化的重要參數(shù)。沼液回流參數(shù)也受液體產(chǎn)甲烷消化參數(shù)影響，是耦合兩階段厭氧消化，減少沼液排放的關(guān)鍵；
　　通過(guò)對(duì)兩階段厭氧消化過(guò)程中不同階段種群結(jié)構(gòu)的分子生物學(xué)試

7、驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，固態(tài)產(chǎn)酸階段細(xì)菌和古菌優(yōu)勢(shì)種群隨著消化時(shí)間的延長(zhǎng)存在明顯的演替，其中厚壁菌門(Firmicutes)、變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)與浮霉菌門(Planctomycetes)為細(xì)菌中優(yōu)勢(shì)種群；古菌以氫營(yíng)養(yǎng)型的甲烷細(xì)菌屬為優(yōu)勢(shì)種群。產(chǎn)甲烷階段，細(xì)菌和古菌群落結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。其中厚壁菌門為細(xì)菌中的優(yōu)勢(shì)種群；氫營(yíng)養(yǎng)型的甲烷桿菌屬、甲烷囊菌屬與乙酸營(yíng)養(yǎng)型的甲烷八疊球菌屬為優(yōu)勢(shì)種群。