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1、分类号：华中农业大学硕士学位论文】838676密级：秸秆用于沼气发酵原料最优工艺参数研究T h es t r a ws t a l ku s e si nt h em e t h a n ef e r m e n t a t i o nr a wm a t e r i a lm o s t s u p e r i o rc r a f tp a r a m e t e rr e s e a r c h研究生：盛凯指导教师：张衍林教授专业：农业机械化工程研究方向：设施环境与控制获得学位名称：工学硕士获得学位时间：2 0 0 7 年6 月2 6 日华中农业大学工程技术学院二o o 七年六月I I
2、l ll lUl l I Ii1 1 11 1 1U I Y 18 12 4 9 3华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书学位论文是如需保密，解密时间w 7 心年厂月) 蛔是否保密独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。研究蚴：b 众别帆加7 年占月舯学雠文储始Q 公剔锄鲐旅加气名签名日
3、期：如6 月f 、莎日签名日期：砷年月r 夕日注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之问目录摘要IA b s t r a c t I I 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 我国秸秆利用的状况1 1 3 国内外秸杆发酵制备沼气的现状31 4 课题研究目标、内容及技术路线5 1 4 1 课题研究的目标51 4 2 课题研究内容5 1 4 3 课题研究的技术路线6 2 厌氧发酵系统机理的研究72 1 沼气发酵的机理及有机物分解代谢过程7 2 1 1 沼气发酵的机理7 2 1 2 沼气发酵的生物化学过程7 2 2 厌氧消化动力学92 2 1 基质的利用与微生物增长表达式9 2 2 2 水解动力学
4、92 2 3 产甲烷动力学1 0 2 3 影响沼气厌氧发酵的基本因素1 0 3 实验设计与分析方法1 23 1 材料和仪器1 2 3 1 1 实验材料1 2 3 1 2 实验仪器1 2 3 3 实验方案1 3 3 3 1 秸秆的粉碎1 4 3 3 2 秸秆的浸泡1 4 3 3 3 秸秆的酸化1 43 3 4 接种物的选择及驯化1 4 3 3 6 实验运转方式1 6 3 4 实验参数的确定1 6 3 4 1 原料负荷的确定1 73 4 2 接种污泥添加量的确定1 7 3 4 3 温度控制1 73 4 4P H 值1 7 3 5 测定项目及手段1 8 4 秸秆预处理实验研究2 04 1 秸秆的机械
5、粉碎2 04 1 1 秸秆的机械粉碎理论2 0 4 1 2 实验方法及结果2 14 2 石灰水浸泡预处理2 l 4 2 1 实验材料及仪器2 l 4 2 2 实验方法2 1 4 2 3 实验结果分析2 3 4 3 堆沤好氧生物处理2 3 5 秸秆发酵特性实验研究2 55 1 秸秆厌氧发酵预备实验2 55 1 1 实验设计与测试参数的确定2 55 1 2 结果与分析2 6 6 二次正交旋转组合实验研究2 86 1 实验安排2 86 2 各因素对产气量( Y 1 ) 的影响2 8 6 2 1 回归模型的解析与分析3 06 3 各因素对产气率( Y 2 ) 的影响3 9 6 3 1 实验配比及结果3
6、 9 6 3 2 回归模型的解析与分析4 1 6 4 回归方程的模拟寻优4 4 7 结论4 5 参考文献4 6致谢4 9 附录一：攻读学位期间发表的学术论文：5 0摘要当前农村户用沼气发展迅速，绝大多数是以人畜粪便为发酵原料，但是由于多种原因，发酵原料F j 益紧缺。为了保证可持续发展，必须研究除人畜粪便外且容易出料的发酵原料及工艺。作物秸秆是农作物生产系统中一项重要的生物资源，利用厌氧发酵方法对秸秆进行处理，是一项能源环保双赢的技术。但秸秆纤维素、木质素 难降解，刚高会极大降低秸秆的厌氧发酵效果。本研究以提高秸秆厌氧发酵效率为目的，采用粉碎、石灰水浸泡和堆沤等对秸秆进行预处理。研究粉碎粒度、
7、C N 、堆沤时间对秸秆厌氧发酵产沼气的影响，寻找最佳工艺参数；为高效利用秸秆进行 厌氧掬辫陌移凿拟定盼嘣仑依据。本课题嘶懒幼剃剽嘴师鼯忾主要结讫汝f f F -1 通过粉碎理论、B o n d 法则、正交旋转组合设计方法及实际要求找到适合本实验的物料最佳粉碎粒度范围，即x l 8 、6 8 ，6 8 或P H 8 、6 8 和X 8 、C N 为5 6 的秸秆1 5 k g ，新鲜猪粪0 6k g ，经驯化后的接种污泥0 1k g ，按照料液浓度为8 配制成发酵液。I I ：根据公式，取粉碎粒度为X 8 ，C N = 6 0 ：l 的秸秆为原料的料液产气量 l + 以粒度x 6 0 ：l 的
8、秸秆为原料的料液产气量图5 1 秸秆厌氧发酵预备实验结果F i g 1t h er e s u l to fs t r a w从图5 1 可以看到粉碎粒度为X 8的秸秆第四天才产气，这说明H 组比I 组产气速度快；但是，从图像看出粉碎粒度X 8 产气的峰值要比粉碎粒度为X 8 的产气能力明显弱于粉碎粒度为X 粉碎粒度( X 1 ) 堆沤时间( X 3 ) 。华中农业人学硕_ ：学位论文表6 4 主因素F 检验结果表T a b l e 6 4T h er e s u l to ff a c t o rm a i n l yFt e s t6 212 单因子效应分析对二次回归模型采用降维法，将模型
9、中的C N ( X 2 ) ，堆沤时间( X 3 ) 分别固定在1 ，0 ，1 三个不同的水平上，得出单因子粉碎粒度( x 1 ) 对产气量( Y 1 ) 的效应方程：方程1f l ( x l ，- 1 ，一1 ) = 3 8 7 0 0 7 5 0 - 6 7 7 3 6 2 9 3X l - 4 4 7 4 6 2 2 7 5X 1 z方程2f , ( x l ，0 ，0 ) = 1 5 8 4 2 3 5 3 6 4 0 4 2 0 9x l - 4 4 7 4 6 2 2 7 5 8X 1 2方程3f , ( x 1 ，1 ，1 ) = 1 0 2 2 2 6 2 3 6 9 0 8
10、- 3 7 0 8 2 7 3 4 8 3 x a - 4 4 7 4 6 2 2 7 5X 1 2。：粉碎粒度( X 1 ) 处于不同值时，总产气量有很大的区别：图6 1 粒度对总产气量影响的曲线图F i g 6 1T h ee f f e c to fg r a n u l eo nt h et o t a lp r o d u c t i o no fb i o g a s从图6 1 中可以看出，无论C N ( X 2 ) 和堆沤时间( X 3 ) 固定在哪个水平，随着秸秆粉碎粒度( X 。) 的增加，产气量( Y 1 ) 呈逐渐下降的趋势。这是由于秸秆由木质素，纤维素半纤维素，果胶和蜡
11、质组成，进行沼气发酵秸秆难于消化，其中木质素不能被分解，纤维素分解也比较慢。当秸秆粉碎粒度( X 1 ) 较小时，能使农作物秸秆内部天然有机质易于分解，加强厌氧发酵菌的营养，使培养基有较大的反应表面，3 1二次正交旋转组合实验研究物料越细，发酵菌与培养基之间的接触面越大，因此能使底物消化较彻底，产气速度加快，从而提高了原料的利用率和产气率。当C N ( X 2 ) 和堆沤时间( X 3 ) 处于1 ，0 ，1 三个不同的固定值时，总产气量有较大区别。当C N ( x 2 ) 处于O 水平时总产气量( Y 1 ) 均大于C N ( X 2 ) 固定在1 和1 水平的总产气量( Y 1 ) 。这充
12、分说明，在秸秆发酵制沼的过程中，C N 比也是一个重要的因素，只有在一个合理的范围内，对秸秆发酵制作沼气才会有帮助。所以，在降低粉碎粒度的同时，C N 比要控制在一个合理的范围内。C N ( X 2 ) 对总产气量( Y 1 ) 的影响如前所述，秸秆是富碳原料，其碳素含量相当高。而沼气微生物对原料碳氮比有一定要求，沼气发酵原料配料的炭氮比在2 0 ：1 - 3 0 ：1 之间为好。而单纯的秸秆其C N 在6 7 ：1 ，这就意味着单纯用秸秆发酵，其效果肯定不好。但是，沼气发酵适宜的C N 与原料性质有关，同时也受微生物区系和发酵条件等多因素的影响，所以提供的C N 的幅度较大，从预备实验来看，在同样条件下粒度小的秸秆就比粒度大的秸秆产气多，所以旨在通过对C N = 1 3 - - 一6 7 之间的发酵实验来研究其产气的变化规律及特性。将模型中的粉碎粒度( X 1 ) 与堆沤时间( X 3 ) 分别固定在1 ，0 ，1 三个不同的水平上，可以得出C 瓜( X 2 ) 对总产气量( Y 1 ) 的单因子效应影响模型：方程1f l ( 1 ，X 2 ，一1 ) = 8 5 5 4 3 9 4 6 3 + 4 4 6 2 5 9 2 5 9 8 x 2 - 1 0 3 5 7X 2 方程2f l ( 0 ，X 2 ，0 ) = 1 5
