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《武汉大学》 2014年
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玉米秸秆干式厌氧发酵转化机理及微生物演替规则研讨

杨天学  
【摘要】:干式厌氧发酵技能是总固体含率(Total solid, TS)为20-40%条件下的厌氧发酵技能,与湿式厌氧发酵比较,该办法具有节水、沼液发作量小、增温保温难度小、本钱低一级长处,成为处理生物质固体废物的重要技能之一。现在有关干式厌氧发酵技能的研讨首要为物料预处理、影响要素剖析、产气特性研讨和工艺条件优化等,没有对发酵体系内物质的转化机理和微生物演替规则展开体系研讨。 本研讨在前期工作基础上,以玉米秸秆干式厌氧发酵体系为研讨目标,经过对基质颗粒微观结构检测,纤维素、半纤维素和木质素(以下简称“三素”)不同特征官能团或衔接键降解异同性剖析,底物TS浓度与有机酸作用联系研讨,以及微生物群落结构特征改变剖析,体系阐述秸秆干式厌氧发酵进程中有机物转化机理及微生物演替规则,首要内容和成果如下: (1)玉米秸秆干式厌氧发酵实验 以玉米秸秆为研讨目标,展开了TS浓度为20%、25%、30%、35%和40%的干式厌氧发酵实验,成果标明,玉米秸秆在TS浓度为20-35%条件下,各干式厌氧发酵体系均能成功发动和安稳运转,一起TS浓度为30%的发酵体系产气量最大、减量化作用最好,TS和挥发性有机物(Volatile solid, VS)的削减量别离为43.3%和43.8%,体积减少了48.3%,沼气产值为194.4m3/t·VS,甲烷含量到达52.2%-64.2%。 (2)基质颗粒微观结构剖析 选用扫描电镜(ESEM)、X射线衍射(XRD)、傅立叶改换红外光(FTIR)办法,对干式厌氧发酵进程中基质颗粒外表形状、内部结晶程度、分子外表官能团/衔接键动态改变进行剖析,成果标明,基质颗粒外表形状的损坏与发酵时刻及TS浓度均相关,随时刻延伸逐步被损坏,TS为20%和25%时外表形状开裂显着、发作时刻短,TS为30-35%时干式厌氧发酵后仅在外表构成槽型孔,TS上升到40%颗粒外表形状未发作显着改变;基质颗粒结晶度和微晶尺度呈显着下降-上升-再下降的波动性改变,且基质TS浓度与颗粒结晶度的相关性由开始的-0.088上升为结束时0.698;红外特征峰方位首要在872cm-1、1000-1030cm-1、2920cm-1和3100-3680cm-1处,且发酵进程中改变趋势差异大。 (3)颗粒内三素特征官能团转化机理 使用FTIR技能,对秸秆中纤维素、半纤维素、木质素中不同官能团/衔接键在干式厌氧发酵进程中转化差异性进行了剖析,成果标明,干式厌氧发酵进程中,纤维素、半纤维素与木质素的降解份额较小,尴尬降解有机物,但纤维素降解份额达40.5%,显着高于半纤维素19.1%和木质素17.0%。纤维素中p-葡萄糖苷键、C-H、O-H和CH2-CH2特征峰相对强度改变差异显着,且各处理中CH2-CH2均最难降解;半纤维素聚木糖的C=O和其它类型C=O特征峰强度发酵进程中的降解份额未存在显着不同,但发酵进程中的降解趋势存在着显着不同,当TS小于35%时,基质内的聚木糖C=O降解速率要略低于与其它类型C=O,当TS为40%时,聚木糖C=O降解速率要略高于与其它类型C=O。木质素中的苯环、C-H、C-O-H、O-H、C-C、C-O-C和C=O在干式厌氧发酵进程中改变趋势不一致,苯环为木质素中最难降解的官能团,C-O-C、C=O和C-C为较易降解官能团。 (4)干式厌氧发酵体系内有机酸发作机理研讨 经过对干式厌氧发酵体系内挥发性有机酸(VFAs)发作规则研讨、特征有机酸的挑选,结合有机酸含量与发酵底物TS浓度之间的相关性剖析,成果标明,玉米干式厌氧发酵进程中,VFAs含量尽管阅历了上升、安稳和下降,但发酵结束时VFAs含量康复到开始阶段的含量邻近;一起,发酵体系内的VFAs含量不受底物TS浓度影响,一般为127mg/L左右;VFAs首要由乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸的组成,不同处理中有机酸百分含量在发酵进程中均根本保持安稳,其间乙酸为优势有机酸(36.3-41.7%),丙酸含量最低(5.9-8.0%)。干式厌氧发酵进程中乙酸含量在46.6~68.5g/L规模之间,结合乙酸与产甲烷相关性剖析标明,以为乙酸含量为48.0-54.6g/L为最佳产甲烷浓度,乙酸浓度为46.6-47.2g/L和55.0-60.0g/L时将按捺甲烷的发作。 (5)微生物动态演替规则研讨 选用PCR-DGGE办法对干式厌氧发酵进程中微生物进行了检测,剖析了发酵进程中细菌、放线菌和真菌的演替规则、群落结构多样性及类似性动态改变趋势,成果标明,DGGE图谱显现微生物条带总数、品种及亮度都发作了较大改变,细菌、放线菌和真菌结束时与开始阶段的微生物类似度别离为46.9%、59.9%、48.7%,且三类微生物改变最大的阶段首要在发酵的前5d,其间细菌、放线菌和真菌的类似度别离降低了39.4%、27.0%、34.5%。
【学位颁发单位】:武汉大学
【学位等级】:博士
【学位颁发年份】:2014
【分类号】:X712;X172

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