短时堆肥预处理对玉米秸秆固相厌氧消化性能的影响开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

本研究拟探索堆肥预处理对玉米秸秆固相厌氧消化的产沼性能的影响。中国农作物秸秆等生物质资源丰富,主要的农作物秸秆有近 20 种,每年秸秆产量约8亿t ,其中玉米秸秆的产量最大。近年来,随着农业经济的发展和人们生活水平的提高,农村生活用能中高品位的商品能源逐渐增加,出现了地区性、季节性、结构性的秸秆过剩,未得到合理利用的农作物秸秆约占一半,造成了严重的环境污染与巨大的资源浪费:秸秆露天焚烧屡禁不止,不仅造成大气污染,威胁交通安全,而且秸秆中氮、磷、有机质等得不到有效循环利用。将农作物秸秆等有机废弃物进行厌氧发酵,产生的沼气用于农户日常生活及生产可替代农村生活能源,用于供热及发电可减少化石能源的消耗,有利于缓解中国能源供求紧张的形势。由于秸秆中约有 80%为半纤维素、纤维素和木质素等致密物质,而其中难以降解的木质素与半纤维素、纤维素相互交联,使得厌氧微生物无法快速对其进行分解和利用,因此需要进行一定的预处理,以促进秸秆的高效降解,强化玉米秸秆固相厌氧消化的产沼性能,为秸秆的资源化和能源化利用提供技术支撑。

2. 国内外研究现状分析

厌氧消化(AD)作为生物质能源转化的重要途径,是一种潜力巨大的秸秆综合利用技术。固相厌氧消化(SS-AD)是指含固率高于15%的厌氧消化,与液相厌氧消化(L-AD)相比,SS-AD具有更小的反应器体积、不需要搅拌、厌氧消化后的残余废弃物更适合作为肥料(较低的含水率)、不存在沼液问题等优点(Chanakya et al,1993)。

固相厌氧消化受很多因素的影响,主要是温度、总固体含量、碳氮比等,Yan et al.研究了初始基质浓度,C / N比和温度对堆肥稻草固态厌氧消化的影响,发现木质素,纤维素和半纤维素等稻草秸秆(RS)化合物在堆肥后显着降解。并在堆肥稻草秸秆的固相厌氧消化中发现了温度,ISC和C / N比的显着交互作用,并且在T=35.6℃,ISC=20%和C / N=29.6时获得最大的沼气产量。

高白茹等人(2010)研究发现,玉米秸秆中含有的大量不易被厌氧微生物利用的木质纤维,以及启动阶段的酸抑制作用,影响了秸秆厌氧消化技术的发展。堆肥预处理作为一种成本低、操作简便、促进发酵的生物处理方式,近年来得到了广泛的关注,被认为是可以有效提高复杂基质生物可利用性的方法。Fdez-Guelfo et al.(2011)研究显示,相较于未经处理的生活垃圾有机部分(OFMSW),经过堆肥预处理可拥有更高的微生物生长速率(160205%)。Fdez-Guelfo et al.(2011) 还发现通过添加粪便的堆肥产品,可以提高OFMSW的有机物溶解,并提高生物气产量。孙健等(2014)的研究表明,对于园林废弃物(马尼拉草),堆肥预处理能够降解破坏木质素和碳水化合物之间的化学键及晶体结构,增加可溶性物质含量,提高厌氧消化产气量及甲烷含量。

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3. 研究的基本内容与计划

(1)2018.11.1-11.30基于Box-Behnken响应面设计法,考察温度(T)、初始含固率(ISC)和碳氮比(C/N)三种因素对固相厌氧消化产沼性能的影响;

(2)2018.12.1-12.30利用 Design-expert 软件的优化模块对试验结果进行复合优化,以确定 SS-AD 产沼的最佳工艺条件;

(3)2018.1.3-1.15进行堆肥预处理实验,表征短时堆肥过程中的初始含水率、堆肥温度等的变化,以分析短时堆肥对底物秸秆的影响;

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4. 研究创新点

本实验着重研究了堆肥预处理对玉米秸秆固相厌氧消化的影响,通过对第一批SS-AD试验结果的分析建立模型并复合优化得出最佳参数,在此基础上进行玉米秸秆短时堆肥预处理(SCP) -固相厌氧消化(SS-AD)实验。

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