预处理对稻秆厌氧发酵产气特性的影响研究

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1、‘１：０７０８论文分类号：２学校代码学号：１５０３００３ＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文’ＴｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ预处理对稻秆厌氧发酵产气特性的影响研究娜指导教师姓名：丁兰学科名称：环境科学＿■月１论文提交日期：２０１８年３ｆｌｌＪｌｆ｜｜｜’论文答辩日期：２０１８年５月氧１｜＿｜学位授予单位：陕西科技大学ＨＩＵ■■圆■麵■■■—申请理学硕士学位论文论文题目：预处理对稻秆厌氧发酵产气特性的影响研究学科门类：理

2、学一级学科：环境科学与工程培养单位：环境科学与工程学院硕士生：张敏娜导师：丁绍兰2018年5月EffectofPretreatmentonAnaerobicFermentationCharacteristicsofRiceStrawAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofScienceByMinnaZhangSupervisor:Prof.ShaolanDingM

3、ay2018预处理对稻秆厌氧发酵产气特性的影响研究摘要生物质能作为一种清洁可再生能源，其原料来源广泛，其重要的植物来源就是水稻、小麦、玉米、大豆、甘蔗等农作物。农作物秸秆作为一种重要的生物质能，其开发潜力巨大，据统计，将秸秆转化成能源的潜力达1010吨干生物质，对生物质能的研究利用已成为国内外学者当前研究的热点课题。目前，世界生态系统生物质能的年产量可高达全球总能耗量的6-10倍。据不完全统计，我国农作物秸秆的年总产量约8亿多吨，约占世界1/5，长江中下游地区水稻秸秆产量约占全国总量一半以上。采用生物质能转化技术，将农业废弃物转化成清洁、方便、高品质

4、的能源，一方面可有效解决因农作物秸秆的不合理利用带来的一系列生态环境问题，另一方面，也可以为农民带来一定的经济效益，提高农民收入。因此，如何妥善有效的处理和利用农作物秸秆，成为生物质能源合理利用和生态环境保护的重要课题。本课题以稻秆做为研究对象，对比不同的预处理技术对稻秆厌氧发酵产气特性的影响，探寻高效利用稻秆进行发酵产气的预处理技术和预处理参数。首先，水稻秸秆的预处理技术研究：选用氢氧化钙及尿素氨化两种不同的预处理方式对水稻秸秆进行预处理，通过扫描电镜、接触角表征预处理水稻秸秆的组织结构及化学性质，比较了不同预处理技术在不同预处理剂量下对稻秆组织结

5、构以及对厌氧发酵产气效果的影响。试验结果表明，采用不同方式对稻秆进行预处理后，稻秆的纤维组织结构内部均出现显著的变化，化学键发生断裂，与未处理的水稻秸秆相比，预处理后的稻秆纤维素、木质素含量均呈现出了不同程度的下降趋势。其中，木质素的降解率随着Ca(OH)2及尿素含量的增加而逐渐提高，木质素降解率最高分别达到了40.72%和27.02%。环境扫描电镜结果显示，预处理对水稻秸秆的致密结构造成了一定的破坏，微生物作用于发酵原料的比表面积增大。未经预处理的稻秆结构较为紧实，预处理后的稻秆细胞壁结构由原来的紧密变得更松散，经尿素处理后的稻秆的纤维结构呈现的更

6、加明显，并形成许多较大的孔洞；经氢氧化钙预处理后的稻秆结构受到破坏，出现断裂及凹凸不平的断层；接触角测定图像结果显示，未处理稻秆的接触角为96.5°，经6%、8%、10%质量分数Ca(OH)2预处理后稻秆接触角分别为76.7°、72.6°、80.2°；经3%、4.5%、6%尿素预处理后的稻秆接触角分别为86.3°、79.2°、72.3°，与未处理组相比，经I不同预处理后的稻秆接触角显著减小，润湿性较好，表面由不亲水性转变为亲水性；说明稻秆中木质素-纤维素结构的变化是影响其产气效率的内在原因。通过对不同预处理稻秆厌氧发酵产气效率进行对比，发现4.5%尿

7、素氨化预处理产气效果最佳，累积产气量达到17053mL，比对照组提高了50.67%，并相对缩短了产气周期。其次，对不同预处理时间和预处理温度进行了研究：结果表明，预处理时间研究结果表明预处理时间的延长，木质素也不能得到彻底降解。尿素氨化预处理7d的稻秆单位TS、VS产气速率最高，分别达到了427.25mL·g-1、478.16mL·g-1；预处理温度的变化也会对厌氧发酵系统产生不同的影响，适宜的温度可提高甲烷产气量和产气效率，但考虑到实际生产成本，常温预处理更适宜。最后，稻秆高效厌氧发酵产气预处理技术优化研究：采用基于Box-BehnkenDesig

8、ns试验设计的响应面曲线法对预处理剂量、预处理时间以及温度进行优化。优化模型的决定系数R2=0.99，表示产