农产品加工废弃物厌氧发酵特性的研究

分类：论文范文 发表时间：2020-03-10 11:12

　　摘要：采用厌氧发酵技术处理农产品加工废弃物，不仅能获得生物质能源沼气，而且可将发酵后的沼液沼渣用作肥料，是实现资源循环利用、解决能源紧缺和环境污染的有效手段。本研究首先对甘蔗渣、木屑、菇渣、啤酒糟、酱油糟和木薯渣作为厌氧发酵原料的合理性及适用性进行理论分析；然后为了考察初始干物质浓度对产甲烷性能、液相代谢产物及有机质降解的影响，以这六种农产品加工废弃物为原料，在中温条件下，进行不同初始干物质浓度的厌氧发酵。最后，通过对六种农产品加工废弃物的产气特性及有机物降解情况进行对比，初探农产品加工废弃物产气潜能及有机质的降解规律，为今后的研究提供理论依据。本文主要研究内容及成果如下：(1)初始干物质浓度对六种农产品加工废弃物的产气和有机物的降解的影响相似，均呈现出随初始干物质浓度的增加而先增加后减少的趋势。甘蔗渣、木屑、菇渣和啤酒糟的最适初始干物质浓度为10％，此时VS产甲烷率分别为144．97mL·g～、37．13mL·g一、134mL·91和394．63mL·g～；VS降解率分别为42．54％、30．21％、43．91％和66．07％。酱油糟的最适初始干物质浓度为6％，此时VS产甲烷率和VS降解率分别为209mL·g。和48．33％；木薯渣的最适初始干物质浓度为2．5％，此时VS产甲烷率和VS降解率分别为157．97mL·g-1和48．33％。(2)六种农产品加工废弃物的厌氧发酵产甲烷过程都具有：发酵启动较快，结束相对缓慢的特点。对于同一种原料，厌氧发酵的TS降解率与VS降解率呈正比，但对于不同种原料之间，厌氧发酵TS降解率与VS降解率不呈正比，因此，考察不同原料的利用的程度，不能只分析TS或VS降解一个指标，要对二者进行综合分析。

　　关键词：农产品加工废弃物：厌氧发酵；沼气；有机质

　　1前言

　　1．1研究的目的及意义

　　能源紧缺与环境污染是当今世界面临的两大主要危机。能源是人类赖以生存的物质基础，是人类社会和经济发展的重要驱动力。当今世界仍以石油、煤炭、天然气等化石能源作为能源经济的基础。随着现代工业的发展，全球能源需求总量的急剧增加，全球能源耗竭速度也迅速攀升，一直以年均不低于2％的速度增长。据估算，如果按照当今化石能源的储量及消耗、开采速度来计算，预计石油将于2050年不复存在，天然气将于2070年消耗殆尽，到2230年煤炭也将完全耗尽。能源紧缺已经成为制约各国社会经济发展的重要因素。

　　1．2国内外资源化利用及技术研究现状

　　1．2．1资源化利用现状

　　本文研究的6种典型农产品加工废弃物的性质各具特色，因此其资源化利用的主要途径也各有不同，但就一种废弃物而言，其国内外资源化利用的主要途径大体上是相同的。

　　1．2．1．1甘蔗渣

　　在我国甘蔗作为重要的糖料经济作物，种植面积每年可达120万hm2，而大部分的制糖工业都以甘蔗为主要原材料。甘蔗渣是甘蔗经榨取蔗汁、提取糖分后余下了的甘蔗茎类渣粕。目前甘蔗渣主要应用研究在以下几个方面：制浆造纸。由于在制浆前要对甘蔗渣进行除髓处理，故在造纸中主要利用的是甘蔗渣中的纤维素和木质素，而半纤维并没有得到利用。因此利用甘蔗渣制浆造纸不仅不能充分的利用资源，而且经济效益不高。用作燃料焚烧。从热值角度分析，甘蔗渣(50％含水率)的燃烧值约为9211～9839kJ／kg，仅相当于木材的55％，烟煤的28％，燃料油的18％，天然气的15％[18]o从热效率角度分析，其热效率仅为10％～30％，热效率极低，浪费了能源。从环境保护角度分析，燃烧不仅会产生大量CO：而且会造成“雾霾”。可见，利用甘蔗渣作为锅炉燃料并不是很经济的利用途径。

　　1．2．1．2木屑

　　木屑是木材Nq-后的一种剩余物，属于高纤维类有机废弃物。全国范围内，木材加工剩余物的利用率很低，只有10％左右，大多数则被闲置或者作为垃圾耗资处理。目前木屑的主要应用研究在以下几个方面：木屑吸附剂。木屑本身木质纤维素含量丰富，结构呈多孔状，并且其表面含有大量可吸附各类污染物的烃基、梭基等官能团，因此，木屑具有做吸附剂的潜力。再利用。木屑来源广泛且成本低廉，可对其加以物理、化学处理，制造出具有较高价值的产品，如人造板。作为肥料或者饲料。木屑在人工条件下经过降解或者水解后可作为肥料或饲料。作为培养蘑菇的栽培基质。例如木屑培养基栽培香菇的配料为78％干木屑，麸皮20％，石灰和石膏各1唰口J。木质燃烧颗粒。木质颗粒燃料是木屑经过干燥、加压成型和冷却处理后制成的，可用于锅炉燃料的燃料产品【241，可替代轻油等化学燃料。木屑还可以用于生产酒精等洁净能源、活性炭等热解产品、糠醛等水解产品。

　　2材料与方法

　　2．1试验材料

　　2．1．1试验装置本试验装置如图2．1所示，自制厌氧发酵反应器采用三角瓶作为主体反应器，选用大小适宜的橡胶塞，利用打孔装置在其中部钻有一个圆孔，用来连接玻璃三通管，三通管的一端由橡胶管连接1L铝箔集气袋用来收集气体，另一端连接的橡胶管用止水夹夹紧，止水夹作为排气的开关，将此装置作为封口器，然后采用玻璃胶将反应器与封口器粘合。恒温震荡培养箱用来放置反应器。由于本试验均是在中温水平下操作，故设置的温度为35±1℃，转速为120r／min。黢。■，≥蒲器

　　2．1．2接种物及发酵原料

　　接种物取自东北农业大学能源与动力实验室中试基地长期稳定运行的中温厌氧发酵产甲烷反应器。牛粪经在35℃条件下进行厌氧发酵，运行30d，最终平均容积产甲烷率稳定在1．5L／(L·d)。试验开始前3一"4d，反应器停止进料，待完全停止产气后，将发酵料液作为接种物待用。其理化性质见表2．1。

　　3试验设计与数据处理

　　首先，本文对甘蔗渣、木屑、菇渣、啤酒糟、酱油糟和木薯渣的基本组成进行测定和分析；其次，由于影响厌氧发酵过程的因素有很多，主要包括温度和干物质(TS)浓度等。其中，干物质浓度是决定厌氧发酵成败的关键因素。干物质浓度过高，容易出现酸化现象，导致产甲烷失败，过低则容器的利用率低，影响厌氧发酵的效率。本文研究了不同初始干物质浓度对六种农产品加工废弃物的厌氧发酵特性及有机质的降解情况的影响，以期为农产品加工废弃物的资源化利用提供参考。最后，通过对以上废弃物的厌氧发酵产气特性及有机质的降解情况进行比较，初探农产品加工废弃物的产气和有机质降解规律。

　　3．1试验设计

　　3．1．1六种农产品加工固体废弃物组成特性的测定为了考察甘蔗渣、木屑、菇渣、啤酒糟、酱油糟和木薯渣的组成特性，分别测定其含水量(％)、总固体含量(TS，％)、挥发性固体含量(VS，％)及灰分含量(％TS)，对啤酒糟、酱油糟和木薯渣进行pH测定，然后将六种废弃物置于105℃烘箱中烘干至恒重，分别取样进行指标分析，分析指标包括：总氮含量(TN，％Ts)、NH4-N含量(％TS)、还原糖含量(％TS)、淀粉含量(％Ts)、木质纤维素含量(包括纤维素、半纤维素和木质素，％Ts)、脂肪含量(％TS)及C、N、H元素含量，并计算六种废弃物的理论产甲烷量。

　　3．1．2六种农产品加工废弃物厌氧发酵产甲烷特性的研究本试验以上述材料为原料，设置不同初始干物质浓度梯度的试验组和仅含接种物的对照组，反应物的总质量为3509，在35±1℃恒温震荡培养箱中进行厌氧发酵产甲烷的试验。每天以120r／min摇动5rain，发酵至所有反应器停止产气。每组试验设置2次重复。取平均值作为试验结果。具体试验配置如下：甘蔗渣试验组的初始干物质浓度设置4个梯度，分别为60／o、8％、10％和12％。对应发酵液中甘蔗渣和沼液的配置分别为23．709和326．309、35．079和314．939、46．449和303．569、57．809和292．209。

　　3．2数据处理

　　发酵料液配比通过二元一次方程式(3．1)计算得到：TSI×X+TS2xY=m×TSo(3．1)(1一ZSl)×X+(1一TS2)×Y=m×(1一／'So)式中TSo．．发酵料液的初始干物质浓度，％；TSI．．原料(六种农产品加工废弃物)的总固体含量，％；TS2．．沼液沼渣的总固体含量，％；m．．发酵料液的总质量，g；义．．待计算得到的原料的总质量，g；y．．待计算得到的沼液沼渣的总质量，g。VS产气(甲烷)率通过式(3-2)计算得到：，7=三塑×100％(3．2)VS0×M0式中叩．．VS产气(甲烷)率；VSo．．初始底料的挥发性固体的质量百分数，％；Mo．．初始底料的总质量，g；V．．发酵结束后的累计产沼气或甲烷的体积，mL；‘VJrm．．对照组的累计产沼气或甲烷的体积，mL。VS和有机质的降解率通过式(3．3)计算得到：叩：鲨!兰丝!二兰!兰!丝二二丝型．×100％(3．3)

　　参考文献

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　　【3]沈雅梅．国际能源形势新变化和中国的机遇与挑战【J】．当代世界，2015，2．

　　【4]《中国能源发展报告20149发布【J】．煤化工，2014，(4)：32．

　　【5】卢怡．畜禽粪便、农作物秸秆发酵产氢潜力的研究【D】．云南师范大学，2004．

　　【6]2014年《BP能源统计年鉴》中国能源调查【J】．资源节约与环保，2014，(8)：16．7．

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