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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律研究

杨天学  
【摘要】:干式厌氧发酵技术是总固体含率(Total solid, TS)为20-40%条件下的厌氧发酵技术,与湿式厌氧发酵相比,该方法具有节水、沼液产生量小、增温保温难度小、成本低等优点,成为处理生物质固体废物的重要技术之一。目前有关干式厌氧发酵技术的研究主要为物料预处理、影响因素分析、产气特性研究和工艺条件优化等,尚未对发酵体系内物质的转化机理和微生物演替规律开展系统研究。 本研究在前期工作基础上,以玉米秸秆干式厌氧发酵系统为研究对象,通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”)不同特征官能团或连接键降解异同性分析,底物TS浓度与有机酸作用关系研究,以及微生物群落结构特征变化分析,系统阐述秸秆干式厌氧发酵过程中有机物转化机理及微生物演替规律,主要内容和结果如下: (1)玉米秸秆干式厌氧发酵实验 以玉米秸秆为研究对象,开展了TS浓度为20%、25%、30%、35%和40%的干式厌氧发酵实验,结果表明,玉米秸秆在TS浓度为20-35%条件下,各干式厌氧发酵系统均能成功启动和稳定运行,同时TS浓度为30%的发酵系统产气量最大、减量化效果最好,TS和挥发性有机物(Volatile solid, VS)的削减量分别为43.3%和43.8%,体积减少了48.3%,沼气产量为194.4m3/t·VS,甲烷含量达到52.2%-64.2%。 (2)基质颗粒微观结构分析 采用扫描电镜(ESEM)、X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光(FTIR)方法,对干式厌氧发酵过程中基质颗粒表面形态、内部结晶程度、分子表面官能团/连接键动态变化进行分析,结果表明,基质颗粒表面形态的破坏与发酵时间及TS浓度均相关,随时间延长逐渐被破坏,TS为20%和25%时表面形态断裂明显、发生时间短,TS为30-35%时干式厌氧发酵后仅在表面形成槽型孔,TS上升到40%颗粒表面形态未发生明显变化;基质颗粒结晶度和微晶尺寸呈明显下降-上升-再下降的波动性变化,且基质TS浓度与颗粒结晶度的相关性由起始的-0.088上升为结束时0.698;红外特征峰位置主要在872cm-1、1000-1030cm-1、2920cm-1和3100-3680cm-1处,且发酵过程中变化趋势差异大。 (3)颗粒内三素特征官能团转化机理 利用FTIR技术,对秸秆中纤维素、半纤维素、木质素中不同官能团/连接键在干式厌氧发酵过程中转化差异性进行了分析,结果表明,干式厌氧发酵过程中,纤维素、半纤维素与木质素的降解比例较小,为难降解有机物,但纤维素降解比例达40.5%,明显高于半纤维素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特征峰相对强度变化差异明显,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特征峰强度发酵过程中的降解比例未存在明显差别,但发酵过程中的降解趋势存在着明显差别,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在干式厌氧发酵过程中变化趋势不一致,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)干式厌氧发酵系统内有机酸产生机理研究 通过对干式厌氧发酵系统内挥发性有机酸(VFAs)产生规律研究、特征有机酸的筛选,结合有机酸含量与发酵底物TS浓度之间的相关性分析,结果表明,玉米干式厌氧发酵过程中,VFAs含量虽然经历了上升、稳定和下降,但发酵结束时VFAs含量恢复到起始阶段的含量附近;同时,发酵系统内的VFAs含量不受底物TS浓度影响,一般为127mg/L左右;VFAs主要由乙酸、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过程中均基本保持稳定,其中乙酸为优势有机酸(36.3-41.7%),丙酸含量最低(5.9-8.0%)。干式厌氧发酵过程中乙酸含量在46.6~68.5g/L范围之间,结合乙酸与产甲烷相关性分析表明,认为乙酸含量为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时将抑制甲烷的产生。 (5)微生物动态演替规律研究 采用PCR-DGGE方法对干式厌氧发酵过程中微生物进行了检测,分析了发酵过程中细菌、放线菌和真菌的演替规律、群落结构多样性及相似性动态变化趋势,结果表明,DGGE图谱显示微生物条带总数、种类及亮度都发生了较大变化,细菌、放线菌和真菌结束时与起始阶段的微生物相似度分别为46.9%、59.9%、48.7%,且三类微生物变化最大的阶段主要在发酵的前5d,其间细菌、放线菌和真菌的相似度分别降低了39.4%、27.0%、34.5%。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:X712;X172

【参考文献】
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