干青玉米秸秆厌氧发酵特性与优化工艺研究

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我国作为一个农业大国,农作物秸秆产量大、分布广、种类多,特别是近几年,我国农业连年丰收,秸秆产量逐年增多。据农业部调查统计,2010年全国秸秆产量约为7亿吨,其中玉米秸秆2.73亿吨。在我国很多地方,大部分玉米秸秆不能被有效利用,而是被农户用作燃料,或者直接在大田进行了焚烧处理。秸秆就地焚烧,不仅造成资源浪费,而且污染环境,影响交通安全,甚至引发火灾、交通事故等重大安全事故。因此,如何高效利玉米秸秆成为一个迫在眉睫的课题,合理利用玉米秸秆,不仅能带动农民增收,而且符合新农村建设的要求,具有良好的社会效益、经济效益和环境效益。玉米秸秆含有30%以上的碳水化合物、2%~4%的蛋白质和0.5%~1%的脂肪,是沼气生产中一种良好的发酵原料,并在实践中得到了应用。由于玉米秸秆中木质素、纤维素、半纤维素含量高,难以降解,导致发酵启动慢,产气效率低。经过不同的预处理虽然可以从一定程度上解决这些问题,但是许多预处理方法可操作性差,在实际生产中不易得到推广。本研究主要探索了玉米秸秆不同部位(叶片、叶鞘、茎皮、茎髓和玉米芯)的发酵产沼气潜力;通过对干玉米秸秆和青贮秸秆进行不同的预处理,探索其发酵产沼气特性;从中选择产气更优的青贮秸秆进行更深入的试验研究,以更好地提高玉米秸秆的利用率。本研究主要研究内容和结论如下:(1)玉米秸秆不同部位的产气特性研究。试验结果表明玉米芯的产气效果最优,其总产气量为33480ml、TS产气量为279.0ml/g、日均产气量为608.72ml、平均甲烷含量为49.42%;叶片的总产气量为31030ml、TS产气量为258.6ml/g、日均产气量为564.2ml、平均甲烷含量为55.65%;叶鞘的总产气量为33020ml、TS产气量为275.2ml/g、日均产气量为600.4ml、平均甲烷含量为47.44%;茎皮的总产气量为30785ml、TS产气量为256.5ml/g、日均产气量为559.7ml、平均甲烷含量为50.65%;茎髓的总产气量为26620ml、TS产气量为221.8ml/g、日均产气量为484.0ml、平均甲烷含量为53.68%。(2)对青贮秸秆和干玉米秸秆进行不预处理、NaOH溶液预处理和沼液浸泡预处理,然后进行厌氧发酵,探索其产气特性。试验结果表明,无论是用NaOH溶液、沼液对其浸泡进行预处理,还是不进行任何预处理,青贮秸秆的产气特性均要优于干玉米秸秆。试验结果表明:不进行预处理的试验组,干玉米秸秆厌氧发酵的总产气量52169ml、TS产气量434.7ml/g、日均产气量948.5ml、平均甲烷含量38.69%;青贮秸秆的总产气量57190ml、TS产气量476.6ml/g、日均产气量1039.8ml、平均甲烷含量42.57%。用NaOH溶液进行预处理的试验组,干玉米秸秆厌氧发酵的总产气量61056ml、TS产气量508.8ml/g、日均产气量1110.1ml、平均甲烷含量45.00%;青贮秸秆的总产气量64445ml、TS产气量537.0ml/g、日均产气量1171.7ml、平均甲烷含量47.82%。用沼液浸泡进行预处理的试验组,干玉米秸秆厌氧发酵的总产气量57990ml、TS产气量483.3ml/g、日均产气量1054.4ml、平均甲烷含量44.51%;青贮秸秆的总产气量64785ml、TS产气量539.9ml/g、日均产气量1177.9ml、平均甲烷含量48.83%。(3)青贮秸秆厌氧发酵工艺优化研究。分别选取料液浓度为6%、8%、10%,碳氮比为20、25、30,接种物浓度20%、30%、40%,对青贮秸秆厌氧发酵进行三因素三水平正交试验。对试验数据进行极差分析,结果表明:各因素对青贮秸秆厌氧发酵产气量影响大小的主次关系为:料液TS浓度→接种量→碳氮比。从总产气量和平均甲烷含量两个指标来看,对因素B和因素C的选择是相同的,都以B2、C3为最佳,对总产气量和平均甲烷含量这两个指标综合考虑,TS浓度取A3水平为好。因此通过综合分析,得出较好的试验方案是:A3B2C3,即TS浓度为10%、碳氮比为25、接种量为40%是最佳发酵工艺。
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