發(fā)布時間：2017-12-12 18:36

  本文關(guān)鍵詞：顆粒尺度豬糞—麥秸好氧堆肥耗氧速率及甲烷產(chǎn)排機理模型

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【摘要】：好氧堆肥是畜禽糞便無害化、減量化和肥料化利用的重要途徑之一。好氧堆肥是受堆肥物料、工藝條件等多種因素影響的復(fù)雜生化反應(yīng)過程,利用數(shù)學(xué)模型方法,從理論上尋求構(gòu)建好氧堆肥反應(yīng)內(nèi)在復(fù)雜過程及物性變化的量化關(guān)系,從而解析好氧堆肥反應(yīng)機制及其過程變化機理,是國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點和前沿領(lǐng)域之一。本論文以基于顆粒尺度的豬糞-麥秸好氧堆肥耗氧速率(OUR)和甲烷(CH4)產(chǎn)排模型為主要目標,以豬糞-麥秸好氧堆肥系統(tǒng)為對象,在顆粒微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)量化表征方法以及基于傅里葉變換顯微紅外光譜技術(shù)(FT-IR Microspectroscopy)的豬糞顆粒好氧層厚度(Lp)量化表征方法研究的基礎(chǔ)上,深入研究了好氧堆肥過程中豬糞顆粒微觀結(jié)構(gòu)動態(tài)變化規(guī)律及其與有機質(zhì)降解的相關(guān)關(guān)系,研究構(gòu)建了綜合考慮顆粒微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、多熱源項的顆粒尺度豬糞-麥秸好氧堆肥OUR優(yōu)化模型,研究構(gòu)建了基于顆粒尺度的豬糞-麥秸好氧堆肥CH4產(chǎn)排模型。研究結(jié)果為進一步揭示好氧堆肥微生物反應(yīng)機制,制定高效、減排的堆肥工藝提供了方法學(xué)和基礎(chǔ)理論支撐。論文取得的主要創(chuàng)新性成果及研究結(jié)論如下：(1)采用真空冷凍干燥-機械振蕩法和動態(tài)圖像分析法作為豬糞樣品的分散預(yù)處理和粒度、粒形表征方法。豬糞顆粒樣品中值粒徑(D50)501±16μm,粒度分布寬度1.45±0.04,縱橫比和球形度分別為0.57±0.01和0.61±0.01。豬糞-麥秸好氧堆肥過程中,豬糞顆粒微觀結(jié)構(gòu)及其化學(xué)組成均呈顯著變化,顆粒微觀結(jié)構(gòu)變化與其有機質(zhì)降解緊密相關(guān)。豬糞顆粒D50呈指數(shù)下降趨勢,形狀參數(shù)幾乎不變；顆�？紫堵�(θ)呈線性增加趨勢；豬糞顆粒脂肪、多糖類組分降解程度較大且其化學(xué)組成漸趨穩(wěn)定,半纖維素降解是顆粒孔隙結(jié)構(gòu)變化的主要原因；豬糞顆粒有機質(zhì)變化并不完全符合一級反應(yīng)動力學(xué),修正的一級反應(yīng)速率常數(shù)與D50的倒數(shù)成正比,與θ呈負相關(guān)。(2)首次驗證了FT-IR Microspectroscopy技術(shù)可應(yīng)用于豬糞-麥秸好氧堆肥過程豬糞顆粒Lp的量化表征。切片條件為豬糞顆粒冷凍切片厚度10 μm,光譜掃描條件為掃描范圍4000-650cm-1,光譜分辨率16 cm-1,像素點大小6.25μm×6.25μm,掃描16次取平均,光譜預(yù)處理方法采用二階導(dǎo)數(shù)9點差分處理。選取2856 cm-1和1568 cm-1作為判定Lp的特征波長,根據(jù)兩特征波長二階導(dǎo)數(shù)徑向差減光譜獲取Lp值。Lp同時受氧濃度、溫度和微生物活性等諸多因素共同影響,介于0-60 μmm范圍內(nèi)呈指數(shù)增加趨勢變化,豬糞顆粒好-厭氧區(qū)間存在約20μm過渡區(qū)。(3)顆粒尺度OUR優(yōu)化模型可較為有效地模擬豬糞-麥秸好氧堆肥OUR動態(tài)變化,其模擬OUR的最大偏差和平均偏差較小�？紤]表面對流換熱使高溫期堆體溫度模擬精度有所提高。(4)顆粒尺度CH4產(chǎn)排模型可有效模擬豬糞-麥秸好氧堆肥升溫、降溫期CH4排放的變化規(guī)律(決定系數(shù)0.94、均方根誤差2888 ppmv)。甲烷產(chǎn)率系數(shù)和最大甲烷氧化速率分別為0.6414mol CH4 mol-1 Cman和0.0205 mol CH4 kg-1 VSaero h-1。堆肥升溫過程中,CH4產(chǎn)生速率急劇增加,而其氧化速率幾乎為零,CH4排放主要發(fā)生在堆肥前期。CH4氧化量占其產(chǎn)量10.34%,堆體對CH4的氧化能力與氧氣在堆肥顆粒內(nèi)部的滲透能力有關(guān)。本研究堆肥通風(fēng)工藝宜優(yōu)選通風(fēng)速率8.34 Lmmin-1,間歇通風(fēng)開6h／關(guān)15mim。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S141.4

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