發(fā)布時(shí)間：2018-05-15 05:20

  本文選題：蔬菜廢棄物 + 兩相　； 參考：《沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：我國(guó)由于人口和飲食習(xí)慣等特點(diǎn),蔬菜產(chǎn)量居世界首位。但是蔬菜在運(yùn)輸,加工過(guò)程中以及民俗等原因,產(chǎn)生的固體廢棄物數(shù)量較大。傳統(tǒng)填埋等方式容易造成二次環(huán)境污染,而且不能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。而依據(jù)蔬菜廢棄物中含有較高的可降解有機(jī)物,故采用厭氧發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行處理不失為一種環(huán)保、廉價(jià)、并具備社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏選擇。而且對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物起到了資源再利用的作用。但是厭氧發(fā)酵技術(shù)目前存在厭氧消化裝置和運(yùn)行工藝簡(jiǎn)單,系統(tǒng)運(yùn)行效率低及穩(wěn)定性差等問(wèn)題。本文就蔬菜廢棄物沼氣應(yīng)用中含水量高等特點(diǎn),構(gòu)建了一套兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng),并以北方區(qū)域主要蔬菜廢棄物為發(fā)酵原料,開(kāi)展了以單一底物和混合底物進(jìn)料的產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷特性研究。采用了新興的高通量測(cè)序方法--miseq技術(shù),對(duì)混合蔬菜廢棄物兩相內(nèi)相關(guān)發(fā)酵微生物的種類、功能及豐度進(jìn)行了分析。最后,考察了甲烷相出水兩種回流方式對(duì)兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響。結(jié)合北方區(qū)域季節(jié)蔬菜供給特征,選取纖維類白菜(低固含量)和淀粉類馬鈴薯(高固含量)兩種蔬菜廢棄物分別為單一底物進(jìn)料,中溫條件(35℃)的情況下,對(duì)兩相物料發(fā)酵機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的考察。當(dāng)白菜廢棄物為單一底物發(fā)酵時(shí),產(chǎn)酸相末端發(fā)酵產(chǎn)物主要為四種主要短鏈揮發(fā)酸一乙酸、丙酸、異丁酸和丁酸,總濃度隨著酸化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加,并在第5d達(dá)到8058 mg·L-1。其中,乙酸于第4d達(dá)到峰值4289 mg·Lq,產(chǎn)量占總揮發(fā)性脂肪酸的53.2%。甲烷相最佳有機(jī)負(fù)荷率為2.9kgVs·m-3 · d-1,日沼氣產(chǎn)量達(dá)到最大值169 L,此時(shí)最大沼氣產(chǎn)率為0.57m3·(kgVS)-1,發(fā)酵過(guò)程中甲烷含量最高值為68%。當(dāng)馬鈴薯廢棄物為單一底物進(jìn)行發(fā)酵時(shí),酸化相中四種主要揮發(fā)酸為乙酸、丙酸、異丁酸和丁酸,總VFAs濃度于酸化第3d達(dá)到12625 mg·L-1,同時(shí)乙酸含量達(dá)到最大值為7364 mg·L-1,產(chǎn)量占總量的58.4%。馬鈴薯廢棄物對(duì)比白菜酸化速度快速且揮發(fā)酸含量高,甲烷相有機(jī)負(fù)荷率在3.6kgVS · m-3 · d-1時(shí),沼氣產(chǎn)率最高達(dá)到0.62m3·(kgVS)-1,日沼氣產(chǎn)量最大值為213 L,最高甲烷含量為72%,超過(guò)此負(fù)荷后,日沼氣產(chǎn)量和甲烷含量逐漸下降。當(dāng)白菜和馬鈴薯廢棄物不同比例在中溫(35℃)進(jìn)行酸化時(shí),隨著馬鈴薯廢棄物的提高,揮發(fā)酸產(chǎn)物也在增加。當(dāng)白菜和馬鈴薯廢棄物兩者比例為7：3時(shí),甲烷相達(dá)到最大負(fù)荷為3.3kgVS ·m3·d-1;當(dāng)兩者比例為3：7時(shí),甲烷相達(dá)到最大負(fù)荷為3.9kgVS·m-3 · d-1。采用混合蔬菜廢棄物為發(fā)酵底物時(shí),酸化相選取干物質(zhì)濃度TS為8%和TS為12%的發(fā)酵原料均獲得了較好的產(chǎn)酸效果,總揮發(fā)酸在第3d分別達(dá)到峰值為3215mg/L和5697mg/L。酸化相中通過(guò)miseq技術(shù)進(jìn)行分析,結(jié)果主要包括厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidete),四者占細(xì)菌門(mén)類的93.2%。按照屬的分類主要為互營(yíng)假單胞菌屬(Syntrophomonas)和梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium),分別占比為29.16%和23.41%,兩者為厭氧發(fā)酵過(guò)程中常見(jiàn)的水解和產(chǎn)酸菌群。乳酸桿菌屬(Lactobacillus),在產(chǎn)酸相中占比為19.23%。酸桿菌屬(Acidobacterium)占到12.15%。甲烷相的啟動(dòng)效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),快速穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)氣,最佳有機(jī)負(fù)荷為3.9～4.3 kgVS·m-3·d-1時(shí),相應(yīng)最大日沼氣和甲烷產(chǎn)量分別為0.69m3/kgVS、0.48m3/kgVS。日容積產(chǎn)氣率最高為2.9 m3·d-1·m-3�；旌鲜卟藦U棄物的有機(jī)負(fù)荷率、產(chǎn)氣率和甲烷含量對(duì)比單一蔬菜廢棄物發(fā)酵時(shí)均有所提高。產(chǎn)甲烷相中優(yōu)勢(shì)甲烷菌主要為專性嗜酸厭氧菌—甲烷球菌屬(Methanococcus)和非專一底物兼性厭氧菌—甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina),還有少量專性嗜氫厭氧菌—甲烷囊菌屬(Methanoculleus)。非甲烷菌屬中,變形菌門(mén)(Proteobacteria)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)和厚壁菌門(mén)(Firmicutes)為主要的群落構(gòu)成,三門(mén)細(xì)菌占比全部細(xì)菌的72.95%。為研究回流對(duì)兩相厭氧發(fā)酵的影響,采用兩種回流方式即相同負(fù)荷和不同負(fù)荷下回流分別至酸化相和甲烷相進(jìn)行考察。當(dāng)甲烷相保持相同負(fù)荷為2.0 kgVS/m3/d時(shí),25%的回流比至產(chǎn)酸相對(duì)兩相厭氧消化、產(chǎn)氣影響效果最佳,相分離的作用得到有效的發(fā)揮。此時(shí),產(chǎn)酸相的水解酸化率最高,甲烷相產(chǎn)氣率為119.6L,甲烷含量范圍在65%-72%之間；相同負(fù)荷下回流至甲烷相時(shí),回流比為55%的產(chǎn)氣影響效果最好。此時(shí),甲烷相平均日沼氣產(chǎn)量達(dá)到最大值為109 L,甲烷含量在60%-65%之間。甲烷相在不同負(fù)荷下,相同回流比為55%回流到產(chǎn)酸相,有機(jī)負(fù)荷為3.0kgVS/m3/d時(shí),甲烷相獲得最大產(chǎn)氣量為186.4 L,回流緩解了酸化相負(fù)荷較高時(shí)對(duì)產(chǎn)酸菌的抑制作用,促進(jìn)了酸化底物的水解酸化；而回流比為55%回流到甲烷相時(shí),隨著有機(jī)負(fù)荷的提高,回流可以促進(jìn)甲烷相的產(chǎn)氣,但是對(duì)甲烷含量影響不大。在甲烷相負(fù)荷率為3.0kgVS/m3/d時(shí),回流后日沼氣產(chǎn)量達(dá)到181.6 L。
[Abstract]:Due to the characteristics of population and dietary habits, the production of vegetable is the first in the world. But the number of solid waste produced by the vegetables in transportation, processing and folklore is larger. The traditional landfill is easy to cause two environmental pollution and can not produce economic benefits. Anaerobic fermentation technology is an environmentally friendly, inexpensive, and win-win choice for social and economic benefits. It also plays a role in the reuse of resources for agricultural waste. However, anaerobic digestion technology has a simple anaerobic digestion and operation process, low operating efficiency and poor stability. In this paper, a set of two phase anaerobic fermentation system is built on the characteristics of high water content in the application of vegetable waste biogas, and the characteristics of methane production with single substrate and mixed substrate feed are carried out with the main vegetable waste in the northern region as the fermentation material. A new high throughput sequencing method --miseq technology is used. The species, function and abundance of the related fermented microorganisms in the mixed vegetable waste were analyzed. Finally, the effects of two reflux modes on the biogas production of the two phase anaerobic fermentation were investigated. Two kinds of fibrous cabbage (low solid content) and starch potato (high solid content) were selected in combination with the seasonal vegetable supply characteristics in the northern region. Under the condition of medium temperature (35 degrees C), the fermentation mechanism of the two phase materials was investigated in detail. When the cabbage waste was fermented by a single substrate, the end fermented products of the acid producing phase were mainly four main short chain volatile acid mono acetic acid, propionic acid, isobutyric acid and butyric acid, with the total concentration with the acidification time. Increasing and increasing gradually, and reaching 8058 mg / L-1. in 5D, the peak value of acetic acid at 4D reached 4289 mg. Lq. The optimal organic load rate of 53.2%. methane phase of total volatile fatty acids was 2.9kgVs. M-3 D-1, and the maximum value of daily biogas production reached 169 L, and the maximum biogas yield was 0.57m3. High value of 68%. when potato waste is fermented by a single substrate, four main volatile acids in acidified phase are acetic acid, propionic acid, isobutyric acid and butyric acid. The total VFAs concentration is 12625 mg. L-1 at the acidification 3D, while the content of acetic acid reaches the maximum value of 7364 mg. L-1, and the total yield of 58.4%. potato wastes is faster than the acidification speed of Chinese cabbage. When the content of the volatile acid was high and the organic load rate of methane phase was 3.6kgVS. M-3. D-1, the biogas yield was up to 0.62m3. (kgVS) -1, the maximum value of daily biogas production was 213 L, and the maximum methane content was 72%. After the load, the biogas production and methane content gradually decreased. When the different proportion of cabbage and potato waste was in the middle temperature (35 degrees C). With the increase of potato waste, the product of volatile acid increased with the increase of potato waste. When the proportion of Chinese cabbage and potato waste is 7:3, the maximum load of methane phase is 3.3kgVS m3. D-1. When the ratio is 3:7, the maximum load of methane phase is 3.9kgVS. M-3. D-1. using mixed vegetable waste as fermentation substrate. The acidification phase selected the dry matter concentration TS 8% and TS 12% to obtain the better acid production effect. The total volatile acid reached the peak value of 3215mg/L and 5697mg/L. acidification phase respectively through the miseq technology analysis, the results mainly include the thick wall bacteria gate (Firmicutes), the deformable bacteria gate (Proteobacteria), the acid bacilli gate (Acidobacteria). Bacteroidete, Bacteroidete, and the classification of 93.2%. in the category of bacteria are mainly Syntrophomonas and Clostridium (Clostridium), which are 29.16% and 23.41% respectively. Both are the common hydrolysate and acid producing bacteria in the anaerobic fermentation process. The Lactobacillus (Lactobacillus) and the acid producing phase are in the acid producing phase. The starting effect of the occupied ratio of 19.23%. acid bacilli (Acidobacterium) to 12.15%. methane phase reached the expected target, and the gas production was achieved rapidly and steadily. When the optimum organic load was 3.9 to 4.3 kgVS. M-3. D-1, the maximum daily biogas and methane production were 0.69m3/kgVS respectively, and the highest gas yield of 0.48m3/kgVS. daily volume was 2.9 m3. D-1. M-3. mixture. The organic load rate, gas production rate and methane content of vegetable waste were improved compared with single vegetable waste fermentation. The dominant methanogenic bacteria in methane producing phase were mainly specific eosinophilic anaerobes (Methanococcus) and non specific substrate facultative anaerobes - Methanococcus (Methanosarcina), and a small amount of specificity. Eosinophilic anaerobes - methanomonas sp. (Methanoculleus), non methanogens, deformable bacteria gate (Proteobacteria), acid bacilli (Acidobacteria) and thick walled bacteria (Firmicutes) constitute the main community. Three bacteria accounted for the 72.95%. of all bacteria to study the effect of reflux on two phase anaerobic fermentation, and two reflux methods were the same as negative. When the same load is 2 kgVS/m3/d, when the methane phase keeps the same load, 25% of the reflux ratio is relatively anaerobic digestion, the effect of gas production is the best, the effect of phase separation is effective. At this time, the hydrolysis acidification rate of acid producing phase is the highest and the methane production rate is 119. .6L, the methane content range is between 65%-72%; when the same load is reflued to the methane phase, the effect of the reflux ratio is 55%, and the methane phase average daily biogas production reaches 109 L, the methane content is between 60%-65%. The methane phase is under the different load, the same reflux ratio is 55% to the acid producing phase, and the organic load is 3.0kg At VS/m3/d, the maximum methane production was 186.4 L, and the reflux alleviated the inhibition of acid producing bacteria when the acidification phase was higher, and promoted the hydrolysis acidification of acidification substrate. While the reflux ratio was 55% to methane phase, the reflux could promote methane production with the increase of organic load, but it had little effect on the methane content. When the methane loading rate is 3.0kgVS/m3/d, the daily biogas yield reaches 181.6 L. after reflux.

【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S216.4

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本文編號(hào)：1891151