莲子草发酵产沼气的试验研究答辩PPT演示课件

莲子草发酵产沼气的试验研究,学生：涂武导师：杨建明教授专业：环境生态学,湖北大学硕士学位论文答辩,CollegeofLifeSciences,Contents,Clicktoaddtitleinhere,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,2,Clicktoaddtitleinhere,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,研究背景,莲子草作为一种外来入侵植物对农业经济与生物多样性构成很大的危害。莲子草适应性强，分布广，生长快，生物量大，防治困难。与其防治，不如对其进行合理开发利用，变废为宝。莲子草的利用途径包括：饲料（猪、牛、鱼、虾）；有机生态肥（花卉、农林作物）；药材；水体净化（重金属超积累植物）；其他用途（普通生物学实验教学材料等）。本文将莲子草作为农林废弃物或者农作物秸秆，探讨其资源能源化利用途径。,3,Clicktoaddtitleinhere,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,秸秆发酵制沼气技术,沼气发酵又称作厌氧发酵、厌氧消化，是指有机物质（秸秆、人畜家禽粪便、工业有机污水等）在一定的厌氧、温度和适当比例水份条件下，经过各种微生物菌群的新陈代谢活动，最终产生含有一定甲烷含量，达到可以燃烧的混合气体的过程。因此，沼气又称生物气（biogas）。沼气主要成分：CH4（60）、CO2（35）、少量的其他气体（水蒸气、H2S、NH3、CO等）。不同原料来源的沼气产气量和甲烷含量有差异。既获取了优质清洁绿色能源，又获取高效低廉的有机肥料。该技术为莲子草在资源能源化的综合利用开辟了一条新的途径。,4,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,沼气发酵的三个阶段,水解阶段,产酸阶段,产气阶段,5,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,沼气发酵微生物生态学关系,不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位条件不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质产甲烷细菌又为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有害物质不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值,6,Clicktoaddtitleinhere,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,以莲子草为主要原料发酵产沼气可行性及其意义,莲子草生长快，产量大，且C/N比适中，晒干后无毒，经过适当的前期处理后，可以作为很好的发酵原料，进而解决过度依赖畜牧粪便造成的原料不足问题。莲子草与猪粪、牛粪混合发酵，不但可以弥补猪、牛粪发酵原料单一，发酵周期短，含较多的易分解化合物等缺陷，而且还能解决干莲子草在发酵过程中易浮料结壳的缺点，提高了发酵效率。莲子草发酵不仅可以生产大量的沼气，沼气发酵过程中还可以得到大量的沼液和沼渣等有机肥料，将这些有机肥料施于稻田或者果树，可以提高土壤肥力，使粮食和果树增产，实现农村循环经济发展，取得良好的经济效益、环境效益和社会效益，对解决我国能源问题和调整我国能源结构起到了重要作用。,7,CollegeofLifesciences,研究内容与方法,采用L9（34）正交试验设计，以沼气产量和甲烷产量为指标，来确定以莲子草为原料发酵产沼气最佳工艺条件,原理预处理（莲子草）（猪粪、牛粪）,最佳工艺参数条件下，莲子草发酵产沼气过程中关键指标参数的动态变化（TS、VS、产气率和累积产气量、CH4含量、CO2浓度、发酵温度、pH值）,不同质量比例（30%莲子草+不添加复合菌剂和接种淤泥、30%莲子草+30%猪粪、60%莲子草+30%猪粪混合）莲子草与猪粪发酵产沼气特性并进行比较,不同发酵原料比（试验2莲子草发酵最佳工艺参数、30%莲子草+70%牛粪、15%莲子草+85%牛粪混合）莲子草与牛粪发酵产沼气特性并进行比较,8,CollegeofLifesciences,结果与分析,1.莲子草预处理后外观形态变化,表面结构规整紧密;颜色灰亮;手感木质坚硬;,外形变得不规整;颜色成咖啡色;有白色菌丝体附在上面;手感疏松，有深褐色液体流出。,预处理前,预处理后,一、原料预处理,9,Clicktoaddtitleinhere,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,2.猪粪堆沤后外观形态变化未经过堆沤处理的生猪粪便含水量低、粘性差、较干燥，不能直接用做发酵；而经过堆沤处理后的猪粪，用手紧握，手感含水量适中、粘性适宜，通气性良好，宜用做发酵原料和发酵剂。,堆沤前,堆沤后,结果与分析,10,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,3.牛粪堆沤后外观形态变化,含水量低；粘性差；腐殖化低；,含水量、粘性均适中，腐殖化高；颜色成酱黑色；手感松软，纤维素结构已经被完全破坏；,堆沤前,堆沤后,结果与分析,11,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,二、莲子草发酵产沼气最佳工艺条件的确定,结果与分析,12,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,二、莲子草发酵产沼气最佳工艺条件的确定,结果与分析,通过比较各极差R值大小，可以看出试验中各因素对沼气产气量影响的主次顺序是：BACD，即发酵温度影响最大，其次是固体浓度和碳氮比，而pH值的影响最小；试验中各因素对甲烷产量影响的主次顺序是：BADC。,13,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,二、莲子草发酵产沼气最佳工艺条件的确定,结果与分析,正交效应曲线图,14,4,CollegeofLifesciences,二、莲子草发酵产沼气最佳工艺条件的确定,结果与分析,15,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,三、最佳工艺条件下莲子草发酵产沼气过程中关键性指标的分析,结果与分析,1.TS、VS、产气率和累积产气量的变化,16,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,最优组：前30天的累计产气量占总产气量的78.3%，而后30天的累计产气量仅占总产气量的21.7%，其中前20天的累计产气量占总产气量的59.4%。前30天的平均产气量明显高于后30天的平均产气量，平均每天产气量在70ml左右；1号组：前30天的累计产气量占总产气量的47.5%，其中前20天的累计产气量占总产气量的37.6%。通过对两者结果进行比较，可以说明本试验所用的工艺参数组合具有较好的产气速率。,2268.3ml,17,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,2.沼气中甲烷含量和二氧化碳浓度的变化,在投料后前30天，CH4含量从5.6%上升到43.8%，在第45天，CH4含量达到最高值61.9%，随后有呈下降的趋势；而CO2浓度从9.2%上升至33.4%，在第35天，CO2含量达到最高值33.4%，但CO2含量基本处于较稳定的范围内。,18,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,3.发酵温度和累积产气量随反应时间的变化,可以说明发酵前、中期的生物产气量与温度的变化趋势大致是呈正相关的，但在沼气发酵的后期阶段，温度与生物产气量的关系不很明显。,19,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,4.pH值的变化,pH值变化与产气量在整体趋势上是相似的，前期pH值较高，产气量相对较低，随着厌氧发酵的进行，pH值慢慢下降，且处于一定的范围内，产气量也逐渐上升。,20,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,四、莲子草和猪粪共发酵产沼气特性,1.不同质量比例莲子草与猪粪发酵产沼气情况比较,草粪质量比为2:1时，总产气量最高，达到2862.3ml；草粪质量比为1:1时，累积产气量为2653.8ml，与2:1的粪草质量比相比，产气量略低，但比较接近。从处理莲子草这种恶性杂草的资源化利用角度来看，草粪2:1的处理量要好于1:1；对照组的总产气量为2063.5ml，得出对照组处理的沼气产气量较以上两种处理的产气量平均要低25%，说明适当比例莲子草与猪粪的混合原料对于提高产气效果明显。,21,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,2.不同质量比例莲子草与猪粪发酵过程中pH值变化比较,投料后第1天，测得处理、处理、处理发酵料液的原始pH值分别为8.0、8.3、8.1。在第1-5天，三个处理组pH值有一定的下降趋势，原因是前期产酸菌活性高，产生了一些挥发性脂肪酸所致。,22,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,3.不同质量比例莲子草与猪粪发酵过程中甲烷含量变化比较,处理、处理和处理CH4含量的最高峰值与出现的时间不同，分别为第40天、42.2%，第45天、65.5%，第40天、63.3%，后两种处理的产甲烷含量都明显高于单一原料发酵所产甲烷含量；处理和处理在整个厌氧消化过程中CH4含量的变化趋势较接近，处理CH4含量最高值比处理高，但处理产甲烷的能力更持久。,23,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,三种不同处理对甲烷产量影响强度由大到小依次是：处理处理处理。,不同处理组实验数据与产甲烷动力学模型比较,24,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,五.莲子草和牛粪共发酵产沼气特性,1.不同发酵原料配比对沼气产量的影响,各处理在60天的发酵周期里，随着时间的推移，沼气产量均表现出相同的增长趋势，但产气量大小却不同，三组处理的累积产气量从大到小依次是组3组2组1，分别为3025.3ml，2740.8ml，2268.3ml。,25,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,2.不同发酵原料配比发酵过程中pH值变化比较,从草粪资源配比上考虑,组3处理在试验的过程中，不会因发酵原料多而导致酸化对产甲烷菌数目和活性的影响。,26,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,3.不同发酵原料配比发酵过程中甲烷含量的变化,不同原料配比沼气发酵试验中各组的沼气气体成分中甲烷的含量随着发酵时间的推移，都呈上升的趋势，三组处理的甲烷浓度高峰值都出现在第45天，高峰期过后，CH4含量又呈下降的趋势。从三组处理的变化曲线可以看出，CH4含量的大小依次是：组3组2组1，最高值分别为65.7%、62.3%、61.9%；从三组处理的甲烷含量变化差异来看，三组处理都不明显。,27,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结果与分析,不同处理组实验数据与产甲烷动力学模型比较,三种不同处理对甲烷产量影响强度由大到小依次是：组3组2组1。,28,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结论,1.以莲子草为原料发酵产沼气的最优参数工艺条件为：发酵温度为35，莲子草固体含量为30%，发酵罐内原料C/N为30:1，pH值为7.0。2.莲子草经过前期预处理后，前30天的累计产气量占总产气量的78.3%；莲子草原料TS产气率为376.2mlkg-1，VS为355.0mlkg-1；CH4含量在第45天达到61.9%，发酵料液pH值稳定在7.0-7.3之间；在同样的试验周期里，最优工艺组合的总产气量明显比对照组（1号组）高，综合分析来看，以莲子草为原料发酵产沼气的最优组合工艺是可行的，可以对该工艺进行小规模中试和实际应用。3.不同质量比莲子草与猪粪混合的3个处理组总产气量大小依次是处理处理处理。从处理莲子草这种恶性杂草的资源化利用角度讲，草与粪质量比为2:1时，莲子草处理量和沼气产量都高于其他两组；CH4含量对甲烷产量的影响强度依次是：处理处理处理，其中处理较另外两组处理的拟合度差。,29,Clicktoaddtitleinhere,4,CollegeofLifesciences,结论,4.莲子草和牛粪在3种不同原料配比处理的累积产气量和每5天产气量从高到低依次是组3组2组1，且沼气中的CH4含量也是同样的顺序，但三者的CH4含量变化曲线都较接近；pH值的变化趋势基本相同,均符合厌氧消化正常pH值范围；3个处理组的拟合度较接近，能够用Cheynoweth方程反映不同发酵原料配比莲子草和牛粪混合发