浒苔厌氧发酵制取沼气的研究

1、浒苔厌氧发酵制取沼气的研究第一章 绪论1.1研究的目的和意义浒苔Enteromorpha prolifera俗称苔条、青海苔等，为一种广泛分布于世界各大海洋中的大型海藻类。目前，全世界已知的浒苔种类大约有80种，我国约有11种,浒苔属(Enteromorpha)在分类学上属于绿藻门(Chlorophyta)、石莼目(Ulvales) 石莼科(Ulvaceae)。该属在我国海域的常见种主要有条浒苔(E.clathrata(Roth)Grev.)、肠浒苔(E.intestinalis（Linn.）Link)、扁浒苔(E.compressa(L.)Grev.)、管浒苔(Etubulosa Kvtz.

2、)、浒苔(E.prolifera (Muell)J.Ag.)和缘管浒苔(E.1inza(L.)J.Ag.)1。浒苔藻体呈草绿色，管状中空，或藻体柄部和边缘部分呈中空，圆柱形，有时部分扁压，藻体呈膜质，丛生，单条或者有分枝，主枝明显，分枝细长，高从几厘米到1米不等。基部以固着器附着在岩石上，生长在中潮带滩涂或石砾上。藻体断裂后可随海流漂浮。浒苔属低辐照适应、耐酸和微嗜碱的海藻，其繁殖能力强于藻体生长。浒苔也是广温广盐藻，在温度为10-35，盐度为12-40均能正常生长。浒苔营养十分丰富，含有许多人体必需的营养成分，不但自古以来就为沿海居民所食用，而且目前还广泛地应用于畜牧，农业肥料，医药，化工等

3、工业。浒苔的利用越来越广泛，需求越来越大，日本、韩国和我国已实现人工养殖浒苔 。近年来，由于全球变暖，海水升温，并且近海岸工业废水和城市生活污水排放入海等为浒苔的生长提供了有利的条件，世界各海域均有不同程度的浒苔爆发与蔓延，既影响人们正常生活和城市旅游业的发展，同时也造成了严重的生态恶化。2007年以来，我国山东青岛海域多次发生浒苔大规模爆发，收获浒苔高达16550t。如何有效利用浒苔资源，已成为改善生态环境和海藻综合利用的重要课题。 本文利用浒苔厌氧发酵来制取沼气，目的主要是对浒苔的发酵条件作初步探讨，同时用实验的方法研究了浒苔的产沼气潜力，为浒苔产沼气的合理利用提供了一个参考，为工业上的应

4、用与生产作一定的探索。本文的意义主要有两个：一方面，浒苔滋生是形成“绿潮”的主要原因，大规模聚集会对生态环境造成严重的破坏。如果能大规模地将这种废弃的生物质打捞，就能解决环境污染问题；另一方面，生物质厌氧发酵制取的沼气是一种可再生清洁能源，将浒苔作为产生沼气的原料，这样又能够在一定程度上缓解能源危机。 1.2浒苔的利用背景与研究现状1.2.1浒苔在食品中的应用浒苔自古以来就被认为食用和药用藻类，本草纲目和随恩居饮食谱均有记载3。浒苔的营养价值很高，国内外相关报道很多。徐大伦等4研究了舟山定海浒苔的营养成分，表明浒苔中粗蛋白含量为1321，脂肪为l. 04，灰分为2187；另外，浒苔氨基酸中谷氨

5、酸含量较高，占总氨基酸含量的1380；不饱和脂肪酸中亚麻酸的含量最高，占总脂肪酸含量的15.98。浒苔营养丰富，在食品中添加浒苔粉，既可提高食品色、香、味，还可改善食品营养价值。在日本，浒苔粉和浒苔片作为食品配料或营养添加剂，已广泛应用于各种食品，如：膨化食品、海苔饼干、海苔花生、海苔干脆面等；浒苔绿藻精等浒苔活性成分提取物大多用于功能食品的开发。我国也对开发新型浒苔食品进行了探索，生产出浒苔挂面、浒苔酱、浒苔汤料、浒苔果冻，浒苔绿藻精饮料和浒苔功能食品等2。利用海藻粉作为饲料原料已有数十年的历史。爱尔兰、英国、南非、印度、新西兰等国相继建立海藻饲料专业加工工厂，实现海藻饲料规模化生产5。浒苔

6、作为饲料加工的原料在日本、英国、新西兰等许多国家已有了产业化的发展。我国农科院饲料研究所也对浒苔饲料进行了研究，试验证明，在饲料中添加5的浒苔精粉饲养蛋鸡，可使鸡蛋中胆固醇降低21.66。庞国兴等7对浒苔作为饲料原料的产业化技术的可行性进行了研究，确定了浒苔饲料生产所需的工艺和机器设备。浒苔作为新型有机肥料，近年来也有很快的发展，代替了一部分传统的化肥。由于海藻具有的丰富营养成分，对农作物增加产量和改善品质有明显作用。例如，浒苔在日本是重要的农家有机肥料，千叶县及琦玉县有规模较大的浒苔肥料生产厂家8。我国学者曾开展了利用浒苔和玉米秸秆为主要原料的堆肥技术研究，采用高温堆肥技术进行堆肥处理，利用

7、堆肥进行大白菜生产试验，结果表明浒苔堆肥对大白菜具有明显的增产作用，肥效与鸡粪堆肥相当，也可减少无机化肥的施用量，避免养分流失和对环境的污染9。1.2.2浒苔多糖和其他活性物质提取浒苔中含有多种生物活性物质提取，有研究表明，食用浒苔可明显降低胆固醇，而且对甲状腺肿大、咳嗽、哮喘等症状有显著的疗效，能解热镇痛10。目前对浒苔多糖提取研究开展的较多，周慧萍曾以Sevage法除去蛋白质，用乙醇沉淀，Sephadex G一1130柱层析，得到白色丝状浒苔多糖精制品，提取物中总糖含量为88.8，其中糖醛酸含量为33.6，单糖组成为L-阿拉伯糖、L-岩藻糖、D-甘露糖、D-半乳糖及D-葡萄糖，平均分子量为

8、25000。许福超12亦对浒苔多糖的分离、纯化和分析方法进行了研究。Rosario Castro等13的研究结果表明，浒苔多糖可以提高哺乳动物的免疫力，对贝类也具有免疫防御作用，可以用于防治养殖贝类病害。Vlachos14等报道了从南非采集浒苔热水提取多糖的抗菌活性，对细菌的抑制能力好于酵母菌和霉菌。McKinnell等15从扁浒苔的热水提取物中分离出类似淀粉的多糖，经水解和纸色谱分析，发现提取物中有约45%的葡萄糖醛酸基鼠李糖。此外，利用浒苔提取其它活性物质的研究报道也日渐增多。宋玉娟等16对肠浒苔凝集素进行了分离纯化及性质研究。结果表明，肠浒苔凝集素具有凝集单细胞、抑制肿瘤细胞增殖等生物活

9、性。Okaiy等从浒苔中提取脱镁叶绿素，证明这类物质具有消炎作用。Hundson18等发现浒苔的甲醇提取物具有良好的抗HSV和SINV病毒活性。在抗癌症方面，有学者提取出浒苔中的一些化合物，经小白鼠的皮肤肿瘤实验证明，其对皮肤癌有抑制作用19。1.2.3浒苔的环境修复作用浒苔能够吸收水体中的氮、磷、钾及重金属，在一定程度上起到了净化海水的作用。通过分析浒苔中重金属的含量，研究浒苔生物和重金属之间的相关关系，可为海洋中重金属的污染状况提供生物指示作用。国外在这方面的研究报道的较多。OZER A22研究了浒苔对酸性红274、酸性蓝324和酸性红337等染料的生物吸收作用，研究了初始酸度、温度、染料

10、浓度、吸附剂浓度等条件对吸附的影响，并发现浒苔对酸性染料的吸附是放热的自发过程。Storelli M23通过研究浒苔对金属镍的生物吸附作用，得出了最佳的吸附条件。浒苔爆发被称为绿潮，会造成一定的环境污染。但由于浒苔藻体大，较容易打捞，相比赤潮更容易治理，而且收获的浒苔可作为重要的海藻资源被有效利用。另有研究证明，浒苔对赤潮有抑制作用。许妍等曾利用共存培养系统研究缘管浒苔对赤潮异弯藻生长的克生效应，结果发现缘管浒苔和培养水过滤液对赤潮异弯藻生长均有强烈的抑制效应20。冯朝研究了蜈蚣藻和缘管浒苔抑制东海原甲藻的效果，发现温度、盐度、光照和pH能显著影响抑制效果21。1.2.4 浒苔生物质能技术的发

11、展随着经济的不断发展，化石能源（煤、石油和天然气等）危机和环境污染加重的问题日益突出。近年来，生物质能源的开发利用在世界范围内已经受到普遍重视。由于秸秆等陆生植物与农业争地等原因，海洋藻类已被认作重要的生物质能资源 24，近年来，利用海洋藻类生产生物柴油、生物乙醇、生物氢气和沼气等清洁能源的研究日益增多。美国国家可再生能源实验室NREL运用基因工程等现代生物技术改造出一种的“工程微藻”，可以成功的生产生物柴油25。丹麦采用近岸海水中快速生长的石莼（Ulva lactuca L.）做为燃料乙醇的生产原料。日本东京海洋大学开展海藻提取多糖制备燃料乙醇的研究，每年利用马尾藻（Sargassum）提取

12、的多糖生产2000万立方米生物乙醇26。管英富27曾以绿藻为材料，通过优化培养条件，用两步产氢法获得了高出对照1O倍的氢产量，万益琴等28进行了微波裂解海藻快速制取生物燃油的试验, 研究表明微波裂解海藻是一种低成本、快速、高效制取海藻生物燃油的方法。浒苔属大型海藻，吸收养分快，抗逆能力强，平均3-5d可繁殖一代，是一种理想的能源植物。目前我国也有利用浒苔作为生物质能资源的研究报道。李祯29等研究了江苏条浒苔热解动力学，探讨升温速率和粒径等因素对条浒苔热解的影响规律，为条浒苔直接燃烧、作为型煤配料和生物转化提供了一定参考。浒苔中含有丰富的多糖，可以利用微生物(如酵母菌)吸收与代谢糖类生产乙醇，J

13、acob30研究发现浒苔干重中纤维素和海藻多糖的含量分别为9.0%和65.3，生物乙醇的理论产量可达到干重的38.1%。秦松等31发明了浒苔经过预处理、水解和发酵制备生物乙醇的技术。此外，由于浒苔蛋白质和多糖的含量很高，利用浒苔制备生物柴油亦具有较大潜力，张士成等进行了浒苔水解制备生物油的探索研究，预测生物柴油产量可达230kg/t（浒苔） 33。由于浒苔C/N为（15:1）-（18:1），比秸秆（60:1）-（100:1）要高，而发酵的最适C/N为（20:1）-（25:1）,因此利用浒苔厌氧发酵生产甲烷，在工艺和成本方面更具潜力。然而，目前利用浒苔制备甲烷技术研究开展的较少。1.3厌氧发酵技

14、术原理沼气发酵的实质是微生物自身物质代谢和能量代谢的一个生理过程。有机物质厌氧发酵可以产生沼气的现象，早已被人们发现，并且应用也越来越广泛。规模从家庭式的沼气池发展到大规模的沼气厂，而生产沼气的有机物原料也逐渐变得多样化，从农作物秸秆，粪便发展到有机工业废水，生活垃圾，再到优势物种如海洋大型藻类和微藻。M.P.Bryant(1979)根据产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，提出了三阶段理论。三阶段理论如图1所示.三阶段理论包括:第一阶段为水解发酵阶段。水解性细菌或发酵性细菌群将复杂有机物水解和发酵。纤维素质水解成氨基酸、锭粉等碳水化合物水解成糖类，糖类再分解成丙酮酸。蛋白再经脱氨基作用形成有机醉

15、和氨。肪酸，有机酸类进一步降解形成各种低级的有机酸。脂类水解后形成甘油和脂同时生成氢气和二氧化碳。第二阶段为产氢产乙酸阶段。产氢产乙酸细菌利用第一阶段产生的各种有机酸，即丙酸和长链脂肪酸、醇类等分解成乙酸和氢气，有时还有二氧化碳形成.产氢产乙酸细菌将有机酸氧化形成的电子，使质子还原而形成氢气，因此，该类细菌又称质子还原的产乙酸细菌。.第三阶段为产甲烷阶段。参与该阶段的细菌为产甲烷细菌。为和氧化甲烷的细菌相区别，布赖恩特称它为产甲编菌(Methanfen).它们将第二阶段的产物转化成甲烷。产甲烷细菌利用不同的基质，即利用二氧化碳、氢气和其他碳化合物如一氧化碳、甲醇、甲酸、甲基胺等以及分解利用乙酸

16、盐形成甲烷。形成的甲烷中，约28%的甲烷来自氢的氧化和二氧化碳的还原作用，72%的甲烷来自乙酸盐。因此，乙酸盐的降解形成甲烷，是甲烷形成过程中一个很重要的途径。1.4本课题的研究内容（1）外加碳源的研究：发酵产沼气原料的C/N是重要的限制因素，最适C/N应为2025/1。浒苔属于藻类植物，无木质素和纤维素，所以C/N较低，需要添加碳源来平衡C/N。各种含C量高的碳源，其营养成分又各不相同，添加不同的碳源会对产气的成分和产气量有重要的影响。在浒苔原料中分别添加各种碳源，与浒苔混合发酵，研究每种处理的有机质降解率和沼气产量。（2）浒苔预处理研究：不同的预处理会使原料浒苔的有机质产生不同的降解情况。

17、热处理能使大分子的蛋白质分解成溶于水的小分子片段,并可产生较高浓度的氨氮,从而使处理系统具有较好的可生化性和缓冲能力。微波处理可以使酶和其它有机质从细胞中溶出。加酶制剂蛋白酶可以使浒苔中的大分子蛋白质分解。加碱水解能促进脂类及蛋白质的利用。四种预处理方法的作用各不相同，效果也会有所不同，采用四种不同的方法：加碱，加热，加微波和加蛋白酶对浒苔进行预处理，分析每一种处理的的沼气成分和产量。（3）发酵最佳工艺试验研究在厌氧发酵产沼气的实验中，会有许多的因素对产气的产量和成分有影响，比如温度，接种物种类，pH，物料浓度，接种物浓度等。本文选其中的三个因素进行实验，在前两次实验所得的最佳碳源和预处理条件

18、下，进行发酵工艺试验研究，对发酵进行三因素（温度，pH，物料浓度）四水平的正交实验。确定这三个影响因素的主次顺序和最优组合。第二章 试验材料与方法2.1试验原料2.1.1浒苔浒苔采自青岛市市南区栈桥附近海区，采集的新鲜浒苔一部分用海水冲洗。沥干至不滴水为止，上岸用清水清洗三到四次除去其中的杂物和泥沙，并晾晒。青岛海区浒苔属于缘管浒苔，管状中空，圆柱形，呈丝状，平均长约10cm,将晾晒好的浒苔进行85烘干3小时，运回，并保存于冰箱中。经测定青岛浒苔的含碳量为26.40%，浒苔的含氮量为1.51%，碳氮比为17.48。青岛浒苔测定其营养成分，蛋白质含量为，脂肪含量为，灰分含量为，水分含量为，与徐大

19、伦所测浒苔的营养成分蛋白质含量为1321脂肪为l.04，灰分为21.87，相类似。浒苔营养丰富，含有发酵的基本营养成分，根据 原理，浒苔的发酵潜力为 2.1.2污泥接种物污泥采自大连市夏家河子污泥处理厂的接种污泥。大连夏家河子污泥处理厂的生产工艺是将大连市的各种生污泥与接种污泥混合进行发酵。试验用污泥处理厂的发酵液作为种污泥，经过驯化后接种至发酵瓶中。经测定，污泥的初始含水率为90.31%，总固（TS）含量为9.69%，挥发性固体含量（VS）为3.43。pH值为8.2。将取来的初污泥驯化后，作为接种污泥。将初污泥摇匀，2.2试验药品与仪器2.2.1化学药品盐酸、浓硫酸、乙醇、丙酮、重铬酸钾、氯

20、化银、氢氧化钠、硫酸亚铁铵、2.2.2试验仪器恒温水浴锅(型号：HH-8 金坛市梅香仪器有限公司)气相色谱仪（型号：GC9890 上海灵华仪器有限公司）紫外分光光度计（型号：）精密pH计（型号：）2.3发酵罐的设计与安装2.3.1试验前期实验装置的组装试验在实验室内进行，试验前期用自制的发酵装置进行发酵产气，用1L的三角瓶作为发酵罐，连接10L的放水瓶作为排水集气装置，试验连接八套装置，作取样和平行试验。试验装置如图所示。2.3.2试验后期发酵罐的设计与加工罐体的选择根据要求，要设计一个体积为10L的发酵罐，通过在网上查阅国外发酵罐的相关资料，确定发酵罐由两个直径分别为200mm和300mm的

21、有机玻璃管构成，因为有机玻璃传热比较慢，所以壁厚都选择5mm，用直径为300mm的有机玻璃管套住直径为200mm的有机玻璃管，构成一个环形。两个有机玻璃管与底座直径为300mm，壁厚为10mm，的有机玻璃用胶密封，使之成为一体17-18。根据体积公式： (3-1) (3-2)S=r2=3.14×（200/2mm）2=3.14×104mm2h=V/S=1×107/3.14×104=318.5mm罐体如图1所示：图1 发酵罐罐体机构图罐底部钻一个直径为20mm的圆孔，用pvc管连接并用球阀控制开关，用来排放废料，外壁距离底座25mm处，预留一直径为20mm的

22、圆孔，同样用水阀连接密封，用来排放水浴中的水。球阀、水阀都是标准件，在实验室里就可以找到各种型号的球阀、水阀。根据要求可选择pvc管一寸球阀来控制开关。选择双通水阀来排放水浴中的水。发酵罐排料及水浴排水如图2所示：图2 发酵罐排料及水浴排水示意图3.1.2法兰盘的选择为了能够使发酵罐罐体与盖密封严密，可在罐体上端增加法兰盘，达到密封效果，便于发酵罐维护等。发酵罐公称通径DN=300mm，根据常用法兰尺寸规格表（国标）可以选择法兰外径为445mm，螺栓孔距为400mm，螺栓直径为22mm，螺栓孔数为12，法兰厚度为28mm和法兰外径为460mm，螺栓孔距为410mm，螺栓直径为26mm，螺栓孔数

23、为12，法兰厚度为32mm两种系列19。由于本设计的发酵罐用于藻类厌氧发酵产生气体的试验，通常是在常压下进行，所以选择法兰外径为445mm系列的法兰盘，为了节省成本与外观要求，确定法兰外径为400mm，螺栓孔距为350mm，螺栓直径为10mm，螺栓孔数为8，法兰厚度为16mm。法兰如图3所示：图3 法兰3.2端盖的设计根据发酵罐法兰盘的外径400mm可以确定端盖的直径也为400mm，厚度为13.5mm，用螺栓固定端盖与发酵罐，使之达到密封效果。端盖上预留三个直径分别为8mm、30mm、30mm的圆孔。其中直径为8mm的圆孔用来固定搅拌器，两个直径为30mm的圆孔用来固定温度传感器，取样管和加物

24、料口，都用橡胶塞堵上达到密封效果。并在距离端盖125mm处钻两个直径为13mm的圆孔，两孔距离为62mm，用来固定加热器。端盖如图4所示：图4 端盖3.3加热器的选择加热器主要用于加热水浴中的水，通过水的温度传送到发酵罐内部，使物料温度上升，进行厌氧发酵。可用仪表来控制水浴中水的温度，从而可使水的温度不宜过高。当物料温度下降时，也可用加热水浴中的水来达到保温的效果。加热器的种类有很多种，在大连市场上很容易买得到，一般都采用U型的加热器，类似家用电水壶加热器，在实验室里就能找到这种加热器，节省了很多时间。加热器如图5所示：图5 加热器3.4传感器的选择我设计的发酵罐主要用于藻类在发酵罐中反应产生

25、气体的试验，而物料在发酵罐中反应的最佳温度是在35下进行，故传感器主要用于测量发酵罐中物料的温度，通过仪表显示厌氧发酵罐里面的温度，并且来控制罐体内温度，当发酵罐里的温度与水浴中的温度相同时，就可以停止加热，使物料能够在最佳温度下进行反应。传感器的种类有很多种，在大连市场上也很容易买得到，在实验室里也可以找得到，为了节省时间，降低成本，故采用实验室里的K型精度为1的热电偶温度传感器。仪表选用福州昌晖自动化系统有限公司SWP2004系列的仪表。型号：SWP-D823-02-23/23-HL/HL 范围：420mA电压：220V 频率：50Hz热电偶温度传感器如图6所示：图6 热电偶温度传感器3.

26、5取样管的选择取样管主要用来取出实验中物料反应产生的气体，并且能够测量物料的PH值。取样管的种类有很多种，在大连市场很容易买得到，一般实验室里用的都是玻璃管，价格还很便宜，故选择两个玻璃管分别来测量物料的PH值和收集气体。取样管如图7所示：图7 取样管3.6搅拌器装置的选择3.6.1电机的选择电机的选择有很多种，在实验室里就有这样的搅拌器装置，是在江苏省金坛市医疗仪器厂购买的精密增力电动搅拌器，并且适用于实验要求，为此设计节省了很多时间。电机主要参数：型号：JJ-1 功率：40W 转数：03000r/min 3.6.2搅拌器杆的选择通过电机使搅拌器杆旋转利用叶片来搅拌发酵罐里的物料，因为物料是

27、藻类，是粘稠状液体，利用叶片搅拌能够使物料在水浴加热中均匀受热，试验效果会更佳。搅拌器杆和电机是一体的，实验室里的搅拌器与所设计的厌氧发酵罐相符合，电机的转速是可控制的，为本次设计带来很大的方便。搅拌器如图8所示：图8 搅拌器3.6.3叶片的选择叶片是在液体中搅拌，为了防止生锈，采用不锈钢作为材料，为了使物料能够均匀受热，故叶片与搅拌器之间成30°的夹角，也有利于物料的循环。叶片在实验室里就可以找到，并且安装比较合适，为厌氧发酵罐的设计节省很多时间。叶片如图9所示：图9 叶片3.7轴承的选择本次设计所需的轴承是用来密封搅拌器的，只受到径向力的作用，因此可以选择最简单的深沟球轴承来密封

28、搅拌器。深沟球轴承系列代号为6，故选择6系列轴承。搅拌器杆的直径是8mm，所以选择基本尺寸为8mm的深沟球轴承。其主要参数列于表1。表1轴承参数轴承代号公称直径d(mm)轴承外径D(mm)轴承厚度B(mm)重量/kg基本额定载荷/kN极限转速r/min倒圆角半径r/mm628/881650.0041.32300000.2619/881960.00852.25280000.360882270.0153.32260000.362882480.0163.35240000.3综上表格所述，搅拌器杆的直径仅为8mm，而杆上还与电机相连，搅拌器的径向力比较大，为了安全起见，故采用轴承代号为628的深沟球轴

29、承为最佳。3.8橡胶塞的选择橡胶塞是用来密封发酵罐端盖上圆孔的，像这种橡胶塞尺寸规格很多，采用与端盖圆孔相符的橡胶塞即可，端盖上三个圆孔都是直径为31mm的，所以采用橡胶塞下面直径为27mm，上面直径为37mm的即可密封。其中一个橡胶塞钻直径为4mm的圆孔，用来固定传感器；再用一个橡胶塞钻直径分别为8mm、8mm的两个圆孔，用来固定取样试管和PH试管；最后一个橡胶塞直接堵在端盖上，当试验时需要加物料即可打开此橡胶塞进行加料，同时也可以用来备用。橡胶塞如图10所示：图10 橡胶塞3.9套筒的选择由于搅拌器杆与电机是一体的，所以搅拌器比较重，设计一个套筒来固定搅拌器的电机，这样搅拌器更加平稳，同时

30、也可以减小搅拌器对深沟球轴承的损坏。选择套筒的材料有很多，在实验室里有很多有机玻璃管可以使用，并且能够找到与搅拌器电机直径相配套的有机玻璃管，那样就可以选择用有机玻璃管作为材料，在实验室里还能找到个直径为100mm，厚度为7mm的有机玻璃圆盘，与有机玻璃管用胶密封，这样的套筒既简单有实用，搅拌器也更加平稳，有利于实验进行20。套筒如图11所示：图11 套筒3.10螺栓的选择根据发酵罐罐体法兰盘的要求，法兰盘上有8个直径为10mm的圆孔，因为螺栓是标准件，在市场上就可以买到这种规格的螺栓，故选用8个规格为M10的螺栓用于固定端盖与罐体。同样，支架上也有8个直径为10mm的圆孔，故选用规格为M10

31、的螺栓即可。3.11支架的设计支架的设计需在所用的零件都齐全的情况下，进行设计支架的材料选择不锈钢材料即可，主要是为了稳定厌氧发酵罐，可以利用酒精灯支架作为参考，设计一个环形圈，外径为400mm，内径为200mm，这样发酵罐的排料阀可以穿过环形圈中心，环形圈上钻12个直径为10mm孔距为150mm的圆孔，为了固定罐体，使之更加稳定。再用三根木棒焊接在环形圈上，高度h=285mm，角度为15 便于试验观察与开关排料阀。支架如图12所示： 图12 支架图13 总装配图2.4主要测定项目及方法1.产气量一般认为，自然界的有机物质除矿物油和木质素外，都能被微生物利用而发酵产生沼气。但不同有机

32、物的产气量是不同的，产气量是指在发酵期间产生的沼气量，是衡量沼气发酵系统发酵性能的一项重要指标。试验中的产气量测定用排水集气法收集。2.固体含量（TS）浒苔和污泥的固体含量的测定采用烘干法测定，将试验原料置于105的烘箱内烘干5小时。含水率=烘干前重量-烘干后重量/烘干前重量固体含量（TS）=1-含水率3.挥发性固体含量（VS）挥发性固体含量灼烧法测定，将经过105烘箱烘干后的发酵原料置于550600 的马弗炉内，放置三小时挥发性固体含量（VS）=4.化学耗氧量（COD）化学耗氧量是表示水中还原性物质多少的一个指标，可大致表示污水中的有机物含量。化学耗氧量越大，说明发酵液中的有机物的含量越高，

33、可以检测厌氧发酵中有机物的降解程度。由于固相中的化学耗氧量不易测定，所以在实验中将发酵液取出后，先离心，取发酵液的上清液的COD值，来代替发酵原料的COD值。5.挥发性脂肪酸含量（VFA）挥发性脂肪酸是一类小分子脂肪酸，包括甲酸，乙酸，丙酸，丁酸，甲醇等，是厌氧发酵的中间产物，直接被产甲烷菌利用，代谢生产出甲烷。本试验用化学滴定法测定发酵液中的挥发性脂肪酸。6.氨氮含量氨氮7.甲烷含量沼气是一种混合气体，其主要成分有甲烷，二氧化碳，硫化氢，氮气和氢气等，其中以甲烷和二氧化碳为主，甲烷是沼气中的可燃成分，沼气中甲烷的含量越大，沼气燃烧所产生的热值也越大。试验中通过用气相色谱仪对气体成分进行分析，

34、确定甲烷含量。8.C/N发酵料液中的碳、氮元素含量的比例，对沼气生产有重要的影响，在秸秆等普通物料的发酵中，试验表明碳氮比以（20-30）：1为佳。试验中，碳元素含量用0.47VS估算，氮元素含量用半微量凯氏定氮法测定。9.PH沼气微生物最适宜的pH范围是6.8-7.8。发酵料液的pH应该维持在此范围之内，试验中用精密pH计测定pH值。2.5试验设计2.3.1浒苔厌氧发酵的单因素试验1.预处理方法对厌氧发酵的影响实验组 污泥量 预处理 浒苔（g） 水（ml） 温度() TS浓度1 276.11 粉碎 20.461 200 35 3.17%2 280.87 干浒苔 20.567 200 35 3

35、.15%3 273.93 碱液浸泡 20.15 200 35 3.14%4 284.23 污泥空白 0 200 35 02.温度对发酵的影响沼气发酵微生物是在一定的温度范围内进行代谢活动，可以在8-65产生沼气，温度高低不同产气速度也不同。温度与有机物的厌氧分解过程有密切的关系，不同的温度范围内存在不同类型的微生物。根据产甲烷菌在不同温度下的活性将厌氧发酵分为三类: 常温发酵，中温发酵和高温发酵。常温发酵的温度在15-25左右，中温发酵的温度在35左右，高温发酵的温度在55左右，而40-50是沼气微生物高温菌和中温菌活动的过渡区间，他们在这个温度范围内都不太适应。试验设计为25，35和55三个

36、温度实验组 污泥量（g） 预处理 浒苔(g) 水(ml) 温度() 浓度(%)1 200 干浒苔 15 200 25 2.782 200 干浒苔 15 200 35 2.783 200 干浒苔 15 200 55 2.783.浓度对发酵的影响料液中干物质含量的百分比为料液浓度。反应器内发酵料液浓度太高和太低都对产生沼气不利。因为浓度太低是，含水量高，有机物含量相对 ，会降低实验组 污泥量（g） 预处理 浒苔（g） 水 温度() 浓度（%）1 135 干浒苔 15 500 35 32 135 干浒苔 15 250 35 63 135 干浒苔 15 100 35 104.碳源对发酵的影响实验组 污

37、泥量（g） 碳源 浒苔(g) 水(ml) 温度() 浓度（%）1 150 饲料 15 250 35 2.782 150 锯末 15 250 35 2.783 150 废纸 15 250 35 2.785.接种率对发酵的影响实验组 污泥量 浒苔 水 温度 浓度 接种率1 125 15 250 35 3% 55%2 180 15 250 35 2.6% 65%3 275 15 250 35 2.1% 75%2.3.2正交试验对浒苔厌氧发酵进行优化影响因素 浓度 C/N 接种率 温度因素水平A 3% 16 55% 25因素水平B 6% 25 65% 35因素水平C 10% 35 75% 55温度接种

38、率浓度c/n25553%1625656%25257510%3535556%35356510%1635753%25555510%2555653%3555756%16以上试验分别在不同的条件下进行发酵，每次发酵试验进行15天左右，产气微弱，视为发酵完成。第三章 试验结果与分析3.1不同预处理对浒苔发酵的影响预处理对浒苔发酵的影响在第一批试验中进行，3.2.不同温度对浒苔发酵的影响按试验设计在25，35和55三个温度下进行发酵试验。预处理为破碎干浒苔，浓度为2.78%。实验产气结果如图。 图1由图1可知，六个发酵瓶的产气量分别逐渐上升，在第六天到第九天间产气量达到最大值，再第18天后，产气微弱，视为

39、发酵结束。35的7号和8发酵瓶单日产气量均大于其他发酵瓶，并且产气量在第六天就达到最大值。25常温发酵产气均匀，产气量少，无明显的产气高峰，而55的发酵瓶产气量较大，但在第九天才达到高峰。由图2可知，三个发酵温度下的平均总产气量，35产气量最大，总产气量为3250，VS产气潜力为385.5792ml/g。55发酵瓶总产气量也较大，为3028.5，其产气潜力为359.2641ml/g,总产气量最小的是25发酵瓶2229，其产气潜力为264.3566。究其原因，微生物在进行代谢活动时，有中温菌群和高温菌群共同活动，在进行接种时，接种物中的中温菌群已成为优势菌种，并且浒苔也能够更容易地被中温菌群利用

40、和代谢。温度的影响可以从以下几个方面解释:1.温度主要是通过对厌氧微生物细胞内酶的活性的影响而影响微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率:2.温度还会影响有机物在生化反应中的流向和某些中间产物的形成，以及各种物质在水中的溶解度，因而影响到沼气的产量和成分;3.维持适宜的温度有利于降低能耗，提高物质转化效率，提高产气量。甲烷发酵 阶段是厌氧消化反应的控制因素，根据甲烷菌对温度的适应性可将厌氧消化过程可分为高温消化(55左右)和中温消化(35左右)，而在实际工艺运行中，我们根据反应器的产沼气量预处理过程的能耗平衡来选择反应器的最适温度。所以本实验选择最适温度为35。挥发性脂肪酸（VFA）是沼气发

41、酵过程中微生物进行代谢的中间产物，是产生甲烷的直接来源。产甲烷菌利用产氢产乙酸阶段代谢出的挥发性脂肪酸，直接生成甲烷。VFA是沼气发酵过程中的重要参数。由图可知，发酵液的VFA含量在发酵过程中，逐渐下降，说明发酵过程中，微生物不断利用消耗VFA生成甲烷，其中在第六天到第八天，VFA的下降量最大，因而其产气量也在这一阶段达到最大值。而从第八天开始，VFA的下降量逐渐减小，并维持在稳定的水平，说明VFA的利用率逐渐减小，产气量下降。不同温度之间相比，35的发酵瓶VFA含量一直较低，说明在这个温度下，VFA的利用较充分。沼气发酵过程中，微生物对发酵液的pH值很敏感，微生物代谢的最适pH为6.5-7.

42、5，过酸和过碱都会抑制微生物的代谢。当挥发性脂肪酸（VFA）积累太多时，pH值会发生下降，发酵过程发生“酸中毒”现象，会抑制反应的继续进行。反之，发酵反应器中会存在有游离的氨态氮，即氨氮，氨氮呈碱性，当氨氮的积累过多，会使反应器过碱，也会抑制反应的进行。从图上可以看出本次试验在不同的温度下发酵，都没有出现过酸和过碱的现象，整个发酵过程都在正常的pH范围内。3.3不同浓度对浒苔发酵的影响原料浓度是沼气发酵的重要的影响因素，能够进行沼气发酵的固体浓度范围很宽，约1-30%。控制适宜的发酵原料的浓度，不仅可以获得较高的产气量，而且可以获得较高的原料利用率由图可知，浒苔在不同的浓度下发酵，达到产气高峰

43、的时间不一样，浓度较大的先达到产气高峰，10%的发酵瓶在第二天，6%的发酵瓶在第五天，3%浓度在第八天分别达到了产气高峰。但总产气量有差别，由图可知浓度为6%时，总产气量最大为3805.5，其VS产气潜力为465.2674ml/g。而3%和10%浓度的产气量较少，相接近，是因为浓度大的反应物质充足，即产气物质多，导致产气量多。一定范围内，有机物固体含量越高，提供的发酵基质也越充分，其水解后提供的小分子有机物及其浓度越高，因而产气量也就越大。但是当浓度大到一定程度，物料太干，物料的流动性差，限制了微生物与浒苔的接触面积。并且池容负荷增大，原料利用率降低，因而当浓度大于10%,TS去除率和总的产气

44、量反而下降。从图上可以看出本次试验在不同的温度下发酵，都没有出现过酸和过碱的现象，整个发酵过程都在正常的pH范围内。由图可知，浒苔在不同浓度的发酵过程中，发酵液的VFA含量总体是先上升，达到最高值后，然后又逐渐下降。其中6%浓度的VFA含量较低，在这个浓度下，微生物更充分地利用VFA生成了甲烷。在第15天后，发酵基本完成时，发酵瓶中VFA的含量稍微上升，是因为此时发酵已趋于完成，产甲烷菌不能跟充分的代谢VFA，造成一定程度上VFA的积累。由图上知发酵过程中，气体组成成分中甲烷的含量逐渐上升，其中最高达到62%，当甲烷的含量达到最大值时，基本会保持在恒定的水平，当发酵快完成时，甲烷的含量还是变化

45、不大。3.4不同碳源对浒苔发酵的影响3.5不同接种率对浒苔发酵的影响由图可知，在发酵过程中，各个接种率下的发酵过程都在第八天达到最大产气量，但是接种率对总产气量影响很大。发酵过程中，75%的接种率反应器产气量明显高于接种率较小的反应器，说明接种物浓度越高，就是提供发酵的基质浓度越高，有利于产甲烷菌大量繁殖，因而产气量也就越多。对照图2，不同接种率的总产气量图，所以实验认为，接种物浓度为75%反应器比接种物浓度为65%和55%的反应器更有利于产气。从图上可以看出本次试验在不同的温度下发酵，都没有出现过酸和过碱的现象，整个发酵过程都在正常的pH范围内。对照 表 3 一6、表3一7，分析图今巧的实验

46、结果，接种物浓度为科%的8禅反应器产甲烷含量与接种物浓度37%的7禅反应器甲烷含量相似，有时高于7#反应器。又由图4一14知，8月反应器产气量高于尹反应器，这说明扩反应器的产甲烷量较尹反应器高，这是因为接种物浓度高，基质发酵物质就多，可快速进入厌氧发酵环境，产生大量产甲烷菌，并产生大量的甲烷气体.所以实验认为，接种物浓度为4%的扩反应器比接种物浓度为37%的尹反应器有利于产气第四章 结论与讨论第二章 研究目标，研究内容和研究方案2.1研究目标目前，沼气利用技术日渐成熟，研究目标是:通过试验对浒苔厌氧发酵产沼气可行性进行探索，并通过试验的方法对其影响因素进行研究。2.2研究内容本小试实验在实验室

47、进行，主要进行以下几个方面的研究工作:不同预处理方法对沼气发酵的影响:进料固体浓度对沼气发酵的影响;接种物率对沼气发酵的影响:温度对沼气发酵的影响:物料C/N调节对沼气发酵的影响。2.3试验方案：本试验用 参考文献1大型绿藻浒苔属植物研究进展参考文献1林阿朋,王建伟,阎斌伦等.浒苔（Enteromorpha prolifera）组织培养初步研究J.生态科学,2006,25(4):320-3242林文庭.浅论浒苔的开发与利用J.中国食物与营养,2007(9):23-253高福成编,新型海洋食品M.轻工业出版社,1999.100-101 4徐大伦,黄晓春,杨文鸽等.浒苔营养成分分析J.浙江海洋学院

48、学报:自然科学版,2003,22(4):318-3205常巧玲,孙建义.海藻饲料资源及其在水产养殖中应用研究J.饲料工业,2006,27(2):62-64.6陈灿坤.浒苔加工技术研究项目技术总结报告R.2006,67庞国兴,陈长法,陈欣,等.浒苔饲料产业化技术研究J.饲料工业,2009,30(23):43-44.8宋宁而,王琪.日本的浒苔治理经验及其对我国的启示J.海洋环境与保护,2009(3):15-179赵朋,陈建美,蔡葵,等.浒苔堆肥化处理及对大白菜产量和品质的影响J.中国土壤与肥料,2010,(2):66-7010马贵武.开发大型绿藻的意义与途径J.湛江科技学院学报,1990,10(2

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