稻草和猪粪生物降解及厌氧消化关键技术研究

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本研究以农业废弃物稻草和猪粪为研究对象,利用前期构建的一组高效纤维素降解复合菌系对其进行生物预处理。通过研究影响稻草和猪粪生物降解的环境因子(碳氮比、料水比、氧化还原电位),探讨了生物预处理条件下农业废弃物协同高效降解关键技术;通过考察影响厌氧消化工艺的主要因素(碳氮比、生物预处理时间、有机负荷),比较分析生物处理后农业废弃物厌氧消化甲烷产率及关键参数变化情况,探讨了生物预处理条件下稻草和猪粪水解及其厌氧消化产甲烷效果。此外,通过对生物处理的稻草和猪粪厌氧消化过程进行动力学研究,分析比较关键动力学参数的变化情况,进一步探究了复合菌系预处理对稻草和猪粪厌氧消化的影响。研究结果如下:(1)协同生物降解结果显示:当碳氮比为16:1时,复合菌系分泌的滤纸酶活和羧甲基纤维素酶(CMC酶)酶活可达3.2和10.8 IU/mL,底物失重率高达26.2%;当初始氧化还原电位为-31 mv时,降解液内滤纸酶和CMC酶活性可达2.68和4.68 IU/mL,底物失重率达到34.2%;当料水比为11%时,降解过程中滤纸酶活和CMC酶活可达2.58和6.8 IU/mL,底物失重率达38.2%。(2)分批厌氧消化结果显示:当碳氮比为30:1时,经生物预处理后的稻草和猪粪厌氧消化甲烷产率高达318.14 mL/g-VS,较未经生物处理的对照组提高了38%。此外,利用复合菌系对稻草和猪粪预处理30 h,其厌氧消化甲烷产率(263.69 mL/g-VS)较未经生物处理的对照组提高了47.6%。(3)连续厌氧消化结果表明,当有机负荷处于0.42.5 kg COD/(m3 d)范围内时,经复合菌系预处理后的稻草和猪粪厌氧消化系统极为稳定,最大容积甲烷产率(0.64 L CH4/(L d))和比甲烷产率(0.4557 L CH4/g CODremoved)较不经生物处理的对照组分别提高了62.4%和37.8%。(4)厌氧消化动力学研究结果显示,一级动力学模型以及修正的Gompertz模型对稻草和猪粪厌氧消化过程拟合效果极佳(R2≥0.966),经复合菌系预处理后,稻草和猪粪水解速率、最大累积甲烷产率和最大产甲烷速率分别达到0.46/d,350.79 mL/(g-VS)和45.36 mL/(g-VS d),较未经生物预处理的稻草和猪粪分别提高了77%,45.1%和84.3%。此外,生物预处理后厌氧消化延滞期和有效产甲烷时间分别从2.43和10.7d缩短至1.79和8.92d。上述结果充分显示纤维素降解复合菌系在提高农业废弃物稻草和猪粪水解效果及厌氧消化甲烷产率方面具有极大的应用潜力。本研究旨在探索稻草和猪粪高效处置方式,同时也为其他农业废弃物资源化转化提供技术参考。
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