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我国是一个农业大国，每年年产玉米秸秆约2.16亿吨，大量玉米秸秆直接焚烧，造成环境污染和资源浪费。以玉米秸秆为原料通过厌氧发酵制备富含甲烷的生物气，不仅有效处理固体废弃物玉米秸秆，且产生可利用生物能源，具有重要生态意义。然而玉米秸秆复杂的纤维素结构特点决定了玉米秸秆厌氧发酵产气效率低。预处理是一种有效的方法，能够破坏玉米秸秆的木质素纤维素结构，提高厌氧发酵性能。特别是尿素氨化预处理，不仅能够有效破坏玉米秸秆木质纤维素结构，促进发酵微生物与纤维素接触，且能够为玉米秸秆厌氧发酵系统补充氮源(玉米秸秆碳氮比较高)。养猪废水是一种富含氨氮的养殖粪污，直接厌氧发酵需要对发酵系统补充碳源。以富含氨氮养猪废水预处理玉米秸秆，有望破坏玉米秸秆木质素结构，提高玉米秸秆厌氧发酵的产气性能，同时处理养猪废水。然而目前对养猪废水预处理玉米秸秆的特点以及预处理后养猪废水与玉米秸秆混合液厌氧发酵特性尚不明确。
为掌握富含氨氮的养猪废水预处理玉米秸秆的特性。本论文进行了以下4个方面的研究，首先在不同尿素质量分数和玉米秸秆含水率的条件下进行尿素氨化预处理玉米秸秆实验，分析预处理过程中玉米秸秆结构和纤维素含量变化以及预处理后玉米秸秆厌氧发酵产气性能，研究尿素氨化预处理对玉米秸秆厌氧发酵特性的影响；然后在相同的氨氮浓度条件下进行养猪废水预处理玉米秸秆，通过分析预处理过程中氨氮浓度、VFAs浓度及SCOD浓度变化，预处理后玉米秸秆的产气性能和纤维素结晶度变化，研究养猪废水预处理对玉米秸秆厌氧发酵特性的影响；接下来对比分析尿素氨化预处理和养猪废水预处理对玉米秸秆厌氧发酵过程微生物菌群变化的影响，阐明两种预处理对玉米秸秆厌氧发酵影响的作用机理；最后针对养猪废水预处理玉米秸秆出现延滞期的问题，提出半连续厌氧发酵实验，并研究半连续发酵过程中VFAs、氨氮浓度等衡量厌氧发酵稳定性指标的变化，获得养猪废水预处理玉米秸秆适宜发酵条件，主要研究结果及结论如下。
(1)尿素氨化预处理玉米秸秆实验研究
采用两因素不同水平的组合试验设计，探讨了尿素氨化工艺参数对玉米秸秆厌氧发酵影响规律。结果表明：尿素氨化预处理可有效提高玉米秸秆厌氧发酵产气性能。1)尿素质量分数、玉米秸秆含水率对累积甲烷产量影响极显著(p<0.01)；通过Gompertz模型计算得出，当尿素质量分数为2%、4%、6%以及对照组CK，尿素氨化预处理玉米秸秆厌氧发酵产甲烷潜能分别是169.74、222.76、186.69和185.29mL/gVS，尿素质量分数为4%，产甲烷潜能最大，分别比尿素质量分数2%、6%以及对照组CK高约31.2%、19.3%和20.2%；2)当尿素质量分数小于4%时，随着尿素质量分数的增加，木质纤维素的降解率增加，当尿素质量分数为4%，玉米秸秆含水率为70%时，厌氧消化后木质纤维素的降解率最高。纤维素和半纤维素的降解率分别为46.34%和45.47%；采用多目标优化方法，得到的最佳工艺参数：尿素质量分数4%，玉米秸秆含水率70%。
(2)养猪废水预处理玉米秸秆实验研究
采用两因素不同水平的组合试验设计，探讨了养猪废水预处理工艺参数对玉米秸秆厌氧发酵影响规律。结果表明：养猪废水能够明显提高玉米秸秆厌氧发酵累积甲烷产量。1)养猪废水预处理可以有效改变玉米秸秆C/N，经养猪废水预处理后，发酵原料C/N在20~30范围内。2)预处理温度和时间显著影响玉米秸秆厌氧发酵累积甲烷产量。在预处理温度为35℃、预处理时间为3天时，累积甲烷产量达到最大，其值为248.44mL/gVS，比未处理组(181.88 mL/g VS)高约36.5%。3)当养猪废水预处理温度为35℃时，厌氧发酵过程中TS降解率、纤维素降解率、半纤维素降解率和木质素的降解率随着预处理时间的延长，呈先上升后下降的趋势，当预处理时间为3天时，TS降解率、纤维素降解率、半纤维素降解率和木质素降解率达到最大，分别为53.13%、55.78%、51.72%和30.16%。4)养猪废水预处理后玉米秸秆厌氧发酵后CrI显著下降。在预处理温度35℃、预处理时间为3天时，厌氧发酵后玉米秸秆的CrI最低为21.83，比未处理组玉米秸秆CrI(34.28)低36.31%。养猪废水预处理玉米秸秆的最佳工艺优化参数：预处理温度35℃、预处理时间3d。
(3)对比批式厌氧发酵实验特性研究
对比分析尿素氨化预处理和养猪废水预处理对玉米秸秆厌氧发酵发酵特性影响。结果表明，养猪废水预处理玉米秸秆效果优于尿素氨化预处理。1)经Gompertz模型计算得出，养猪废水预处理组累积甲烷产量最大，其值为254.98mL/gVS，比尿素预处理(228.98 mL/g VS)和未处理组(185.22 mL/g VS )高约11.40%和37.60%，且此时发酵料液中的产甲烷菌(Methanoculleus)相对丰度最大，发酵后出水SCOD浓度降解率约68.75%；2)养猪废水处理组的玉米秸秆在厌氧发酵结束后TS降解率、半纤维素降解率、纤维素降解率和木质素降解率分别为58.02%、55.72%、50.83%、30.04%，比未处理组分别高约12.07%、11.17%、9.05%、15.23%。
(4)养猪废水预处理玉米秸秆混合厌氧发酵特性研究
养猪废水预处理玉米秸秆后分离液的添加方式对玉米秸秆厌氧发酵性能有显著影响。1)当每次分离液的添加量为20mL时(T2组)，玉米秸秆厌氧发酵的产甲烷潜能最大为254.06mL/gVS，比T1、T3和T4组分别高15.01%、28.55%和43.68%；2)厌氧发酵延滞期随厌氧发酵过程中每次分离液添加量的增加而延长；3)当每次分离液的添加量为20mL时，厌氧发酵过程中TS、半纤维素、纤维素、木质素的降解率最大，分别为58.15%、55.62%、51.23%和29.74%。
为掌握富含氨氮的养猪废水预处理玉米秸秆的特性。本论文进行了以下4个方面的研究，首先在不同尿素质量分数和玉米秸秆含水率的条件下进行尿素氨化预处理玉米秸秆实验，分析预处理过程中玉米秸秆结构和纤维素含量变化以及预处理后玉米秸秆厌氧发酵产气性能，研究尿素氨化预处理对玉米秸秆厌氧发酵特性的影响；然后在相同的氨氮浓度条件下进行养猪废水预处理玉米秸秆，通过分析预处理过程中氨氮浓度、VFAs浓度及SCOD浓度变化，预处理后玉米秸秆的产气性能和纤维素结晶度变化，研究养猪废水预处理对玉米秸秆厌氧发酵特性的影响；接下来对比分析尿素氨化预处理和养猪废水预处理对玉米秸秆厌氧发酵过程微生物菌群变化的影响，阐明两种预处理对玉米秸秆厌氧发酵影响的作用机理；最后针对养猪废水预处理玉米秸秆出现延滞期的问题，提出半连续厌氧发酵实验，并研究半连续发酵过程中VFAs、氨氮浓度等衡量厌氧发酵稳定性指标的变化，获得养猪废水预处理玉米秸秆适宜发酵条件，主要研究结果及结论如下。
(1)尿素氨化预处理玉米秸秆实验研究
采用两因素不同水平的组合试验设计，探讨了尿素氨化工艺参数对玉米秸秆厌氧发酵影响规律。结果表明：尿素氨化预处理可有效提高玉米秸秆厌氧发酵产气性能。1)尿素质量分数、玉米秸秆含水率对累积甲烷产量影响极显著(p<0.01)；通过Gompertz模型计算得出，当尿素质量分数为2%、4%、6%以及对照组CK，尿素氨化预处理玉米秸秆厌氧发酵产甲烷潜能分别是169.74、222.76、186.69和185.29mL/gVS，尿素质量分数为4%，产甲烷潜能最大，分别比尿素质量分数2%、6%以及对照组CK高约31.2%、19.3%和20.2%；2)当尿素质量分数小于4%时，随着尿素质量分数的增加，木质纤维素的降解率增加，当尿素质量分数为4%，玉米秸秆含水率为70%时，厌氧消化后木质纤维素的降解率最高。纤维素和半纤维素的降解率分别为46.34%和45.47%；采用多目标优化方法，得到的最佳工艺参数：尿素质量分数4%，玉米秸秆含水率70%。
(2)养猪废水预处理玉米秸秆实验研究
采用两因素不同水平的组合试验设计，探讨了养猪废水预处理工艺参数对玉米秸秆厌氧发酵影响规律。结果表明：养猪废水能够明显提高玉米秸秆厌氧发酵累积甲烷产量。1)养猪废水预处理可以有效改变玉米秸秆C/N，经养猪废水预处理后，发酵原料C/N在20~30范围内。2)预处理温度和时间显著影响玉米秸秆厌氧发酵累积甲烷产量。在预处理温度为35℃、预处理时间为3天时，累积甲烷产量达到最大，其值为248.44mL/gVS，比未处理组(181.88 mL/g VS)高约36.5%。3)当养猪废水预处理温度为35℃时，厌氧发酵过程中TS降解率、纤维素降解率、半纤维素降解率和木质素的降解率随着预处理时间的延长，呈先上升后下降的趋势，当预处理时间为3天时，TS降解率、纤维素降解率、半纤维素降解率和木质素降解率达到最大，分别为53.13%、55.78%、51.72%和30.16%。4)养猪废水预处理后玉米秸秆厌氧发酵后CrI显著下降。在预处理温度35℃、预处理时间为3天时，厌氧发酵后玉米秸秆的CrI最低为21.83，比未处理组玉米秸秆CrI(34.28)低36.31%。养猪废水预处理玉米秸秆的最佳工艺优化参数：预处理温度35℃、预处理时间3d。
(3)对比批式厌氧发酵实验特性研究
对比分析尿素氨化预处理和养猪废水预处理对玉米秸秆厌氧发酵发酵特性影响。结果表明，养猪废水预处理玉米秸秆效果优于尿素氨化预处理。1)经Gompertz模型计算得出，养猪废水预处理组累积甲烷产量最大，其值为254.98mL/gVS，比尿素预处理(228.98 mL/g VS)和未处理组(185.22 mL/g VS )高约11.40%和37.60%，且此时发酵料液中的产甲烷菌(Methanoculleus)相对丰度最大，发酵后出水SCOD浓度降解率约68.75%；2)养猪废水处理组的玉米秸秆在厌氧发酵结束后TS降解率、半纤维素降解率、纤维素降解率和木质素降解率分别为58.02%、55.72%、50.83%、30.04%，比未处理组分别高约12.07%、11.17%、9.05%、15.23%。
(4)养猪废水预处理玉米秸秆混合厌氧发酵特性研究
养猪废水预处理玉米秸秆后分离液的添加方式对玉米秸秆厌氧发酵性能有显著影响。1)当每次分离液的添加量为20mL时(T2组)，玉米秸秆厌氧发酵的产甲烷潜能最大为254.06mL/gVS，比T1、T3和T4组分别高15.01%、28.55%和43.68%；2)厌氧发酵延滞期随厌氧发酵过程中每次分离液添加量的增加而延长；3)当每次分离液的添加量为20mL时，厌氧发酵过程中TS、半纤维素、纤维素、木质素的降解率最大，分别为58.15%、55.62%、51.23%和29.74%。