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生物预处理玉米秸秆厌氧干发酵特性及沼渣基质利用的研究

赵玲

  我国农作物秸秆资源丰富,有效利用秸秆等生物质资源,将其转化为高附加值的沼气及有机副产物是秸秆能源化利用中的一项重要途径。采用厌氧干发酵技术进行秸秆沼气转化由于提高了容积产气能力已经成为秸秆沼气技术的研究热点。然而,农作物秸秆的特点是木质纤维素含量较高,而厌氧微生物的木质纤维素降解消化能力较弱,从而限制了秸秆生物气化的大规模应用。因此,针对原料特点开展秸秆厌氧发酵的预处理技术、干发酵产气工艺及机制、残留物利用等研究对推进秸秆生物气化的产业化进程具有重要意义。本论文以玉米秸秆为研究对象,生物预处理技术为切入点,开展厌氧干发酵产气特性及残留物沼渣基质利用的研究。主要研究内容如下: (1)采用稀释平板法在愈创木酚固体选择培养基、苯胺兰筛选培养基和α-萘酚筛选培养基上,利用定性筛选和定量木质磺酸钙降解试验相结合的方法从林区朽木中分离筛选出漆酶活力较高的木质素降解菌S4,对该菌株的生物学特性和液体发酵产木质素降解酶的条件进行了研究。结果显示菌株S4主要产生漆酶和木质素过氧化物酶,培养最佳碳氮源为葡萄糖和酒石酸铵,培养条件为28℃、pH值为5.0、接种量5%,影响Lac产量的主要因素为酒石酸铵、Tween80和葡萄糖,最优培养基组合为葡萄糖15g/L,酒石酸铵0.2g/L, MnSO40. 01g/L, Tween80 1g/L,优化后Lac产量为279.5U/L,是优化前的1.21倍;影响LiP产量的主要因素为葡萄糖和酒石酸铵,最优培养基组合为葡萄糖15g/L,酒石酸铵0.4g/L,Tween80 0.5g/L,MnS040.015g/L,优化后LiP产量为221.3U/L,是优化前的1.16倍。 (2)综合酶产生能力和兼容性试验结果,利用产酶互补的原则将Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor及与环境中筛选出的能协同降解木质素的菌株S4进行混合培养降解玉米秸秆,通过对温度、含水率、接种量和培养时间等降解条件进行研究,结果表明混合菌降解玉米秸秆较优的培养条件为28℃、含水量65%、接种量5%,此时7d-15d木质素降解速率较快,20d固态发酵的木质素降解率为35.75%。将混合菌用于玉米秸秆厌氧干发酵前的预处理,结合木质素的降解和厌氧干发酵启动及30d累积产沼气情况,确定预处理时间为11d,预处理后木质素、纤维素和半纤维素的降解率分别为28.74%、17.74%和28.35%,有效缩短后续发酵的启动时间。利用扫描式电子显微镜和红外光谱分析仪对降解前后的玉米秸秆对比分析,发现玉米秸秆表面形态结构发生明显的变化,红外光谱中的芳香环和醚键吸收减少,说明混合菌对木质素有较强降解作用。 (3)在比较不同生物预处理产气效果的基础上,研究了玉米秸秆经混合菌生物预处理后,在温度、粒径、总固体浓度、接种物添加量、C/N不同的条件下,其厌氧干发酵沼气生产过程稳定性及沼气产量的变化。结果表明混合菌预处理玉米秸秆厌氧干发酵效果最好,累积产气量高于堆腐处理组21.2%,青贮后玉米秸秆用于发酵需定期监测并调节基质pH值,否则易引起消化障碍;高温发酵有优势,但能耗大,中温35℃较适合玉米秸秆厌氧干发酵;减小玉米秸秆粒径对厌氧消化具有促进作用,一定范围内粒径越小达到产气高峰的时间越短,但粒径过小影响底物疏松状态,试验条件下粒径为1-3mm的玉米秸秆干发酵效果及产气稳定性最好。总固体浓度对玉米秸秆的厌氧发酵也有显著影响,在保证较高的处理效率的情况下,选择较低的总固体浓度有利于后期产甲烷阶段的进行。在单因素试验基础上,选择混合菌预处理、中温(35℃),粒径1-3mm的条件下,利用响应面法进行进一步的工艺参数优化,确定出最优的工艺条件为原料TS浓度为21.4%,接种物添加量为25.5%,初始C/N为30.2:1,累积产气量相比优化前提高23.15%。最优工艺条件下,100d发酵周期的玉米秸秆干发酵试验,发酵原料TS产气率为0.476L/g,沼气中甲烷体积分数平均为50.13%。优化后工艺条件有效促进了玉米秸秆厌氧干发酵产沼气的进行,为玉米秸秆厌氧干发酵系统的合理设计与运行提供理论依据。 (4)通过对玉米秸秆厌氧干发酵残留物的营养成分及污染性指标测试分析,结果表明:以玉米秸秆为原料的发酵残留物中含有丰富的营养性物质,其中沼渣中各种营养成分明显高于沼液,沼渣中全氮、全磷和全钾含量均较高,相对于畜禽粪便发酵后的沼渣相比处于较高水平。对照农用污泥污染物控制标准(GB4284-84),本试验条件下的沼渣中各重金属元素含量均在标准范围内。表明沼渣不仅含有丰富的营养元素,并且可作为一种高效无公害有机基质的原料长期使用。 (5)不同配比的沼渣基质容重、含水量、pH值、EC值等指标均在适宜范围内,其中沼渣:蛭石为1:2-3的处理促进根系发育,干物质积累多,光系统(PSⅡ)有较大的光合电子受体库(Sm),可接受较多的电子,有利于在电子传递链中的传递,使光能的最大转化效率(Fv/Fm)及PSⅡ的潜在活性(Fv/Fo)提高。添加一定比例的沼渣后,改变了基质的微生物区系组成,明显提高草莓根际基质中放线菌和细菌的比例,其中沼渣:蛭石为1:2处理中细菌/真菌为对照的3.09倍,放线菌/真菌比例达76.23倍,基质中活性物质的提高改善了草莓根际环境,表现为草莓根系活力比对照提高了19.17%,根系总呼吸速率较对照显著提高47.67%,根系生化呼吸代谢途径向产能较高的TCA呼吸途径转化,为植株良好发育提供能量。 (6)干旱逆境下,沼渣:蛭石为1:2基质的草莓植株净光合速率较对照显著提高44.39%,植株的水分利用效率提高,草莓叶片PSⅡ电子传递体未受到明显伤害;低温条件下沼渣:蛭石为1:3处理叶片Pn处于较高水平,但PSⅡ受体侧电子从QA-向QB-的传递受到一定的抑制;强光照条件下沼渣:蛭石为1:2处理光化学性能指数(PIABC)明显高于其他处理,光合电子传递效率高。研究表明沼渣:蛭石为1:2处理的草莓植株抗逆性强,是一种较为理想的栽培基质。……   
[关键词]:玉米秸秆;生物预处理;厌氧干发酵;沼渣基质
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:沈阳农业大学2011年