国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

干秸稈、鮮豆稈混合厭氧發(fā)酵條件優(yōu)化設計

2016-06-12 06:48:19鄧媛方許家興劉曉燕戴本林徐繼明
關鍵詞:厭氧發(fā)酵沼氣秸稈

鄧媛方,許家興,劉曉燕,戴本林,徐繼明

(1.淮陰師范學院 江蘇省生物質能與酶技術重點實驗室,江蘇淮安 223300;2.淮陰師范學院 江蘇省區(qū)域現代農業(yè)與環(huán)境保護協同創(chuàng)新中心,江蘇淮安 223300)

?

干秸稈、鮮豆稈混合厭氧發(fā)酵條件優(yōu)化設計

鄧媛方1,2,許家興1,2,劉曉燕1,2,戴本林1,2,徐繼明1,2

(1.淮陰師范學院 江蘇省生物質能與酶技術重點實驗室,江蘇淮安223300;2.淮陰師范學院 江蘇省區(qū)域現代農業(yè)與環(huán)境保護協同創(chuàng)新中心,江蘇淮安223300)

摘要:以鮮豆稈和風干稻秸作為發(fā)酵原料,在前期單因素實驗基礎上,采用3因素5水平二次回歸正交旋轉組合設計,以累計沼氣產量作為響應值,探討溫度、干鮮比(鮮豆稈與風干稻秸干物質的質量比)、接種物質量分數3因素對沼氣產量的影響,并建立數學模型,進行模型擬合,確定最佳條件.結果表明:二次項模型擬合效果最佳,3因素對干鮮秸稈混合厭氧發(fā)酵產氣量影響的大小依次為接種物質量分數、溫度、干鮮比.最佳工藝條件為溫度28.97 ℃,干鮮比2.23∶1,接種物質量分數30.11%,預測TS產氣率279.789 L/kg.模型預測值與驗證實驗值之間相對偏差為0.23%(F<0.01),差異不顯著,該多元回歸模型擬合較好,為提高干鮮秸稈混合厭氧發(fā)酵產氣效率提供理論參考.

關鍵詞:沼氣;秸稈;厭氧發(fā)酵;模型優(yōu)化

隨著農村分散養(yǎng)殖日益減少,及規(guī)?;B(yǎng)殖的快速推進,戶用沼氣面臨原料供給不足的困境.中國作為一個農業(yè)大國,生物資源豐富,其中半數以上為農作物秸稈,其年產量超過7.5×108t[1],解決對農作物秸桿的利用轉換意義重大.中國秸稈資源中水稻、小麥、玉米秸稈主要以風干狀態(tài)存在,水分含量低,纖維素含量高,作為沼氣發(fā)酵原料具有碳氮比高、原料不易降解、發(fā)酵周期長等特點[2],而豆稈、紅薯藤葉、蔬菜剩余物等鮮青秸稈具有碳氮比低、含水量高、易腐爛降解、發(fā)酵周期短等特點[3-5].本文以鮮豆稈和風干稻秸為原料,采用二次回歸正交旋轉組合設計[6],研究發(fā)酵溫度、干鮮比(鮮豆稈與風干稻秸干物質的質量比)、接種物質量分數3因素對干鮮秸稈原料混合厭氧消化的影響,為提高秸稈類原料厭氧消化產沼效率提供理論和實踐依據.

1材料與方法

1.1材料與裝置

自然風干水稻秸稈和新鮮大豆秸稈取自淮陰區(qū)郊區(qū)農田,經粉碎機粉碎至長度1 cm.接種物取自江蘇省生物質能與酶技術重點實驗室自行馴化的厭氧發(fā)酵污泥,實驗原料理化特性見表1.實驗裝置為水壓式厭氧發(fā)酵裝置[7].

1.2實驗設計

實驗前期分別對可能影響厭氧發(fā)酵產氣效果的溫度條件、干鮮比和接種物質量進行單因素實驗,初步了解其在厭氧發(fā)酵過程中產氣量及甲烷含量變化情況.在此基礎上選擇合適的因素水平范圍進行編碼,探討水稻、大豆秸稈原料混合厭氧消化的最佳工藝條件[8-10].因素水平編碼見表2.

利用Design-expet.V8.0.6數據處理軟件進行二次正交旋轉組合實驗方案設計,單純考慮沼氣產量作為響應值,并對回歸方程進行檢驗,分析單因素(溫度、干鮮比及接種物質量分數)的變化對大豆、水稻秸稈混合厭氧消化累計沼氣產量變化的影響及其主次效應[11]和不同因素間交互作用對干鮮秸稈混合厭氧發(fā)酵產氣量的影響,最終確定最優(yōu)工藝條件.

表1 水稻、大豆秸稈原料及接種物理化特性

表2 水平編碼表

干鮮比指鮮豆稈與風干稻秸干物質的質量比,下同.

1.3檢測方法

總碳(TOC):總有機碳分析儀(島津TOC儀);總氮(TN):凱氏定氮法;干物質(TS)測定:在(105±1) ℃的干燥箱中干燥至質量恒定;產氣量:排水法收集氣體,量筒測定其體積[12].

2結果與分析

2.1模型構建

通過Design-expet.V8.0.6實驗設計軟件,對實際沼氣產率的結構矩陣進行排列并對其實驗結果進行預測建模,結果見表3.

表3 三元二次回歸正交旋轉組合設計實驗結果

2.2擬合模型選擇

使用Design-expert.V8.0.6實驗設計軟件選擇CCD實驗[13],對表3實驗結果中產氣量進行數據分析,結果見表4.分別采用線性、二次和三次回歸模型對干鮮秸稈混合厭氧發(fā)酵實驗中的沼氣產率進行模型擬合,選擇最優(yōu)的擬合模型.可知二次模型擬合效果極顯著(P<0.000 1).

表4 模型參數擬合表

對總產氣量數據進行失擬檢驗,由數據分析可知,線性模型(P<0.000 1)和三次模型(P=0.131 0)的損失度均大于二次模型(P=0.373 1),因此,確定二次模型的擬合程度更優(yōu).

對累計產氣量數據進行R2綜合分析,線性、二次、三次模型R2依次為0.191 6、0.996 2、0.995 8,由表4可知,二次模型殘差平方和最小(1 476.340),據此推測二次模型預測值可信度更高.

綜上所述,通過對建立的線性、二次項、三次項模型進行方差分析、失擬檢驗和R2綜合分析可知,選擇二次項模型對本實驗數據進行擬合是理想的方式.

2.3TS產氣率模型的建立

采用Design-expet.V8.0.6數據分析軟件對表3數據進行方差分析及系數估計,結果見表5,沼氣產率為y值,得出以溫度(x1)、干鮮比(x2)、接種物質量分數(x3)3因素編碼值為自變量的三元二次回歸方程,見式1.

y=286.99+35.15x1-8.03x2-47.58x3+11.25x1x2-9.00x1x3+

6.75x2x3-55.22x12-48.32x22-40.55x32.

(1)

對各項回歸系數進行顯著性檢驗(P<0.01),回歸方差顯著,失擬方差不顯著(P=0.373 1),說明該方程的擬合良好.實驗采用數據與建立二次數學模型相符,不需要改變回歸模型.

表5 回歸方程的方差分析

2.4單因素效應分析

根據回歸模型(式 1),依次將3因素中的2個固定在零水平上,建立溫度、干鮮比和接種物質量分數分別對產氣量影響的單因素回歸模型,見式(2)、(3)、(4).以編碼值為橫坐標,產氣量為縱坐標,繪制出溫度、干鮮比、接種物質量分數對產氣量的影響曲線,并對其進行擬合,如圖1所示.

圖1 單因素與產氣量的關系 Fig.1 Relationship between single factor andbiogas yield

由圖1可知,3因素水平變化對產氣量的影響趨勢均呈現出開口向下的拋物線形態(tài),通過拋物線的坡度緩急程度以及式(1)中一次項系數絕對值大小可以判斷出對產氣量影響的主次效應,3因素對總產氣量的影響順序依次是:接種物質量分數>溫度>干鮮比.

y=286.99+35.15x1-55.22x12,

(2)

y=286.99-8.03x2-48.32x22,

(3)

y=286.99-47.58x3-40.55x32.

(4)

2.5交互因素效應分析

采用Design-expet.V8.0.6數據分析軟件對3個因素兩兩之間的交互作用進行分析,得到因素之間的響應面及等高線圖(圖2).

由圖2可知,發(fā)酵溫度與干鮮比之間交互效應顯著.固定干鮮比,產氣量隨溫度增加呈現出先增大后減少的趨勢.實驗選取上水平條件時產氣量減少可能與實驗所用馴化接種物有關,發(fā)酵罐中所用微生物菌群在30 ℃條件下馴化,進入溫度相似環(huán)境能很快適應,甲烷菌活性大.溫度的驟變給產甲烷微生物活性帶來顯著影響[14-15].

圖3反應發(fā)酵溫度與接種物質量分數的變化對累計產氣量的影響趨勢,當接種物質量分數處于上水平條件時,產氣量有下降的趨勢,在同樣容積負荷下,接種量越大,發(fā)酵罐中所添加的原料就越少,發(fā)酵罐的容積利用率越低,這對于發(fā)酵并不利,會增加同等質量原料消化所需容積,降低發(fā)酵罐的容積利用率,增加投資和運行成本[16];當接種物質量分數處于下水平條件時,產氣量總體偏高.說明接種物質量分數在零水平條件時,接種強度已經足夠.在評估最終沼氣產量時,接種量一般以能夠基本消除批量消化的延滯期和保持 pH值穩(wěn)定為佳[17-19].

圖2 溫度(x1)、干鮮比(x2)對產氣量的影響圖3 溫度(x1)、接種物質量分數(x3)對產氣量的影響Fig.2 Effect of temperature(x1) and dry-fresh(x2) TS ratio on Fig.3 Effect of temperature(x1) and inoculation massbiogas productionfraction(x3) on biogas production

由圖4可知,干鮮比與接種物質量分數對產氣量的影響均呈現開口向下的拋物線形,同一接種物質量分數水平條件下,不同干鮮比條件對產氣量有小幅影響,本實驗通過干鮮比調配控制碳、氮質量比在23∶1~30∶1.一般認為發(fā)酵原料的碳、氮質量比以(20~30)∶1產氣效果較好[20].

2.6最優(yōu)工藝條件確定

通過模型尋優(yōu),得到干鮮秸稈混合厭氧發(fā)酵最佳工藝條件為:溫度28.97 ℃,干鮮比為2.23∶1,接種物質量分數30.11%,預測TS產氣率279.789 L/kg(表6).

為證實預測結果,采用上述最優(yōu)條件進行干鮮秸稈混合厭氧發(fā)酵實驗,3次重復,實測累計沼氣產量平均19.63 L(即TS產氣率280.43 L/kg),較預測值相對偏差為0.23%(F<0.01),差異性不顯著,驗證了該多元回歸模型的合理性.

圖4 干鮮比(x2)、接種物質量分數(x3)對產氣量的影響Fig.4    Effect of dry-fresh(x2) TS ratio and inoculation mass   fraction(x3) on biogas production

因 子編碼值實際值x10.668 28.97 x20.391 2.23 x3-0.031 30.11 穩(wěn)定點的TS預測值279.789L/kg

3結論

1)通過溫度(x1)、干鮮比 (x2)、接種物質量分數(x3) 3因素5水平二次旋轉正交組合實驗,得到累計沼氣產量(y)的回歸模型為

y=286.99+35.15x1-8.03x2-47.58x3+11.25x1x2-9.00x1x3+

6.75x2x3-55.22x12-48.32x22-40.55x32

方差分析、失擬檢驗和R2綜合分析表明,所得模型擬合良好,能夠用于描述累計沼氣產量隨發(fā)酵溫度、原料干鮮比、接種物質量分數的變化規(guī)律.

2)3因素對干鮮秸稈混合厭氧發(fā)酵產氣的影響大小依次為接種物質量分數、溫度、干鮮比,且溫度與干鮮比、接種物質量分數,干鮮比與接種物質量分數之間交互作用影響顯著.

3)風干水稻秸稈、新鮮大豆秸稈混合厭氧消化最優(yōu)沼氣產量工藝條件為:溫度28.97 ℃,干鮮比2.23∶1,接種物質量分數30.11%,預測TS產氣率 279.789L/kg.

參考文獻:

[1]謝光輝,王曉玉,任蘭天.中國作物秸稈資源評估研究現狀[J].生物工程學報,2010,26(7):855-863.DOI:10.13345/j.cjb.2010.07.023.

XIE Guanghui,WANG Xiaoyu,REN Lantian.China’s crop residues resources evaluation[J].Chinese Journal of Biotechnology,2010,26(7):855-863.DOI:10.13345/j.cjb.2010.07.023.

[2]李平,龍韓威,高立洪,等.不同預處理方式下水稻秸稈厭氧消化性能比較[J].農業(yè)工程學報,2015,31(12):200-205.DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.027.LI Ping,LONG Hanwei,GAO Lihong,et al.Comparison of anaerobic digestion capability of rice straw with different pretreatment methods[J].Transactions of the CSAE,2015,31(12):200-205.DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.027.

[3]石勇,邱凌,邵艷秋,等.小麥秸稈與紅薯藤葉混合厭氧發(fā)酵特性[J].西北農業(yè)學報,2010,19(7):186-189.DOI:10.3969/j.issn.1004-1389.2010.07.040.

SHI Yong,QIU Ling,SHAO Yanqiu,et al.Study on characteristics of anaerobic fermentation with wheat straw and sweet potato vine[J].Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica,2010,19(7):186-189.DOI:10.3969/j.issn.1004-1389.2010.07.040.

[4]劉榮厚,王遠遠,孫辰,等.蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵制取沼氣的試驗研究[J].農業(yè)工程學報,2008,24(4):209-213.DOI:10.3321/j.issn:1002-6819.2008.04.041.

LIU Ronghou,WANG Yuanyuan,SUN Chen,et al.Experimental study on biogas production from vegetable waste by anaerobic fermentation[J].Transactions of the CSAE,2008,24(4):209-213.DOI:10.3321/j.issn:1002-6819.2008.04.041.

[5]ZHANG R H,ZHANG Z Q.Anaerobic digestion of vegetable waste with an anaerobic phased solids digester system[J].Transactions of the CSAE,2002,18(5):134-139.DOI:10.3321/j.issn:1002-6819.2002.05.027.

[6]盧恩雙,宋世德,郭滿才.回歸通用旋轉設計的幾個問題[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2000,30(5):110-113.DOI:10.13207/j.cnki.jnwafu.2002.05.026.LU Enshuang,SONG Shide,GUO Mancai.Problems in second-order regression general rotation analysis[J].Journal of Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry,2000,30(5):110-113.DOI:10.13207/j.cnki.jnwafu.2002.05.026.

[7]鄧媛方,邱凌,黃輝,等.酶預處理對秸稈類原料厭氧發(fā)酵特性的影響[J].農業(yè)機械學報,2015,46(6):201-206.DOI:10.6041 /j.issn.1000-1298.2015.06.028.

DENG Yuanfang,QIU Ling,HUANG Hui,et al.Effects of enzymatic pretreatment straw wastes on its characteristics of anaerobic digestion for biogas production[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(6):201-206.DOI:10.6041 /j.issn.1000-1298.2015.06.028.

[8]KETTUNEN R H,RINTALA J A.The effect of low temperature(5~29 ℃) and adaptation on the methanogenic activity of biomass[J].Applied Microbiology and Biotechnology,1997,48(4):570-576.DOI:10.1007/s002530051098.

[9]CHEN H,WU H Y.Optimization of volatile fatty acid production with co-substrate of food wastes and dewatered excess sludge using response surface methodology[J].Bioresource Technology,2010,101(14):5487-5493.DOI:10.1016/j.biortech.2010.02.013.

[10]NALLATHAMBI G.Effect of inoculum/substrate ration and pretreatments on methane yield from parthenium[J].Biomass and bioenergy,1995,8(1):39-44.DOI:10.1016/0961-9534(94)00086-9.

[11]JEEWON L.Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol[J].Journal of Biotechnology,1997(6):323-325.DOI:10.1016/S0168-1656(97)00073-4.

[12]鄧媛方,邱凌.香菇廢棄菌棒厭氧發(fā)酵產氣規(guī)律正交試驗[J].農業(yè)機械學報,2014,45(3):174-178.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.03.029.

DENG Yuanfang,QIU Ling.Orthogonal test and regression analysis for biogas production of shii-take cultivation waste[J] Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(3):174-178.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.03.029.

[13]MOLPECERES J,GUZMAN M,ABERTURAS M R,et al.Application of central composite designs to the preparation of polycaprolactone nanoparticles by solvent displacement.[J].Journal of pharmaceutical sciences,1996,85(2):206.DOI:10.1021/js950164r.

[14]AHRING B K,IBRAHIM A A,MLADENOVSKA Z.Effect of temperature increase from 55 ℃ to 65 ℃ on performance and microbial population dynamics of an anaerobic reactor treating cattle manure[J].Water Research,2001,35:2446-2452.DOI:10.1016/S0043-1354(00)00526-1.

[15]YOUNG Chaesong.Mesophilic and thermophilic temperature co-phase anaerobic digestion compared with single-stage mesophilic and thermophilic digestion of sewage sludge[J].Water Research,2004,38:1653-1662.DOI:10.1016/j.watres.2003.12.019.

[16]LOPES W S,LEITE V D, PRASAD S.Influence of inoculum on performance of anaerobic reactors for treating municipal solid waste[J].Bioresource Technology,2004,94(3):261-266.DOI:10.1016/j.biortech.2004.01.006.

[17]HASHIMOTO A G.Effect of inoculum/substrate ratio on methane yield and production rate[J].Biological Wastes,1989,28(89):247-255.DOI:10.1016/0269-7483(89)90108-0.

[18]GUNASEELAN V N.Anaerobic digestion of gliricidia leaves for biogas and organic manure[J].Biomass,1988,17(1):1-11.DOI:10.1016/0144-4565(88)90066-2.

[19]GUNASEELAN V N.Effect of inoculum/substrate ratio and pretreatments on methane yield from parthenium[J].Biomass and Bioenergy,1995,8(1):39-44.DOI:10.1016/0961-9534(94)00086-9.

[20]邱凌,盧旭珍,王蘭英,等.日光溫室生產廢棄物厭氧發(fā)酵特性初探[J].中國沼氣,2005,23(2):30-32.DOI:10.3969/j.issn.1000-1166.2005.02.008.

QIU Ling,LU Xuzhen,WANG Lanying,el al.Study on anaerobic digestion character of vegetable waste from greenhouse[J].China biogas,2005,23(2):30-32.DOI:10.3969/j.issn.1000-1166.2005.02.008.

(責任編輯:趙藏賞)

Optimization design of anaerobic fermentation with mixed materials of bean stalk and rice straw

DENG Yuanfang1,2,XU Jiaxing1.2,LIU Xiaoyan1,2,DAI Benlin1,2,XU Jiming1,2

(1.Jiangsu Key Laboratory for Biomass-based Energy and Enzyme Technology,Huaiyin Normal University,Huaian 223300,China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Regional Modern Agriculture & Environmental Protection,Huaiyin Normal University,Huaian 223300,China)

Abstract:This experiment use fresh bean stalk and natural withering rice straw as fermentation materials.On the basis of earlier single factor test,three factors five levels quadratic regression orthogonal rotating combination design was adopted in this study,and only the accumulative gas production was involved in the response value.Effects of three factors on anaerobic fermentation were analyzed,including the environment of anaerobic fermentation temperature,dry-fresh TS ratio,inoculation percentage and the mathematical model for anaerobic mixed fermentation of bean stalk and rice straw was developed.The regression equation was optimized and analyzed when the optimum conditions and interactive effects were exposed.The results showed that the quadratic model had the optimal fitting data.The sequence of factors effecting anaerobic fermentation was inoculation percentage,the environment of anaerobic fermentation temperature

and dry-fresh TS ratio.The optimum conditions for dry-fresh mixed-fermentation were determined as follows:the temperature was 28.97 ℃,dry-fresh TS ratio of fresh bean stalk and rice straw was 2.23∶1,inoculation percentage was 30.11% and prediction value of TS production rate was 279.789 L/kg.Through testing with related experimental data,the relative deviation of biogas production between experiment measurement and model prediction was 0.23 %(F<0.01),which proved the multiple regression model had high fitting degree and applicability.This study could provide certain theory reference for materials anaerobic digestion of mixed straw material.

Key words:biogas;straw;anaerobic digestion;model optimization

DOI:10.3969/j.issn.1000-1565.2016.01.010

收稿日期:2015-06-25

基金項目:國家自然科學基金青年科學基金資助項目(21406083);江蘇省生物質能與酶技術重點實驗室資助項目(JSBEET1211)

通信作者:許家興(1986—),男,山東日照人,淮陰師范學院副教授,博士,主要從事生物質能研究.

中圖分類號:X712

文獻標志碼:A

文章編號:1000-1565(2016)01-0058-07

第一作者:鄧媛方(1985—),女,河南南陽人,淮陰師范學院講師,主要從事生物質能研究.E-mail:dengyf@hytc.edu.cn

E-mail:xujiaxing@hytc.edu.cn

猜你喜歡
厭氧發(fā)酵沼氣秸稈
餐廚垃圾厭氧發(fā)酵熱電氣聯供系統(tǒng)優(yōu)化
解讀“一號文件”:推進秸稈綜合利用
推廣秸稈還田 有效培肥土壤
第四章 化糞土為力量——沼氣能
第四章 化糞土為力量——沼氣能
法國梧桐落葉、香樟青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵特性的探究
秸稈綜合利用模式探索
《中國沼氣》征稿簡則
中國沼氣(2017年4期)2017-11-08 01:55:08
水泡糞工藝制沼氣及沼氣的凈化提純
上海煤氣(2016年1期)2016-05-09 07:12:35
太陽能-地能熱泵耦合系統(tǒng)在沼氣工程厭氧發(fā)酵增溫中的設計與應用
新干县| 竹北市| 建平县| 耒阳市| 玉溪市| 九寨沟县| 米脂县| 忻城县| 枣阳市| 司法| 江北区| 福清市| 巴青县| 莒南县| 宣威市| 平乡县| 新民市| 双柏县| 特克斯县| 饶阳县| 诸城市| 桃江县| 从江县| 桂平市| 榕江县| 柘城县| 泰顺县| 黄浦区| 闽侯县| 宜川县| 泊头市| 灵山县| 开鲁县| 三台县| 启东市| 禄丰县| 明水县| 云梦县| 会泽县| 玉树县| 军事|