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我国是热带农业大国,每年产生大量热带农业废弃物,其中甘蔗叶年产生量高达3600万吨,但利用率不到20%,大量甘蔗叶被废弃甚至焚烧,造成环境污染,威胁人类健康。我国南方地区也是传统生猪和草食牲畜养殖优势区,大量动物粪便没有得到合理处置利用,成为农村环境治理的一大难题。厌氧消化技术是处理种养废弃物的有效途径之一。本论文通过NaOH改性甘蔗叶与动物粪便单独及混合厌氧消化产甲烷性能、关键影响因素、物质转化规律、一体化两相厌氧消化工艺以及微生物学特性等方面的研究,从微观物理结构、化学组分和化学结构等多视角揭示NaOH改性处理作用的内在机理,提出近同步协同厌氧消化新方法,并对研究结果实现工程应用。主要工作如下:1.NaOH改性对甘蔗叶产甲烷性能的影响研究。设置4种不同粉碎粒径,12种不同NaOH改性条件,分别开展厌氧消化实验。结果表明,甘蔗叶厌氧消化的一级动力学水解常数k为0.015~0.038 d-1,粒径2~10 mm甘蔗叶的产甲烷效果最好;NaOH改性甘蔗叶的甲烷产率比未处理提高了 22.02%~89.45%,厌氧消化时间T80缩短了 2~3d,其中6%NaOH-5d改性效果最佳,甲烷产率达154.08 mL·TS-1。2.NaOH改性的物理化学作用机理研究。采用扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等现代分析手段,探讨了改性甘蔗叶产甲烷性能提高的内在机理。结果显示,NaOH改性破坏了甘蔗叶的物理化学结构,可被微生物分解利用的有机物增多,改性甘蔗叶的表面蜡质层和细胞壁结构遭到破坏,比表面积增大,表面元素含量发生变化;木质素部分官能团发生断裂,纤维素的连接键-β-(1-→4)-糖苷键和部分氢键遭到破坏,结晶度降低,半纤维素发生了分子间和分子内的降解,厌氧微生物对纤维素的可及度增大;改性甘蔗叶的主要化学组分含量发生显著变化,纤维素、半纤维素和木质素含量降低、抽出物含量增加,最大的纤维素、半纤维素、木质的厌氧消化降解率分别提高了 25.14%、21.52%和9.27%。3.NaOH改性甘蔗叶与动物粪便“近同步+协同”厌氧消化性能研究。通过NaOH改性实现两种不同性质物料的“近同步”厌氧消化,通过常量和微量元素的优化实现“协同”,产生优势互补,提高甲烷产率。分析了甘蔗叶与猪粪、牛粪单独及混合厌氧消化性能,运用Box-Behnken设计考察了温度、混配比和接种量对物料混合产甲烷的影响。结果表明,甘蔗叶与猪粪、牛粪的厌氧消化性能存在“异步性”,NaOH改性可显著提高甘蔗叶的可生物降解性,使其与猪粪、牛粪在消化效率上近同步化;两类物料混合后常量元素C、N、P、S和微量元素Fe、Co、Ni更加平衡,产生了“协同”效应,底物转化速率和效率提高,系统稳定性更好,甲烷产率比单一物料最大增加了 22.82%;温度和接种量对产甲烷性能有显著影响,混配比的影响不显著,最优工艺条件为温度36℃、混配比1:1.2:0.8、接种量38%,此时甲烷产率为169.75 mL·gTS-1。4.一体化两相(CTP)连续厌氧消化性能与微生物学特性研究。以优化的工艺条件在开发的CTP反应器中开展梯度负荷下的连续试验;应用Miseq高通量测序技术对微生物群落结构进行了分析。结果表明,当进料负荷不大于4.5 gTS·L-1·d-1时,CTP反应器能够持续稳定运行,日产沼气量随有机负荷的提高而提高,甲烷含量为57.8%~62.23%,容积产气率最高达1.36 m3·(m3·d)-1;当负荷提高至5 gTS·L-1·d-1后,系统发生酸化和氨氮抑制;反应器内物料基本实现了分相厌氧消化,上、中、下部分别为新料区、水解酸化区和产甲烷区,不同区域内形成了功能相对独立的微生物种群,产甲烷区中有甲烷微菌、甲烷八叠球菌和甲烷鬃菌等产甲烷菌大量富集,水解酸化区则富含拟杆菌、梭菌等可以降解纤维素类物质的细菌。5.工程应用研究。基于课题试验研究确定的改性处理方法和工艺条件,在广西某沼气工程实现应用,进行工艺方案设计、物料平衡计算与技术经济分析。结果表明,甘蔗叶NaOH改性技术及其与动物粪便近同步协同厌氧消化方法可以满足实际工程的生产需求,具有良好的推广前景。