毕业设计(论文)-烟梗脱氯有机肥发酵.doc
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1、摘要本文以烟梗为原料,运用了正交试验方法进行脱氯分析得出:温度25、浸泡时间12h、溶剂量1:15以上 、烟梗粗细度过16目筛是烟梗脱氯的最佳条件。运用生物发酵的原理,采用自制发酵装置发酵有机肥,并结合物理、化学、生物学分析法检测分析发酵中物料理化性质和细菌动态变化。通过实验得出添加发酵菌剂可以缩短发酵周期,有利物料腐熟。发酵温度经历了升温期、高温期、降温期和稳定期,高温期和稳定期持续时间长;含水率呈整体下降趋势;PH成整体上升趋势;细菌数量先升后降。用BD PHOENIX 100全自动微生物分析仪和药敏实验来鉴定细菌种属,得出主要优势菌为枯草芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、产碱菌属某种。关键词:烟
2、梗;脱氯;发酵菌剂;有机肥AbstractIn this paper, tobacco stems as raw material, using the orthogonal experiment method to take off chlorine analysis, what this paper concludes as the best dechloridtion conditions is that when the temperature was 25, soaking time was 12h, solvent quantity was above 1/15 and the t
3、obacco stems demand of rough was by sieve of 16 meshes. Using home-made fermentation device, the changes of physical and chemical properties, and bio-related properties were detected and analysis by physical, chemical, biological analysis methods in the fermentation process, based on the fermentatio
4、n principle. We find that adding fermenting agent decreased the fermentation period which is beneficial to decomposition of organic materials according to the experiment. The fermentation temperature experienced four phase, that is heating phase , high temperature persist cooling phases and stationa
5、ry phase, among the four phase the second and forth phase last long. Water rates were downward trend in the overall, and PH was upward trend in the overall. The amounts of bacteria were increased first and then decreased. The BD PHOENIX 100 automatic microbial analyzer and Antimicrobial susceptibili
6、ty test says that the main advantage bacterium is Bacillus subtilis , Bacillus thuringiensis and Alcaligenes spp. Key words: Tobacco stem; Dechloridation; Fermentation inoculum ; Organic fertilizer目录1.引言11.1烟梗及其利用现状的综述11.2发酵菌剂在废料发酵有机肥过程中的研究现状21.3研究的目的与意义31.4研究的内容与方法42.烟梗脱氯有机肥发酵52.1试验材料52.2试验内容52.2.1
7、烟梗脱氯预处理52.2.2发酵步骤72.2.3数据处理与分析方法83.结果与分析93.1发酵过程中物料的感官变化93.2发酵过程温度的变化93.3发酵过程中含水率的变化与控制113.4发酵过程中PH变化123.5烟梗发酵有机肥中细菌数量的动态变化133.5.1细菌数量的变化133.5.2细菌的分离与鉴定144结论195.展望20参考文献22致谢24III1.引言烟草是我国主要的经济作物之一,种植面积以及产量均居世界首位。而烟梗是卷烟企业的重要的废弃物之一,占烟叶总量的30%左右。从2000年开始全国烟草的生产量在不断地增加,在2007年达到1.48百万吨,这就导致烟梗的数量从2000年的900
8、0吨增加到2007年的23000吨1。由于不能及时有效的合理利用而成为废弃物,不但造成环境污染,而且也会造成资源的浪费。有机废弃物通过高温好氧堆肥处理可以形成性质稳定、对农作物无害,可以作为土壤改良剂的堆肥产品2-3。这不但能够实现大批量有机废弃物的转化,而且不产生二次污染,并且可以促进工业和农业的良性循环。近年来烟梗发酵的有机肥主要用来改善烟区土壤的理化性质,保持土壤的活力,增强烟叶的产量,提高烟叶的品质。研究表明:适量的氯能促进烟叶生长,增强细胞膨压,从而提高抗旱能力和烟叶产量;增加烟叶的弹性和油润性,降低烟叶破碎率,提高烟叶的内、外品质。氯含量偏低会影响烟叶产量,使物理特性变差;氯含量过
9、高,烟叶糖代谢受阻,淀粉积累,最终导致叶片厚而脆,无弹性,燃烧性下降,香气减少,品质变劣4。研究表明随着烟叶氯含量增加,烤烟的香气质、香气量、余味、杂气、燃烧性、灰色分值和评吸总分均表现出先增加后降低的趋势5。即氯元素是烟草必需而又要限量的元素。根据去年郭灵燕师兄烟梗发酵有机肥大田试验的结果,发现不经处理的烟梗直接发酵的有机肥,发现其中氯元素含量较高。综上所述烟梗发酵有机肥脱氯实验成为了研究的必要。在烟梗的发酵过程中细菌起了很大的作用,对细菌的动态变化和种属的研究成为了有待于解决的问题。就课题研究的相关内容,本文对烟梗及其综合利用现状、发酵菌剂在废弃物发酵有机肥中的研究现状、固体废弃物发酵有机
10、肥的生物学机理进行简要综述。本文的宗旨在于研究实现脱氯发酵的方法,观察和检测发酵过程中物料的理化性质的变化,用平板记数法观察细菌菌群的动态变化和筛选出不同的细菌进行种属的鉴定。1. 1烟梗及其利用现状的综述烟草是茄科烟草属植物,烟梗即是烟叶之粗硬叶脉,约占烟叶重量的2530 6-7,23直径为1.55.0mm,长度为0.25.0cm,目前多作弃置处理。我国是烟草大国 ,每年有数十万吨烟梗资源被废弃。由于近年来人们对废弃物资源的再利用意识的不断增强,人们越来越重视对烟梗废弃物的综合利用,并做了大量的科学研究。研究表明 ,烟梗中含有的成分种类与烟叶成分基本一致 。烟梗的主要化学成分是总糖,还原糖,
11、总氮,果胶,烟碱,纤维素,木质素,多酚,茄尼醇,钾等。但烟梗主要的化学成分的含量并不是恒定的,不同地区、不同等级烟梗,不同等级的卷烟配方的梗丝以及膨胀前后梗丝的化学组成具有一定的差异。与烟叶相比,烟梗或梗丝化学组成的特征是总糖、总氮和烟碱的含量一般较低,细胞壁物质含量较高8。由于烟梗与烟叶的成分相当,而且烟碱的含量明显的较烟叶低,可以以烟梗作为卷烟填充原料。可以改善烟丝的结构,明显降低卷烟焦油量。烟梗通过微波膨胀制粒技术制成的颗粒以适当的比例用以卷烟加工,能有效地提高卷烟产品的装填体积和燃烧性能,降低木质素气味和焦油,不会引起感官质量、吸食风格的明显变化9。但这种方法只能应用烟梗的一小部分,远
12、远不能解决烟梗废料的堆积问题。烟梗中含有大量的烟碱、果胶、烟酸茄呢醇、烟蛋白质、多种有机酸、有机碱、香精油、植物多酚类物质等具有较高的提取价值和在各领域具有较高的应用价值的物质。从烟梗中提取这些天然成分,是变废为宝、利用资源的有效方法,也是烟梗资源综合利用的重要途径,具有极其重大的意义。但提取之后的残渣如果不好好利用会对环境产生二次污染,这也是需要解决的问题。而烟梗废料发酵有机肥为此类废料的解决提供了方法。1.2发酵菌剂在废料发酵有机肥过程中的研究现状发酵有机肥的过程就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物,在一定的人工条件下,有控制地促进可被微生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生
13、物化学过程;也是微生物分解有机物质释放出能量的过程,这是发酵过程中温度上升的热源,它决定着有机物降解速率,Miller认为发酵物料温度的上升过程是发酵起始温度、微生物新陈代谢产热过程及堆体保温效应综合作用的结果,堆体一般要经历升温过程,高温持续过程和降温过程10。有机固体废弃物是一类数量可观的可通过生物降解再利用的生物资源,通过堆肥化处理可成为一种很好的肥料和土壤改良剂。这是主要因为:(1)供给植物养分;(2)改善土壤理化性质;(3)改善土壤生物活性;(4)抑制一些土壤中病原菌的生长繁殖。但如果土壤中施用未腐熟的有机肥,会使微生物的活动剧烈,大量消耗氧气而形成厌氧环境,从而产生大量中间代谢产物
14、, 如有机氮、 NH3、 H2S 等有害物质, 这些物质会严重毒害植物的根系,影响植株正常生长11-12。同时,如果施用未成熟的有机肥会使肥效延迟,不利于作物的生长,对作物的品质产生不利的影响。加快有机肥的腐熟成为了近几年研究的热点。在2010年,尹永强等人做生物菌剂对烟用有机肥堆制腐熟的作用效果实验,结果表明得到添加生物菌剂能明显缩短堆肥腐熟时间,提高堆肥腐熟质量12。在2006年,陈活虎等人在做腐熟堆肥接种对蔬菜废物中高温好氧降解过程的影响实验中发现利用腐熟堆肥接种进行高温好氧降解, 接种率愈高, 愈有利于好氧降解反应的启动, 提高有机物降解率; 腐熟堆肥接种率对有机物中总糖和纤维素降解的
15、影响显著, 其降解率的差别是不同腐熟堆肥接种比例时有机物降解率差距的主要缘由;初始接种对堆肥生物相的影响明显, 且可在堆肥过程中保持较长时间,但接种率达到一定水平后, 接种对生物相的影响会随堆肥过程而逐步弱化;微生物相的演变与生物质的降解相互关联, 可采用按堆肥过程中生物质分类的降解状况,分段接种微生物13。2007年李少明等又分析了不同微生物菌剂对烟末堆肥腐熟度的影响和堆肥过程氮素的变化,结果表明微生物腐熟剂福贝的堆肥化效果最佳,添加腐熟剂能促进氮素分解,加快铵态氮向硝态氮的转化14-15。2009年,李放等将废弃烤烟茎杆与鸡粪混合堆肥,结果表明堆肥过程中温度保持在50以上的时间为10d,堆
16、肥50d后,种子的发芽率可达100%,有机质和其它养分均达有机肥质量标准16。1.3研究的目的与意义堆肥法是有机固体废物处理的重要方法之一。有机废弃物转化为有机肥料的方法是符合生态原理的处理方法,它能较好的克服有机废物燃烧和直接填埋而带来严重的二次污染弊端。本研究利用卷烟工业的副产物烟梗为原料,利用正交实验找到了烟梗脱氯的最佳条件和通过生物学方法研究发酵过程中细菌动态变化及筛选出优势菌种并进行了鉴定。本研究意义很大,既能实现废料的再利用,又可以改善土壤的环境,还可以对环境保护产生深远的影响。(1) 可以通过此实验达到烟梗脱氯的目地,为河南烟区提供有效的肥源,保护耕地的肥力,提高烟叶的品质(2)
17、 通过对发酵过程中细菌的动态变化的研究,可以在一定程度上判断有机肥是否腐熟及其发酵的进程,通过对细菌的鉴定,可以确定发酵过程中细菌的优势种,可以为以后菌剂的选择提供参考(3) 实现了废弃物资源化利用,解决烟梗堆积问题,保护环境。1.4研究的内容与方法通过正交试验确定最佳的脱氯条件。根据脱氯的最佳条件和生产实际对烟梗进行预处理,然后按一定的比例把发酵剂和预处理后的烟梗进行混合,并采用自制有机肥发酵装置进行生物发酵,用不加菌剂的发酵做对照组。发酵过程中,对物料物理参数-感官变化、温度、含水率进行监测和控制;对物料的化学参数PH的动态变化进行检测;采用生物学方法对物料微生物数量进行检测分析,采用BD
18、 PHOENIX 100全自动微生物分析仪进行菌种鉴定。2.烟梗脱氯有机肥发酵2.1试验材料烟梗:由天昌国际烟草有限公司提供,直径为0.150.50 cm,长度为0.25.0 cm。发酵菌剂:由郑州大学烟草生物技术研究室提供,为微生物复合菌剂,颗粒状,主要包括细菌、放线菌和真菌,该菌剂含有较多嗜热微生物,能促进有机质的分解,缩短废料腐熟时间。仪器:烟梗有机肥反应装置: 由本实验室研制, 容积为300 L。苏州净化生产的超净工作台,上海恒科技有限公司生产的隔水恒温培养箱,北京中兴伟业仪器有限公司生产的电热鼓风干燥箱等。烟梗的主要成分见下表1:表1 烟梗的主要化学成分含量化学成分总糖总氮钾烟碱氯果
19、胶含量/%20.41.732.530.842.0311.592.2试验内容2.2.1烟梗脱氯预处理设计正交实验,对时间、温度、溶剂量、粗细度四个因素分别设计3个水平,选用L9(34)表得到正交表见下表2:表2 时间、温度、溶剂量、粗细度4因素3水平正交脱氯设计表水平试验因素时间/h温度/溶剂量粗细度112251:5原梗224501:10原梗一半336751:15过16目通过对9个实验样品的成分分析,得出脱氯量的实验结果见表3:表3.时间、温度、溶剂量、粗细度4因素3水平正交脱氯结果表因素时间温度溶剂量粗细度脱氯结果实验112251:5原梗0.8546实验212501:10原梗一半1.2012实
20、验312751:15过16目1.5960实验424251:5原梗1.4511实验524501:10原梗一半1.1130实验624751:15过16目0.3402实验736251:5原梗1.1298实验836501:10原梗一半1.0836实验936751:15过16目0.7098利用正交软件进行直观分析表见下表4:表.4时间、温度、溶剂量、粗细度4因素3水平正交脱氯直观分析表因素时间温度溶剂量粗细度实验结果实验112251:5原梗0.8546实验212501:10原梗一半1.2012实验312751:15过16目1.5960实验424251:10过16目1.4511实验524501:15原梗1
21、.1130实验624751:5原梗一半0.3402实验736251:15原梗一半1.1298实验836501:5过16目1.0836实验936751:10原梗0.7098均值11.2171.1450.7590.892均值20.9681.1331.1210.890均值30.9740.8821.2801.377极差0.2490.2630.5210.487效应曲线图,见下图1:图1. 时间、温度、溶剂量、粗细度4因素3水平正交脱氯效应曲线图从实验直观分析表可以看出:极差的大小为:溶剂量粗细度温度时间,所以影响脱氯效果的最大的因素是浸泡的溶剂量,其次是烟梗的粗细度和浸泡温度,浸泡时间的影响效果最不明显
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