打捆秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離技術研究

【摘要】：將農作物秸稈厭氧發(fā)酵產沼氣,不但可以緩解秸稈處理問題,發(fā)酵產生的沼氣還可以作為農民生活燃料,緩解農村能源供需矛盾,發(fā)酵后的沼渣沼液還田培肥土壤,實現(xiàn)廢棄物處理-農民生活-農業(yè)生產的有機結合,是循環(huán)農業(yè)的關鍵支撐技術之一根據(jù)厭氧發(fā)酵過程中兩大菌群的生理特性,將厭氧發(fā)酵全過程分為產酸階段和產甲烷階段,并將它們分離開來,該工藝稱為兩相厭氧發(fā)酵工藝。相對于傳統(tǒng)的單相發(fā)酵工藝,兩相厭氧發(fā)酵工藝具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、耐高負荷能力更強、產氣品質高等優(yōu)點。秸稈兩相厭氧發(fā)酵存在相分離效果不好導致產甲烷相產氣較少、水解產酸相產氣較多的問題,此外,現(xiàn)有水解產酸相均為密閉條件,不利于半連續(xù)進出料。針對以上問題,本文擬從有機負荷、水力停留時間、pH值和甲烷抑制劑等角度對秸稈兩相厭氧發(fā)酵過程進行調控,以期減少水解產酸相產氣、提高水解產酸相出水COD濃度、提高甲烷相產氣量,最終實現(xiàn)水解產酸相敞口運行,減少工程投資,方便后續(xù)進出料。(1)有機負荷調控對秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離的影響。水解產酸相反應器以打捆秸稈為固定相,以豬場廢水為流動相,試圖通過逐步提高豬場廢水COD負荷達到減少水解產酸相產氣的目的。結果表明：盡管維持較高的豬場廢水有機負荷(OLR),但水解產酸相出水pH值仍維持在7.0左右,反應器日產氣量隨著豬場廢水OLR提高穩(wěn)步增加；當豬場廢水OLR為7.20kgCOD/(m3·d)時,水解產酸相容積產氣率達到最大,為0.748 m3/(m3·d),比對照組增加了92.38%；豬場廢水帶入的大量易分解有機物抑制了秸稈有機物水解產酸,秸稈干物質損失率較對照下降了7-3%。以上結果表明,采用提高豬場廢水OLR不但不能減少水解產酸相產氣,反而造成水解產酸相容積產氣量更高。(2)水解液水力停留時間(HRT)調控對秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離的影響。水解產酸相反應器以打捆秸稈為固定相,以豬場廢水為流動相,試圖通過固定豬場廢水COD濃度,改變豬場廢水HRT的方式,達到減少水解產酸相產氣,實現(xiàn)相分離的目的。結果表明：豬場廢水HRT對厭氧反應器容積產氣量影響較大,對產氣中甲烷含量無明顯影響,較低的豬場廢水HRT(對應較高的容積負荷)提高了反應器容積產氣量,當豬場廢水HRT為1df容積負荷為72 kgCOD/(m3·d))時,厭氧反應器容積產氣率達最大,為229m3/(m3·d),產氣穩(wěn)定后維持在1.52-1.76m3/(m3·d),較豬場廢水HRT為3d和5d(容積負荷分別為2.4和1.44kgCOD/(m3·d))的處理分別提高了50%和130%以上。DGGE的結果表明,在豬場廢水OLR負荷為7.2 kgCOD/(m3·d)、發(fā)酵液HRT僅為1d條件下反應器仍能正常產氣的原因在于,經過一段時間的馴化后,反應器內秸稈表面附著的微生物種類和數(shù)量明顯高于低豬場廢水有機負荷、高發(fā)酵液HRT的處理,增強了反應器耐高有機負荷沖擊的能力。以上結果表明,通過降低豬場廢水HRT并不能達到相分離的目的,試驗后期反而加劇了水解產酸相產氣。(3)pH值調控對秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離的影響。通過調節(jié)水解產酸相發(fā)酵液pH值至8.0、9.5和11.0,研究pH值調控對秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離的影響。結果表明：調節(jié)水解產酸相發(fā)酵液pH值至8促進了產酸相產氣,較對照提高了30%,但繼續(xù)調高發(fā)酵液pH值對反應器產氣產生抑制,調節(jié)水解產酸相發(fā)酵液pH值至9.5和11的處理產酸相累積產氣量較對照分別降低了33.60%和90.13%。將水解產酸相發(fā)酵液pH值調節(jié)至8.0和9.5對產氣中甲烷含量影響不大,均在50%以上,但調節(jié)pH值至11,產氣中甲烷含量大幅降低,為15%左右。調節(jié)水解產酸相發(fā)酵液pH值至9.5和11雖然減少了水解產酸相產氣,但甲烷相產氣也受到抑制,累積產氣量分別為2780mL和540m1,較對照分別降低了10.03%和82.52%,厭氧發(fā)酵后秸稈TS損失率較對照分別降低了8.47%和24.94%。以上結果表明,通過調節(jié)水解產酸相發(fā)酵液至堿性雖然抑制了水解產酸相產氣,但對甲烷相產甲烷也有明顯抑制,并不適合作為相分離的手段。(4)甲烷抑制劑對秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離的影響。通過在水解產酸相添加甲烷抑制劑(氯仿),研究其對秸稈水解產酸相和甲烷相產氣的影響。結果表明：氯仿對抑制產酸相產氣有很好的效果,氯仿濃度為4.04u1/L的處理(T1)水解產酸相累積產氣量較對照(cK)降低85.78%；氯仿濃度為8.08u1/L(T2)和13.48u1/L(T3)的處理整個試驗過程始終未產氣。在水解產酸相中外加氯仿對產甲烷相產氣亦有明顯的抑制,T1產氣峰值較CK低89.74%,累積產氣量降低了97.27%。T2和T3在整個試驗過程中均未產氣。除對照外,添加氯仿的各處理甲烷相產氣中甲烷含量均極低,幾乎為零。以上結果表明,氯仿對抑制水解產酸相產氣有很好的效果,但對水解酸化液后續(xù)產甲炕也有明顯抑制,故并不適合作為秸稈兩相厭氧發(fā)酵的甲烷抑制劑。從以上結果可以看出,本文采用的OLR、HRT、pH值調控和添加甲烷抑制劑均未達到預期的提高秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離效果的目的,但部分結果,如調節(jié)水解產酸相水解液至8.0可以促進秸稈厭氧發(fā)酵產沼氣、縮短水解液HRT或提高豬場廢水OLR均可提高反應器容積產氣量等結果為秸稈沼氣工程提供了有益借鑒。 【關鍵詞】：秸稈 兩相厭氧發(fā)酵 水解產酸相 相分離 沼氣
【學位授予單位】：南京農業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：S216.4
【目錄】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 符號說明12-13
• 第一章 文獻綜述13-23
• 1.1 厭氧消化理論研究進展13-15
• 1.2 農村廢棄物產排特點及特性15-17
• 1.3 以農村多元廢棄物為原料的厭氧發(fā)酵工藝研究進展17-19
• 1.4 秸稈兩相厭氧發(fā)酵工藝特點及研究進展19-20
• 1.5 相分離的意義和方法20-21
• 1.6 研究目的意義及內容21-23
• 1.6.1 研究目的和意義21
• 1.6.2 研究內容21-22
• 1.6.3 技術路線22-23
• 第二章 有機負荷調控對秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離的影響23-33
• 2.1 材料與方法23-25
• 2.1.1 試驗材料23
• 2.1.2 試驗裝置23-24
• 2.1.3 試驗方法24
• 2.1.4 測定指標及方法24-25
• 2.2 結果與分析25-31
• 2.2.1 水解產酸相厭氧發(fā)酵特性25-28
• 2.2.2 甲烷相厭氧發(fā)酵特性28-29
• 2.2.3 麥秸兩相厭氧發(fā)酵產氣結果分析29-30
• 2.2.4 厭氧發(fā)酵前后麥秸物質組成的變化30-31
• 2.2.5 相分離效果分析31
• 2.3 小結31-33
• 第三章 養(yǎng)殖廢水不同HRT對秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離的影響33-43
• 3.1 材料與方法33-34
• 3.1.1 試驗材料33
• 3.1.2 試驗方法33-34
• 3.1.3 測定指標及方法34
• 3.2 結果與分析34-41
• 3.2.1 產氣特性34-36
• 3.2.2 水解產酸相出水理化特性36-38
• 3.2.3 厭氧發(fā)酵前后麥秸理化特性和物質組成的變化38-40
• 3.2.4 厭氧發(fā)酵后麥秸水浸提液細菌DGGE分析40-41
• 3.3 小結41-43
• 第四章 pH值調控對秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離的影響43-53
• 4.1 材料與方法43-44
• 4.1.1 試驗材料43
• 4.1.2 試驗裝置43
• 4.1.3 試驗方法43
• 4.1.4 測定指標及方法43-44
• 4.2 結果與討論44-50
• 4.2.1 水解產酸相厭氧發(fā)酵特性44-47
• 4.2.2 甲烷相厭氧發(fā)酵特性47-49
• 4.2.3 麥秸兩相厭氧發(fā)酵產氣結果分析49
• 4.2.4 厭氧發(fā)酵前后麥秸物質組成的變化49-50
• 4.2.5 相分離效果分析50
• 4.3 小結50-53
• 第五章 甲烷抑制劑對秸稈兩相厭氧發(fā)酵相分離的影響53-61
• 5.1 材料與方法53-54
• 5.1.1 試驗材料53
• 5.1.2 試驗裝置53
• 5.1.3 試驗步驟53-54
• 5.1.4 分析方法54
• 5.2 結果與分析54-59
• 5.2.1 水解產酸相厭氧發(fā)酵特性54-57
• 5.2.2 甲烷相厭氧發(fā)酵特性57-58
• 5.2.3 麥秸兩相厭氧發(fā)酵產氣結果分析58-59
• 5.2.4 相分離效果分析59
• 5.3 小結59-61
• 第六章 結論與展望61-63
• 6.1 結論61
• 6.2 創(chuàng)新點61-62
• 6.3 存在的問題和今后的研究設想62-63
• 參考文獻63-67
• 個人簡介及發(fā)表文章67-69
• 致謝69

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