農(nóng)村戶用水壓式沼氣池秸稈兩相厭氧發(fā)酵及出料間沼氣泄露試驗研究

【摘要】：今年來隨著傳統(tǒng)能源帶來的能源安全,環(huán)境問題等,可再生能源特別是生物質(zhì)能源開始受到青睞,我國是世界上秸稈資源最為豐富的國家之一。本文對以往不同的預(yù)測方法進行總結(jié),預(yù)計2010年我國的秸稈總產(chǎn)量約9億t,其中可收集利用的數(shù)量約為8億t。將此量大而又廉價的農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈作為原料轉(zhuǎn)變成能源是一項非常有價值的研究。 我國沼氣工程發(fā)展迅速,但戶用沼氣池的使用普遍存在著缺乏科學的管理的問題,典型問題如糞草聯(lián)合入池發(fā)酵存在的,結(jié)塊結(jié)餅、進出料難的問題。另外,根據(jù)觀察,發(fā)現(xiàn)在實際應(yīng)用中,開放式的沼氣池出料間會不斷有細小的氣泡產(chǎn)生,直至覆蓋整個出料間沼液液面,有時還會有大氣泡從池底翻滾上來。 針對以上問題,本試驗設(shè)計了秸稈兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的總體試驗設(shè)計,通過比較沼液和酶法預(yù)處理對秸稈及其浸泡液的處理效果,提出了利用酶法預(yù)處理后的秸稈進行兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的解決方案,并且通過沼液回流,提高系統(tǒng)COD利用率。另外通過對普通水壓式沼氣池的出料間產(chǎn)氣收集分析,得到了出料間的沼氣產(chǎn)生速率。 實驗室試驗中以新鮮豬糞作為沼氣發(fā)酵原料,以30%的TS濃度接種,以纖維素酶和沼液的處理過的秸稈的浸泡液進行間歇進料,探求纖維素酶能否對秸稈的兩相消化起到積極作用。通過不同的秸稈浸泡液置換量、置換濃度和置換頻率模擬沼液回流,研究了沼液回流對秸稈兩相發(fā)酵的影響,試驗結(jié)果顯示,用酶處理的浸泡液對產(chǎn)甲烷的作用略好于用沼液處理的浸泡液,大量置換后(2L/次,HRT=2天)的累積沼氣產(chǎn)量要明顯大于其它幾組(1L/次,HRT=4天),而高置換頻率(3d一次)的累積產(chǎn)氣量要高于低置換頻率(7d一次)。不同COD濃度的置換試驗中,一定范圍內(nèi)高濃度置換對產(chǎn)CH4促進作用明顯,置換液COD濃度為2000mg/L時產(chǎn)氣量最高。 實際沼氣池發(fā)酵試驗,雖然只采用了未經(jīng)任何預(yù)處理的秸稈與青草聯(lián)合進行兩相厭氧發(fā)酵,但是經(jīng)過多次試驗證實了這種厭氧發(fā)酵的可行性和實用性。試驗發(fā)現(xiàn),在武漢地區(qū)夏季典型氣溫條件下(低溫15℃以上,高溫25℃以上),當秸稈浸泡液浸泡約4天后COD濃度即可上升到約8000mg/L的水平。兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)酸器與產(chǎn)甲烷器容積比約為1：4,浸泡液以每4天進料200kg,沼液回流200kg(水力滯留期分別為10天和30天,不計算沼液回流)的條件下,平均產(chǎn)氣量達到了630-750L/d,甲烷平均含量約為70%。按照普通農(nóng)戶日常用氣量1.5m3計算,該工藝僅可以滿足日常用氣量的一半。但由于只采用的未經(jīng)任何預(yù)處理的秸稈作為兩相發(fā)酵原料,因此如果采用機械粉碎,添加化學腐熟劑,酶法等預(yù)處理后,該工藝可以得到進一步改進和優(yōu)化,并且達到滿足日常用氣量的需要。 在出料間氣體收集試驗中,發(fā)現(xiàn)一個8m3的普通沼氣池的出料間平均產(chǎn)氣率達到了6L/m3·d,最高日產(chǎn)氣量(143L)達到了當日主消化池產(chǎn)氣量的(770L)19%,6天總產(chǎn)氣量(373L)達到了主消化池(4069L)的9.2%。收集到的氣體含甲烷約70%。以及C02和微量H2S,證明收集到的氣體為典型的沼氣。 本文通過對秸稈沼氣兩相發(fā)酵研究對目前普遍存在的農(nóng)村戶用沼氣使用和管理問題進行總結(jié)和提出整改建議。一系列實驗室試驗和實際沼氣池中試試驗,證實了秸稈和青草聯(lián)合兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的可行性和經(jīng)濟行。同時針對出料間污泥產(chǎn)沼氣和秸稈／青草兩相發(fā)酵的水力停留時間不夠的問題,提出了沼液回流以提高戶用沼氣池的的解決方法且驗證了其實用性。并且,本文在國內(nèi)首次提出了戶用沼氣池的出料間沼氣泄漏問題,通過試驗證明了沼氣的泄漏的確存在且問題嚴重,并且深入探討了出料間產(chǎn)生沼氣的原因。相信這些工作會對未來我國農(nóng)村戶用沼氣池池型設(shè)計和改進起到一定的指導(dǎo)意義。 【關(guān)鍵詞】：沼氣 秸稈 回流 酶法預(yù)處理 兩相厭氧發(fā)酵 纖維素 戶用沼氣池 甲烷泄漏
【學位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：S216.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第一章 緒論10-31
• 1.1 引言10
• 1.2 秸稈生產(chǎn)規(guī)模10-13
• 1.2.1 生物質(zhì)能廢棄物分類10-11
• 1.2.2 農(nóng)業(yè)秸稈資源及分布11-13
• 1.3 秸稈利用途徑的分析比較13-18
• 1.3.1 秸稈的成分和特性14
• 1.3.2 秸稈能源化利用技術(shù)14-18
• 1.4 厭氧消化技術(shù)原理18-24
• 1.4.1 廢水處理工藝中的厭氧微生物18-19
• 1.4.2 厭氧消化過程19-21
• 1.4.3 秸稈厭氧消化原理21
• 1.4.4 兩相厭氧消化介紹21-24
• 1.5 我國戶用沼氣發(fā)展及現(xiàn)狀24-29
• 1.5.1 戶用沼氣規(guī)模24-26
• 1.5.2 常規(guī)戶用水壓式沼氣存在的技術(shù)問題26
• 1.5.3 秸稈原料的預(yù)處理研究現(xiàn)狀26-28
• 1.5.4 沼氣池的甲烷泄漏問題28-29
• 1.6 研究目的和研究內(nèi)容29-31
• 1.6.1 研究目的29-30
• 1.6.2 研究內(nèi)容30
• 1.6.3 研究技術(shù)路線30-31
• 第二章 酶法預(yù)處理對秸稈預(yù)處理影響31-49
• 2.1 試驗材料31
• 2.2 試驗方案31-33
• 2.2.1 試驗裝置31-32
• 2.2.2 試驗方案32-33
• 2.3 主要分析項目和方法33
• 2.4 試驗結(jié)果和分析33-47
• 2.4.1 不同預(yù)處理對于秸稈浸泡液的影響33-34
• 2.4.2 不同預(yù)處理對于秸稈物理特性的影響34-35
• 2.4.3 置換量、置換頻率對發(fā)酵效果的影響35-40
• 2.4.4 置換前后VFA的變化40-42
• 2.4.5 置換液COD濃度影響試驗方案42-47
• 2.5 本章小結(jié)47-49
• 第三章 秸稈青草聯(lián)合兩相發(fā)酵試驗49-56
• 3.1 試驗材料和儀器49
• 3.2 分析儀器49-50
• 3.3 試驗方案50-51
• 3.3.1 兩相厭氧發(fā)酵的操作條件50
• 3.3.2 試驗步驟50-51
• 3.4 試驗結(jié)果與分析51-54
• 3.4.1 預(yù)實驗和結(jié)果51
• 3.4.2 產(chǎn)酸相結(jié)果分析51-53
• 3.4.3 產(chǎn)甲烷相結(jié)果分析53-54
• 3.5 本章小結(jié)54-56
• 第四章 出料間沼氣泄漏試驗56-61
• 4.1 試驗材料和儀器56
• 4.2 試驗方法56-57
• 4.2.1 試驗步驟56
• 4.2.2 試驗數(shù)據(jù)處理方法56-57
• 4.3 試驗結(jié)果與分析57-58
• 4.4 產(chǎn)氣原因討論58-60
• 4.5 本章小結(jié)60-61
• 第五章 結(jié)論和建議61-63
• 參考文獻63-69
• 致謝69-72
• 附錄A72

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