低溫沼氣發(fā)酵生態(tài)調(diào)控因子及其低溫輔助工藝研究

【摘要】：針對北方寒冷地區(qū)冬季沼氣工程運行效率低、能耗大等問題，本研究一方面從微生物生理與生態(tài)調(diào)控方面進行探究，尋找能夠在25℃~35℃范圍內(nèi)，能夠促進厭氧微生物產(chǎn)甲烷效能的促進劑；另一方面在利用潔凈能源實現(xiàn)能源利用的高效化，減少冬季對非可再生能源的消耗。此外，探尋沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的沼液資源化利用新途徑，減少固體廢棄物的排放量，增加更大的附加價值，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)建設(shè)。 通過向沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中投加微生物絮凝劑干粉、電氣石和無機營養(yǎng)鹽等分別考察其對產(chǎn)甲烷過程的影響。研究表明，微生物絮凝劑干粉有助于改變厭氧發(fā)酵菌群的結(jié)構(gòu)；電氣石夠有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH值，有利于產(chǎn)甲烷菌的生長，月平均產(chǎn)甲烷量分別增加了6.5%、5.4%和11.4%，在微生物菌群中TM6和RsaHF231的含量也遠遠高于空白樣品；微量鈷元素對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣有一定的促進作用，在系統(tǒng)中投加二氯化鈷濃度在6μmol/L時效果最好，高效產(chǎn)氣階段平均每天比空白樣品多產(chǎn)氣4.3mL，但是若濃度增加到10μmol/L時，產(chǎn)氣率明顯下降；鉬酸鈉的投加對產(chǎn)酸相微生物有明顯的抑制作用，系統(tǒng)中加入25mmol/L和50mmol/L鉬酸鈉后產(chǎn)氣率分別下降了3.7%和31.2%。 將沼液進行不同程度的離心處理發(fā)現(xiàn)還原糖的含量差別不顯著，去除的主要是無機顆粒與產(chǎn)絮微生物較難利用的纖維素。由產(chǎn)絮率可知，8000r/min處理的沼液向傳統(tǒng)培養(yǎng)基中摻混20%，比傳統(tǒng)培養(yǎng)基絮凝率高了4.30%，11000r/min處理的沼液向傳統(tǒng)培養(yǎng)基中摻混20%比傳統(tǒng)培養(yǎng)基絮凝率高了2.93%；同時，11000r/min處理的沼液向傳統(tǒng)培養(yǎng)基中摻混40%比傳統(tǒng)培養(yǎng)基絮凝率提高了0.07%，效果基本相同。而產(chǎn)絮微生物在營養(yǎng)液中的生長趨勢相近，但培養(yǎng)時間變長后發(fā)現(xiàn)，沼液中存在的較難降解的有機物，仍然難以被產(chǎn)絮微生物利用。 以海林農(nóng)場沼氣池實際工藝對沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的散熱模型進行模擬，物理模型建立為圓柱型，半徑7m，池深14m。根據(jù)地理環(huán)境與氣候環(huán)境以及流場類型確定邊界條件，按照單相流模型非牛頓流體穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)進行模擬?？紤]物料本身溫度與沼氣池向周圍的溫度擴散，得出沼氣池全年平均負荷34.0kw，月平均最高負荷45.5kw。經(jīng)初步計算以保溫層結(jié)構(gòu)減少散熱量，太陽能系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為熱量，土壤源熱泵輔助儲存轉(zhuǎn)化能量的系統(tǒng)，可以保障沼氣發(fā)酵系統(tǒng)全年基本溫度在25℃以上，保證微生物的活性和產(chǎn)甲烷效率。 【關(guān)鍵詞】：低溫 沼氣發(fā)酵 產(chǎn)甲烷菌 生態(tài)因子 輔助工藝
【學位授予單位】：哈爾濱工業(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4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-17
• 1.1 課題背景10-11
• 1.2 低溫產(chǎn)甲烷的生態(tài)因子的研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 沼液資源化利用的研究現(xiàn)狀12-13
• 1.4 低溫產(chǎn)甲烷輔助工藝的研究現(xiàn)狀13-14
• 1.5 高通量測序技術(shù)應(yīng)用14-15
• 1.6 課題研究目的及主要內(nèi)容15-17
• 1.6.1 課題來源15
• 1.6.2 課題研究的目的15
• 1.6.3 課題研究的主要內(nèi)容15-16
• 1.6.4 技術(shù)路線圖16-17
• 第2章 實驗材料及方法17-25
• 2.1 反應(yīng)裝置設(shè)計及運行17-18
• 2.2 實驗儀器與設(shè)備使用18
• 2.3 氣質(zhì)聯(lián)機檢測方法18
• 2.4 高通量測序細菌群落分析18-19
• 2.4.1 DNA 提取 PCR 擴增和測序18-19
• 2.4.2 序列分析19
• 2.5 絮凝率及產(chǎn)量測定19-22
• 2.5.1 底物及菌種選擇19
• 2.5.2 菌種的保藏、活化及培養(yǎng)19-20
• 2.5.3 絮凝率及絮凝劑產(chǎn)量測量方法20-21
• 2.5.4 總還原糖的測定方法21-22
• 2.6 FLUENT 模擬軟件與相關(guān)理論22-25
• 2.6.1 Fluent 軟件性能與特點22
• 2.6.2 太陽能電池分類及原理22-23
• 2.6.3 土壤的傳熱機理23-25
• 第3章 低溫產(chǎn)甲烷生態(tài)調(diào)控關(guān)鍵因子研究25-48
• 3.1 生物絮凝劑干粉對于提高產(chǎn)氣量的影響26-31
• 3.1.1 生物絮凝劑干粉投加系統(tǒng)產(chǎn)氣量變化26-28
• 3.1.2 生物絮凝劑干粉投加系統(tǒng)代謝28-29
• 3.1.3 生物絮凝劑干粉投加系統(tǒng)群落多樣性分析29-31
• 3.2 電氣石對提高甲烷產(chǎn)量的影響(小瓶試驗)—中溫產(chǎn)氣31-36
• 3.2.1 電氣石投加系統(tǒng)產(chǎn)氣量變化31-33
• 3.2.2 電氣石投加系統(tǒng)代謝33-34
• 3.2.3 電氣石投加系統(tǒng)群落多樣性分析34-36
• 3.3 鈷鹽對提高產(chǎn)氣的作用36-41
• 3.3.1 鈷鹽投加系統(tǒng)產(chǎn)氣量變化36-38
• 3.3.2 鈷鹽投加系統(tǒng)代謝38-39
• 3.3.3 鈷鹽投加系統(tǒng)群落多樣性分析39-41
• 3.4 鉬酸鹽調(diào)控產(chǎn)氣中酸化現(xiàn)象的影響41-46
• 3.4.1 鉬酸鹽投加系統(tǒng)產(chǎn)氣量變化41-43
• 3.4.2 鉬酸鹽投加系統(tǒng)代謝43-44
• 3.4.3 鉬酸鹽投加系統(tǒng)群落多樣性分析44-46
• 3.5 本章小結(jié)46-48
• 第4章 利用沼液為基質(zhì)的產(chǎn)絮效能研究48-57
• 4.1 沼液的物質(zhì)組成成分分析49-51
• 4.2 不同離心程度下沼液替代傳統(tǒng)培養(yǎng)基的產(chǎn)絮效能研究51-55
• 4.2.1 不同離心程度沼液的絮凝率對比51-52
• 4.2.2 不同離心轉(zhuǎn)數(shù)下的沼液絮凝劑產(chǎn)量52-53
• 4.2.3 不同離心轉(zhuǎn)數(shù)下的沼液總還原糖變化53-55
• 4.2.4 不同離心程度沼液最優(yōu)配比復(fù)合培養(yǎng)基產(chǎn)絮菌生長曲線變化55
• 4.3 本章小結(jié)55-57
• 第5章 低溫輔助沼氣發(fā)酵工藝初步模擬研究57-68
• 5.1 沼氣池加熱系統(tǒng)熱功率物理模型建立和保溫層設(shè)計57-60
• 5.1.1 沼氣池池體尺寸的優(yōu)化設(shè)計57-58
• 5.1.2 沼氣池加熱系統(tǒng)工藝示意圖58
• 5.1.3 沼氣池池體保溫層的設(shè)計58-59
• 5.1.4 物理模型59-60
• 5.2 沼氣池散熱量的模擬與沼氣池全年熱負荷的計算60-64
• 5.2.1 沼氣池及周圍土壤環(huán)境的網(wǎng)格劃分60-61
• 5.2.2 計算參數(shù)設(shè)置及邊界條件確定61-62
• 5.2.3 利用 Fluent 軟件求解沼氣池散熱量的模擬結(jié)果分析62-63
• 5.2.4 加熱料液所需的熱量63-64
• 5.2.5 厭氧生物反應(yīng)產(chǎn)熱影響64
• 5.3 低溫輔助系統(tǒng)各主要部分初步計算64-66
• 5.3.1 太陽能集熱板加熱系統(tǒng)64-65
• 5.3.2 熱泵機組性能系數(shù)的確定65
• 5.3.3 土壤換熱器65-66
• 5.3.4 板式換熱器66
• 5.4 本章小結(jié)66-68
• 結(jié)論68-70
• 參考文獻70-74
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果74-76
• 致謝76

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