打捆秸秆两相厌氧发酵相分离技术研究

【摘要】：将农作物秸秆厌氧发酵产沼气,不但可以缓解秸秆处理问题,发酵产生的沼气还可以作为农民生活燃料,缓解农村能源供需矛盾,发酵后的沼渣沼液还田培肥土壤,实现废弃物处理-农民生活-农业生产的有机结合,是循环农业的关键支撑技术之一根据厌氧发酵过程中两大菌群的生理特性,将厌氧发酵全过程分为产酸阶段和产甲烷阶段,并将它们分离开来,该工艺称为两相厌氧发酵工艺。相对于传统的单相发酵工艺,两相厌氧发酵工艺具有系统稳定性好、耐高负荷能力更强、产气品质高等优点。秸秆两相厌氧发酵存在相分离效果不好导致产甲烷相产气较少、水解产酸相产气较多的问题,此外,现有水解产酸相均为密闭条件,不利于半连续进出料。针对以上问题,本文拟从有机负荷、水力停留时间、pH值和甲烷抑制剂等角度对秸秆两相厌氧发酵过程进行调控,以期减少水解产酸相产气、提高水解产酸相出水COD浓度、提高甲烷相产气量,最终实现水解产酸相敞口运行,减少工程投资,方便后续进出料。(1)有机负荷调控对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响。水解产酸相反应器以打捆秸秆为固定相,以猪场废水为流动相,试图通过逐步提高猪场废水COD负荷达到减少水解产酸相产气的目的。结果表明：尽管维持较高的猪场废水有机负荷(OLR),但水解产酸相出水pH值仍维持在7.0左右,反应器日产气量随着猪场废水OLR提高稳步增加；当猪场废水OLR为7.20kgCOD/(m3·d)时,水解产酸相容积产气率达到最大,为0.748 m3/(m3·d),比对照组增加了92.38%；猪场废水带入的大量易分解有机物抑制了秸秆有机物水解产酸,秸秆干物质损失率较对照下降了7-3%。以上结果表明,采用提高猪场废水OLR不但不能减少水解产酸相产气,反而造成水解产酸相容积产气量更高。(2)水解液水力停留时间(HRT)调控对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响。水解产酸相反应器以打捆秸秆为固定相,以猪场废水为流动相,试图通过固定猪场废水COD浓度,改变猪场废水HRT的方式,达到减少水解产酸相产气,实现相分离的目的。结果表明：猪场废水HRT对厌氧反应器容积产气量影响较大,对产气中甲烷含量无明显影响,较低的猪场废水HRT(对应较高的容积负荷)提高了反应器容积产气量,当猪场废水HRT为1df容积负荷为72 kgCOD/(m3·d))时,厌氧反应器容积产气率达最大,为229m3/(m3·d),产气稳定后维持在1.52-1.76m3/(m3·d),较猪场废水HRT为3d和5d(容积负荷分别为2.4和1.44kgCOD/(m3·d))的处理分别提高了50%和130%以上。DGGE的结果表明,在猪场废水OLR负荷为7.2 kgCOD/(m3·d)、发酵液HRT仅为1d条件下反应器仍能正常产气的原因在于,经过一段时间的驯化后,反应器内秸秆表面附着的微生物种类和数量明显高于低猪场废水有机负荷、高发酵液HRT的处理,增强了反应器耐高有机负荷冲击的能力。以上结果表明,通过降低猪场废水HRT并不能达到相分离的目的,试验后期反而加剧了水解产酸相产气。(3)pH值调控对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响。通过调节水解产酸相发酵液pH值至8.0、9.5和11.0,研究pH值调控对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响。结果表明：调节水解产酸相发酵液pH值至8促进了产酸相产气,较对照提高了30%,但继续调高发酵液pH值对反应器产气产生抑制,调节水解产酸相发酵液pH值至9.5和11的处理产酸相累积产气量较对照分别降低了33.60%和90.13%。将水解产酸相发酵液pH值调节至8.0和9.5对产气中甲烷含量影响不大,均在50%以上,但调节pH值至11,产气中甲烷含量大幅降低,为15%左右。调节水解产酸相发酵液pH值至9.5和11虽然减少了水解产酸相产气,但甲烷相产气也受到抑制,累积产气量分别为2780mL和540m1,较对照分别降低了10.03%和82.52%,厌氧发酵后秸秆TS损失率较对照分别降低了8.47%和24.94%。以上结果表明,通过调节水解产酸相发酵液至碱性虽然抑制了水解产酸相产气,但对甲烷相产甲烷也有明显抑制,并不适合作为相分离的手段。(4)甲烷抑制剂对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响。通过在水解产酸相添加甲烷抑制剂(氯仿),研究其对秸秆水解产酸相和甲烷相产气的影响。结果表明：氯仿对抑制产酸相产气有很好的效果,氯仿浓度为4.04u1/L的处理(T1)水解产酸相累积产气量较对照(cK)降低85.78%；氯仿浓度为8.08u1/L(T2)和13.48u1/L(T3)的处理整个试验过程始终未产气。在水解产酸相中外加氯仿对产甲烷相产气亦有明显的抑制,T1产气峰值较CK低89.74%,累积产气量降低了97.27%。T2和T3在整个试验过程中均未产气。除对照外,添加氯仿的各处理甲烷相产气中甲烷含量均极低,几乎为零。以上结果表明,氯仿对抑制水解产酸相产气有很好的效果,但对水解酸化液后续产甲炕也有明显抑制,故并不适合作为秸秆两相厌氧发酵的甲烷抑制剂。从以上结果可以看出,本文采用的OLR、HRT、pH值调控和添加甲烷抑制剂均未达到预期的提高秸秆两相厌氧发酵相分离效果的目的,但部分结果,如调节水解产酸相水解液至8.0可以促进秸秆厌氧发酵产沼气、缩短水解液HRT或提高猪场废水OLR均可提高反应器容积产气量等结果为秸秆沼气工程提供了有益借鉴。 【关键词】：秸秆 两相厌氧发酵 水解产酸相 相分离 沼气
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 符号说明12-13
• 第一章 文献综述13-23
• 1.1 厌氧消化理论研究进展13-15
• 1.2 农村废弃物产排特点及特性15-17
• 1.3 以农村多元废弃物为原料的厌氧发酵工艺研究进展17-19
• 1.4 秸秆两相厌氧发酵工艺特点及研究进展19-20
• 1.5 相分离的意义和方法20-21
• 1.6 研究目的意义及内容21-23
• 1.6.1 研究目的和意义21
• 1.6.2 研究内容21-22
• 1.6.3 技术路线22-23
• 第二章 有机负荷调控对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响23-33
• 2.1 材料与方法23-25
• 2.1.1 试验材料23
• 2.1.2 试验装置23-24
• 2.1.3 试验方法24
• 2.1.4 测定指标及方法24-25
• 2.2 结果与分析25-31
• 2.2.1 水解产酸相厌氧发酵特性25-28
• 2.2.2 甲烷相厌氧发酵特性28-29
• 2.2.3 麦秸两相厌氧发酵产气结果分析29-30
• 2.2.4 厌氧发酵前后麦秸物质组成的变化30-31
• 2.2.5 相分离效果分析31
• 2.3 小结31-33
• 第三章 养殖废水不同HRT对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响33-43
• 3.1 材料与方法33-34
• 3.1.1 试验材料33
• 3.1.2 试验方法33-34
• 3.1.3 测定指标及方法34
• 3.2 结果与分析34-41
• 3.2.1 产气特性34-36
• 3.2.2 水解产酸相出水理化特性36-38
• 3.2.3 厌氧发酵前后麦秸理化特性和物质组成的变化38-40
• 3.2.4 厌氧发酵后麦秸水浸提液细菌DGGE分析40-41
• 3.3 小结41-43
• 第四章 pH值调控对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响43-53
• 4.1 材料与方法43-44
• 4.1.1 试验材料43
• 4.1.2 试验装置43
• 4.1.3 试验方法43
• 4.1.4 测定指标及方法43-44
• 4.2 结果与讨论44-50
• 4.2.1 水解产酸相厌氧发酵特性44-47
• 4.2.2 甲烷相厌氧发酵特性47-49
• 4.2.3 麦秸两相厌氧发酵产气结果分析49
• 4.2.4 厌氧发酵前后麦秸物质组成的变化49-50
• 4.2.5 相分离效果分析50
• 4.3 小结50-53
• 第五章 甲烷抑制剂对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响53-61
• 5.1 材料与方法53-54
• 5.1.1 试验材料53
• 5.1.2 试验装置53
• 5.1.3 试验步骤53-54
• 5.1.4 分析方法54
• 5.2 结果与分析54-59
• 5.2.1 水解产酸相厌氧发酵特性54-57
• 5.2.2 甲烷相厌氧发酵特性57-58
• 5.2.3 麦秸两相厌氧发酵产气结果分析58-59
• 5.2.4 相分离效果分析59
• 5.3 小结59-61
• 第六章 结论与展望61-63
• 6.1 结论61
• 6.2 创新点61-62
• 6.3 存在的问题和今后的研究设想62-63
• 参考文献63-67
• 个人简介及发表文章67-69
• 致谢69

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