低温沼气发酵生态调控因子及其低温辅助工艺研究

【摘要】：针对北方寒冷地区冬季沼气工程运行效率低、能耗大等问题，本研究一方面从微生物生理与生态调控方面进行探究，寻找能够在25℃~35℃范围内，能够促进厌氧微生物产甲烷效能的促进剂；另一方面在利用洁净能源实现能源利用的高效化，减少冬季对非可再生能源的消耗。此外，探寻沼气发酵产生的沼液资源化利用新途径，减少固体废弃物的排放量，增加更大的附加价值，实现农业生产的生态建设。 通过向沼气发酵系统中投加微生物絮凝剂干粉、电气石和无机营养盐等分别考察其对产甲烷过程的影响。研究表明，微生物絮凝剂干粉有助于改变厌氧发酵菌群的结构；电气石够有效调节系统pH值，有利于产甲烷菌的生长，月平均产甲烷量分别增加了6.5%、5.4%和11.4%，在微生物菌群中TM6和RsaHF231的含量也远远高于空白样品；微量钴元素对厌氧发酵产气有一定的促进作用，在系统中投加二氯化钴浓度在6μmol/L时效果最好，高效产气阶段平均每天比空白样品多产气4.3mL，但是若浓度增加到10μmol/L时，产气率明显下降；钼酸钠的投加对产酸相微生物有明显的抑制作用，系统中加入25mmol/L和50mmol/L钼酸钠后产气率分别下降了3.7%和31.2%。 将沼液进行不同程度的离心处理发现还原糖的含量差别不显著，去除的主要是无机颗粒与产絮微生物较难利用的纤维素。由产絮率可知，8000r/min处理的沼液向传统培养基中掺混20%，比传统培养基絮凝率高了4.30%，11000r/min处理的沼液向传统培养基中掺混20%比传统培养基絮凝率高了2.93%；同时，11000r/min处理的沼液向传统培养基中掺混40%比传统培养基絮凝率提高了0.07%，效果基本相同。而产絮微生物在营养液中的生长趋势相近，但培养时间变长后发现，沼液中存在的较难降解的有机物，仍然难以被产絮微生物利用。 以海林农场沼气池实际工艺对沼气发酵系统的散热模型进行模拟，物理模型建立为圆柱型，半径7m，池深14m。根据地理环境与气候环境以及流场类型确定边界条件，按照单相流模型非牛顿流体稳态结构进行模拟。考虑物料本身温度与沼气池向周围的温度扩散，得出沼气池全年平均负荷34.0kw，月平均最高负荷45.5kw。经初步计算以保温层结构减少散热量，太阳能系统将太阳能转化为热量，土壤源热泵辅助储存转化能量的系统，可以保障沼气发酵系统全年基本温度在25℃以上，保证微生物的活性和产甲烷效率。 【关键词】：低温 沼气发酵 产甲烷菌 生态因子 辅助工艺
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 低温产甲烷的生态因子的研究现状11-12
• 1.3 沼液资源化利用的研究现状12-13
• 1.4 低温产甲烷辅助工艺的研究现状13-14
• 1.5 高通量测序技术应用14-15
• 1.6 课题研究目的及主要内容15-17
• 1.6.1 课题来源15
• 1.6.2 课题研究的目的15
• 1.6.3 课题研究的主要内容15-16
• 1.6.4 技术路线图16-17
• 第2章 实验材料及方法17-25
• 2.1 反应装置设计及运行17-18
• 2.2 实验仪器与设备使用18
• 2.3 气质联机检测方法18
• 2.4 高通量测序细菌群落分析18-19
• 2.4.1 DNA 提取 PCR 扩增和测序18-19
• 2.4.2 序列分析19
• 2.5 絮凝率及产量测定19-22
• 2.5.1 底物及菌种选择19
• 2.5.2 菌种的保藏、活化及培养19-20
• 2.5.3 絮凝率及絮凝剂产量测量方法20-21
• 2.5.4 总还原糖的测定方法21-22
• 2.6 FLUENT 模拟软件与相关理论22-25
• 2.6.1 Fluent 软件性能与特点22
• 2.6.2 太阳能电池分类及原理22-23
• 2.6.3 土壤的传热机理23-25
• 第3章 低温产甲烷生态调控关键因子研究25-48
• 3.1 生物絮凝剂干粉对于提高产气量的影响26-31
• 3.1.1 生物絮凝剂干粉投加系统产气量变化26-28
• 3.1.2 生物絮凝剂干粉投加系统代谢28-29
• 3.1.3 生物絮凝剂干粉投加系统群落多样性分析29-31
• 3.2 电气石对提高甲烷产量的影响(小瓶试验)—中温产气31-36
• 3.2.1 电气石投加系统产气量变化31-33
• 3.2.2 电气石投加系统代谢33-34
• 3.2.3 电气石投加系统群落多样性分析34-36
• 3.3 钴盐对提高产气的作用36-41
• 3.3.1 钴盐投加系统产气量变化36-38
• 3.3.2 钴盐投加系统代谢38-39
• 3.3.3 钴盐投加系统群落多样性分析39-41
• 3.4 钼酸盐调控产气中酸化现象的影响41-46
• 3.4.1 钼酸盐投加系统产气量变化41-43
• 3.4.2 钼酸盐投加系统代谢43-44
• 3.4.3 钼酸盐投加系统群落多样性分析44-46
• 3.5 本章小结46-48
• 第4章 利用沼液为基质的产絮效能研究48-57
• 4.1 沼液的物质组成成分分析49-51
• 4.2 不同离心程度下沼液替代传统培养基的产絮效能研究51-55
• 4.2.1 不同离心程度沼液的絮凝率对比51-52
• 4.2.2 不同离心转数下的沼液絮凝剂产量52-53
• 4.2.3 不同离心转数下的沼液总还原糖变化53-55
• 4.2.4 不同离心程度沼液最优配比复合培养基产絮菌生长曲线变化55
• 4.3 本章小结55-57
• 第5章 低温辅助沼气发酵工艺初步模拟研究57-68
• 5.1 沼气池加热系统热功率物理模型建立和保温层设计57-60
• 5.1.1 沼气池池体尺寸的优化设计57-58
• 5.1.2 沼气池加热系统工艺示意图58
• 5.1.3 沼气池池体保温层的设计58-59
• 5.1.4 物理模型59-60
• 5.2 沼气池散热量的模拟与沼气池全年热负荷的计算60-64
• 5.2.1 沼气池及周围土壤环境的网格划分60-61
• 5.2.2 计算参数设置及边界条件确定61-62
• 5.2.3 利用 Fluent 软件求解沼气池散热量的模拟结果分析62-63
• 5.2.4 加热料液所需的热量63-64
• 5.2.5 厌氧生物反应产热影响64
• 5.3 低温辅助系统各主要部分初步计算64-66
• 5.3.1 太阳能集热板加热系统64-65
• 5.3.2 热泵机组性能系数的确定65
• 5.3.3 土壤换热器65-66
• 5.3.4 板式换热器66
• 5.4 本章小结66-68
• 结论68-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果74-76
• 致谢76

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