牛粪和玉米秸秆混合底物两相发酵工艺产甲烷效能研究

【摘要】：伴随世界经济高速发展，生态环境的破坏、能源紧缺和格局的变更，人们逐渐意识到开发可再生清洁能源的重要性与必要性。厌氧发酵处理技术既能够充分利用农作物秸秆和畜禽粪便等生物质废弃资源，使其得到无害化处理，又能够产生可再生能源—沼气。沼气可用于发电、供暖等方面，而沼液和沼渣也可用于肥饲料，实现了农牧结合的持续发展以及农业生态系统的物质与能量流动的良性循环的同时，也带来可观的经济效益。 目前，单一底物厌氧发酵已开展了大量的深入探究，而混合底物共发酵具有高效、稳定等优点，正逐渐被国内外广泛认可。此外，北方高寒地区中温厌氧发酵的沼气工程常出现负经济效益，导致厌氧发酵技术应用推广受限。因此，研究结合海林农场实际运行，利用两相沼气发酵系统，考察以牛粪和玉米秸秆为混合底物共发酵的产甲烷效能，同时针对低温条件的制约，提出优化低温发酵工艺运行参数的方案。取得的主要研究成果如下。 利用正交试验设计方案，考察了温度、C/N比等四个因素对厌氧发酵产沼气效能的影响。结果表明，影响因素对沼气产量影响程度依次为：温度TS%预处理方式C/N比，并得到牛粪和玉米秸秆混合厌氧发酵的最佳参数为：温度35℃，碱处理秸秆，TS为15%，C/N比为25：1。 中温35℃下，产酸相以牛粪和碱处理秸秆为底物基质，按TS为15%、C/N比为25：1进料，序批式运行60d。确定第48d时发酵液的pH最低，VFA和SCOD浓度最高，为产甲烷最适底物基质。TN一直维持在800~1000mg/L，表明有利于系统的稳定运行，并且未出现氨氮抑制现象。以HRT为30d，OLR为1.0kg VS/m3d和2.0kg VS/m3·d启动运行的产甲烷相，沼气容积产量和单位挥发物质甲烷产率分别达到720ml/Lreactor·d、213ml CH4/g VS，底物甲烷转化效率与有机负荷呈现正相关趋势。红外光谱分析和扫描电镜分析可知，伴随产酸相运行玉米秸秆主要成分得到有效分离和降解。 以梯度降温方式考察产甲烷效能，容积产率随温度降低而下降，35℃稳定时期沼气产量为4350ml/d，当梯度降温至32℃、29℃、27℃和25℃时沼气产量分别下降9.30%、30.23%、45.35%和56.98%。温度改变对甲烷含量影响不显著，稳定在55.4~57.5%。在25℃条件运行下，逐步提高OLR至3.0kg VS/m3·d时产气量最高并稳定在2850±60ml，并且HRT在40d时产气效能最佳，沼气容积产率和底物甲烷转化率分别达到596.5ml/L d和113.9ml CH4/g VS。 【关键词】：两相厌氧发酵 混合发酵 低温 有机废弃物 沼气产量
【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】：X71;TQ221.11
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.1.1 课题背景10-11
• 1.1.2 课题研究的目的和意义11
• 1.2 农业废弃物的综合利用现状11-13
• 1.2.1 秸秆类废弃物的综合利用现状11-12
• 1.2.2 禽畜粪便类废弃物的综合利用现状12-13
• 1.3 厌氧发酵过程的影响因素13-19
• 1.3.1 厌氧环境13-14
• 1.3.2 基质的营养比例14
• 1.3.3 发酵温度14-15
• 1.3.4 pH和碱度15-16
• 1.3.5 接种物16
• 1.3.6 干物质发酵浓度（TS）16-17
• 1.3.7 水力停留时间（HRT）17-18
• 1.3.8 搅拌18
• 1.3.9 金属元素及其盐类18-19
• 1.4 厌氧消化产甲烷技术研究现状19-22
• 1.4.1 底物预处理研究现状19
• 1.4.2 多种底物混合共发酵产沼气技术19-21
• 1.4.3 发酵装置研究现状21-22
• 1.5 课题来源和主要研究内容22-24
• 1.5.1 课题来源22
• 1.5.2 课题主要研究内容22-23
• 1.5.3 技术路线23-24
• 第2章 实验材料与方法24-30
• 2.1 实验材料24
• 2.2 实验装置24-26
• 2.2.1 静态实验装置24-25
• 2.2.2 动态实验装置25-26
• 2.3 实验方法26-27
• 2.3.1 材料处理方法26
• 2.3.2 分析方法26-27
• 2.4 主要仪器设备27
• 2.5 实验设计27-30
• 2.5.1 生态因子对厌氧发酵产甲烷效能影响实验27-28
• 2.5.2 中温两相混合底物产酸和产甲烷效能实验28-29
• 2.5.3 混合底物低温发酵的产甲烷效能实验29-30
• 第3章 生态因子对混合底物厌氧发酵产甲烷效能影响的研究30-40
• 3.1 发酵参数的确定30-31
• 3.1.1 预处理方式对厌氧发酵的影响30-31
• 3.1.2 温度对厌氧发酵的影响31
• 3.1.3 干物质浓度对厌氧发酵的影响31
• 3.1.4 碳氮比对厌氧发酵的影响31
• 3.2 实验结果与讨论31-39
• 3.2.1 预处理方式对产甲烷效能的影响分析32-35
• 3.2.2 温度对产甲烷效能的影响分析35-37
• 3.2.3 干物质浓度对产甲烷效能的影响分析37-38
• 3.2.4 碳氮比对产甲烷效能的影响分析38-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第4章 中温两相混合底物产酸和产甲烷效能研究40-51
• 4.1 混合底物CSTR产酸相运行特性研究40-46
• 4.1.1 混合底物发酵产酸相pH值变化40-41
• 4.1.2 混合底物发酵产酸相VFA 变化41-42
• 4.1.3 混合底物发酵产酸相SCOD和TN变化42-43
• 4.1.4 pH、VFA、SCOD和TN的相关性分析43-44
• 4.1.5 不同时期产酸相反应器内玉米秸秆FTIR分析44-45
• 4.1.6 不同时期产酸相反应器内玉米秸秆SEM分析45-46
• 4.2 混合底物CSTR产甲烷相运行特性研究46-50
• 4.2.1 中温CSTR产甲烷相的启动及运行46-47
• 4.2.2 中温混合发酵产甲烷相产气性能分析47-48
• 4.2.3 混合底物发酵产甲烷相pH值变化48
• 4.2.4 混合底物发酵产甲烷相VS去除率48-50
• 4.3 本章小结50-51
• 第5章 混合底物低温发酵的产甲烷效能研究51-60
• 5.1 梯度降温产甲烷相运行特性研究分析51-53
• 5.2 低温条件下工艺优化研究53-58
• 5.2.1 低温不同有机负荷运行对产气性能影响研究53-56
• 5.2.2 低温不同停留时间运行的产气性能优化研究56-58
• 5.2.3 低温混合底物两相CSTR发酵的工艺优化58
• 5.3 本章小结58-60
• 结论60-61
• 参考文献61-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果67-69
• 致谢69

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