人粪便厌氧处理工艺优化和沼气贮气膜气密性研究

【摘要】：人粪便是人类某些疾病的传播媒介,发展中国家70%的疾病与粪便的污染性传染有关。人粪便是污染源的同时也是一种资源,其含有丰富的有机物和氮、磷、钾营养成分,人粪便经无害化处理后再进行厌氧消化处理可产生清洁能源.沼气,但是人粪便中含有大量致病微生物,仅采用厌氧消化处理无法达到无害化标准,因此需要在厌氧消化工艺前增加人粪便无害化预处理工艺；另外,在沼气工程中作为平衡产气与用气的手段,沼气贮存环节起着举足轻重的作用,膜材因其较好的力学性能被广泛地运用于沼气贮存领域,但国内外均未制定专门针对沼气贮气膜材气密性测试标准。针对以上问题,本文一方面对人粪便无害化+厌氧消化处理工艺进行了研究,另一方面提出了沼气贮气膜气密性测试方法。主要研究内容和结论如下： (1)对人粪便无害化预处理方法进行了研究,结果表明,70℃加热预处理方法比加碱(pH=10、12)预处理方法更适合被用于人粪便无害化预处理。对于TS浓度分别为1%、2%、4%、6%、8%、10%、12%的人粪便而言,加热处理完全去除指示性致病微生物的时间分别为60、60、80、80、100、100、100分钟,完全去除致病微生物时间与粪便TS之间的关系可以用对数方程y=18.549ln(x)+143.99表示。 (2)研究了加热无害化预处理对人粪便特性的影响,研究表明,加热无害化处理前后,人粪便颗粒间的孔隙度减少,骨架结构并未受到破坏,只是人粪便中官能团的含量发生了变化。另外,人粪便属于假塑性流体,具有剪切稀化的特点,对于最优TS为8%的人粪便而言,在最优搅拌强度下(G=772/s),人粪便加热无害化80分钟时即可完全去除致病微生物。 (3)对人粪便厌氧消化产甲烷潜能和净能进行了分析,结果表明,Gompertz模型与本试验数据的相关性较好,可以用来初步预测人粪便的产甲烷潜能：TS为8%人粪便在中温厌氧消化条件下,处理每吨干物质的净能为398KWh。 (4)在最优搅拌(G=772/s)和TS(8%)条件下,对不同污泥停留时间时人粪便CSTR厌氧消化工艺进行了优化研究,结果表明,在污泥停留时间25天时,沼气工程的经济效益最好。人粪便无害化+厌氧消化工艺最优参数为：日处理量30m3、TS=8%、70℃加热无害化80分钟、搅拌强度G=772/s、污泥停留时间25天。 (5)提出了一种沼气贮气膜甲烷气体透过性测试方法,并研究温度和相对湿度对沼气贮气膜气密性的影响。结果表明,在相同的湿度下,温度对透过量的影响显著,并随温度的升高呈线性增长趋势,满足阿伦尼乌斯方程;在相同温度下,透气量随相对湿度的变化有所变化但是在相对误差范围内,即透气量基本不受相对湿度的影响。 【关键词】：人粪便无(?)化 厌氯消化 动力学 沼气贮气膜 膜气密性
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 缩写和符号清单12-13
• 1 引言13-15
• 2 文献综述15-31
• 2.1 人粪便及处理技术15-20
• 2.1.1 人粪便特性15-19
• 2.1.2 粪便处理技术19-20
• 2.2 预处理技术20-22
• 2.3 厌氧消化技术22-27
• 2.3.1 厌氧消化原理22-23
• 2.3.2 厌氧消化影响因素23-27
• 2.4 沼气贮气膜气密性测试27-31
• 2.4.1 沼气贮气膜简介27-29
• 2.4.2 膜材气密性测试原理29
• 2.4.3 膜材气密性影响因素29-31
• 3 研究内容、目的和方法31-43
• 3.1 研究目的和意义31
• 3.2 研究内容31-34
• 3.3 研究方法34-39
• 3.3.1 厌氧试验样品34-35
• 3.3.2 厌氧试验装置35-37
• 3.3.3 膜测试样品37-38
• 3.3.4 膜测试装置38-39
• 3.4 测试指标及方法39-43
• 3.4.1 化指标39-40
• 3.4.2 微生物指标40-43
• 4 不同无害化预处理对致病微生物的去除效果43-68
• 4.1 试验设置43-45
• 4.1.1 试验方法43-44
• 4.1.2 微生物去除动力学分析方法44-45
• 4.2 加热无害化预处理45-53
• 4.2.1 加热处理对致病微生物的去除效果45-47
• 4.2.2 致病微生物去除动力学分析47-50
• 4.2.3 加热处理对厌氧消化效果的影响50-52
• 4.2.4 TS对完全去除致病微生物时间的影响52-53
• 4.3 加碱无害化预处理53-65
• 4.3.1 加碱处理对致病微生物的去除效果53-57
• 4.3.2 致病微生物去除动力学分析57-62
• 4.3.3 加碱处理对厌氧消化效果的影响62-64
• 4.3.4 TS对完全去除致病微生物时间的影响64-65
• 4.4 两种无害化预处理效果比较65-66
• 4.5 小结66-68
• 5 加热预处理对人粪便特性的影响68-86
• 5.1 试验设置68-69
• 5.1.1 试验方法68
• 5.1.2 速度梯度计算方法68-69
• 5.2 加热预处理对人粪便结构的影响69-72
• 5.2.1 扫描电镜分析69-70
• 5.2.2 FTIR图谱分析70-72
• 5.3 人粪便流变特性研究72-80
• 5.3.1 表观粘度73-77
• 5.3.2 剪切应力77-80
• 5.4 搅拌强度对人粪便加热无害化的影响80-84
• 5.4.1 速度梯度80-81
• 5.4.2 搅拌对热处理去除致病微生物的影响81-83
• 5.4.3 搅拌强度对人粪便水解的影响83-84
• 5.5 小结84-86
• 6 人粪便厌氧消化潜能和净能分析86-96
• 6.1 试验设置86-88
• 6.1.1 试验方法86-87
• 6.1.2 分析方法87-88
• 6.2 人粪便产甲烷潜能分析88-94
• 6.2.1 产气量分析88-91
• 6.2.2 有机物降解率及消化单位VS产气量91-92
• 6.2.3 产气动力学分析92-94
• 6.3 人粪便厌氧消化净能量分析94-95
• 6.4 小结95-96
• 7 人粪便CSTR厌氧消化工艺优化研究96-110
• 7.1 试验设置96-97
• 7.1.1 试验方法96
• 7.1.2 分析方法96-97
• 7.2 产气量及甲烷含量分析97-99
• 7.3 系统稳定性分析99-104
• 7.3.1 pH、ORP99-102
• 7.3.2 VFA、TA102-104
• 7.4 经济性分析104-109
• 7.5 小结109-110
• 8 沼气贮气膜气密性研究110-121
• 8.1 测试方法比较与选择110-112
• 8.2 测试压差的选择112-113
• 8.3 测试装置误差分析113-116
• 8.3.1 系统误差113
• 8.3.2 随机误差113-116
• 8.4 环境条件对贮气膜气密性的影响116-120
• 8.4.1 温度116-118
• 8.4.2 相对湿度118-120
• 8.5 小结120-121
• 9 结论121-125
• 9.1 主要结论121-122
• 9.2 创新点122-123
• 9.3 展望123-125
• 参考文献125-138
• 作者简历及在学研究成果138-142
• 学位论文数据集142

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