猪场废水沼气发酵过程加热能量调配

摘要

猪场废水通常采用沼气发酵进行处理利用。由于猪场废水体积大、浓度不高，因此升温困难、冬季处理效率低。针对这一问题，提出“在相同加热能量条件下，通过分步加热可以提高沼气发酵产气效率”的科学假设。为了证实这一假设，本文以两步加热策略为例，从理论推导和试验验证两方面求证两步加热策略提升沼气发酵效率的可行性，探索影响沼气发酵效率提升的因素，并研究了两步加热策略对厌氧污泥特性的影响。形成的主要结论如下:
　　(1)理论上，相对于传统加热方式，两步加热策略可以提升发酵温度和沼气发酵效率。第一部分废水比例(p)越低，能量废水比（h）越高，两步加热策略的温度提升幅度越大。p值越低，环境温度（T0）越低，两步加热策略的沼气发酵效率提升效率越大。
　　(2)以清水为介质的温度验证试验表明，随着p值的降低，两步加热策略温度提升量逐步升高，P值为0.1时，两步加热策略温度提升量为4.61℃。随着h的升高，两步加热策略温度提升量逐步升高，p值为0.3，h为37.62kJ L-1时，两步加热策略温度提升量为9.25℃。试验中两步加热策略温度提升量小于理论值，试验值与理论值的差异主要缘于罐体和管道的散热引起的温度损失。
　　(3)以猪场废水为发酵原料的发酵试验显示(p=0.5)，两步加热策略可以提升沼气（甲烷）的产量，沼气产量提升幅度为4.70％～11.5％，甲烷产量提升幅度为0.810％～11.6％。容积负荷和环境温度是影响两步加热策略提升效率的两个主要影响因素。
　　(4)随着容积负荷的升高，两步加热策略的甲烷产量提升量和提升效率逐渐升高，容积负荷为4.0kgCOD m-3d-1时，提升效率为13.1％。随着环境温度的降低，提升量和提升效率也逐渐升高，在T0为5℃时，甲烷产量提升效率最大，为14.7％。随着p值的降低，提升量和提升效率仍逐渐升高，p值为0.2时，提升效率为20.1％。从产甲烷动力学参数看，两步加热策略的最大容积产气率（Rpmax）和半饱和常数(KLR)高于一步加热。但两步加热策略的甲烷产量提升量和提升效率试验值显著低于理论分析值，主要由于两步加热策略沼气发酵装置中的混合液污泥浓度较低，理论分析没有考虑水力停留时间缩短带来的污泥流失问题。
　　(5)在污泥特性方面，两步加热策略沼气发酵装置Ⅰ(R2)的缓冲性能最好，两步加热策略沼气发酵装置Ⅱ(R3)的缓冲性能最差。R2和R3的最大比产甲烷活性分别为8.63mL gCOD-1gMLVSS-1和8.57mL gCOD-1gMLVSS-1，高于一步加热沼气发酵装置(R1)的7.87mL gCOD-1gMLVSS-1，说明了两步加热策略的污泥活性优于一步加热。微生物群落结构分析表明，两步加热策略中的互营氧化作用可能比一步加热策略更活跃。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．1 猪场废水污染及处理、利用现状

1．1．1 猪场废水污染现状

1．1．2 主要处理、利用方式

1．2 猪场废水沼气发酵研究与应用进展

1．2．1 沼气发酵装置及污泥置的影响

1．2．2 混合搅拌的影响

1．2．3 温度对微生物活性影响

1．2．4 提高沼气发酵温度的方法

1．2．5 沼气发酵加热策略研究及应用

1．3 研究的提出、主要研究内容和技术路线

1．3．1 研究的提出

1．3．2 主要研究思路及技术路线

第二章 沼气发酵两步加热策略效率提升理论解析

2．1．1 发酵温度提升的模拟条件

2．1．2 发酵温度提升的理论解析结果

2．2 底物降解效率提升的理论解析

2．2．1 解析模型的推导

2．2．2 解析的结果与讨论

2．2．3 底物降解效率模型理论解析小结

2．3 甲烷产量提升效率的理论解析

2．3．1 沼气发酵动力学模型的引入和参数的代换

2．3．2 解析结果与讨论

2．3．3 甲烷产量提升效率的理论解析小结

2．4 小结

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验装置

3．2．2 试验材料

3．2．3 试验设备

3．2．4 试验方法

3．3 结果与分析

3．3．1 第一部分废水比例(p)对两步加热策略发酵温度提升的影响

3．3．2 能量废水比(h)对两步加热策略发酵温度提升的影响

3．4 讨论

3．5 小结

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验装置

4．2．2 试验材料

4．2．3 试验设备

4．2．4 试验方法

4．2．5 参数测试及分析方法

4．3 结果与分析

4．3．1 发酵温度的提升

4．3．2 产气效率的提升

4．3．3 其它沼气发酵参数的表现

4．4 讨论

4．4．1 发酵温度提升幅度小于理论值的原因

4．4．2 底物降解效率分析

4．4．3 甲烷产量提升分析

4．5 小结

第五章 两步加热策略沼气发酵效率的影响因素研究

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验装置

5．2．2 试验材料

5．2．3 试验设备

5．2．4 试验方法

5．2．5 参数测试及分析方法

5．3 结果与分析

5．3．1 容积负荷对两步加热策略沼气发酵效率提升的影响

5．3．2 环境温度(T0)对两步加热策略沼气发酵效率提升的影响

5．3．3 第一部分废水比例(p)对两步加热策略沼气发酵效率提升的影响

5．4 讨论

5．4．1 甲烷容积产气率较低的原因

5．4．2 底物降解效率及底物降解动力学参数变化

5．4．3 甲烷产量及沼气发酵动力学参数变化

5．4．4 两步加热策略甲烷产量提升效率的理论值和试验值差异解析

5．5 小结

第六章 两步加热策略沼气发酵污泥特性及微生物群落结构

6．2．2 试验材料

6．2．3 试验设备

6．2．4 试验方法

6．2．5 参数测试及分析方法

6．2．6 高通量测序

6．3 结果与分析

6．3．1 COD去除

6．3．2 挥发酸及碱度

6．3．3 沼气发酵效率提升

6．3．4 污泥特性

6．3．5 微生物群落结构

6．4 讨论

6．4．1 沼气发酵效率提升分析及反应器稳定性能比较

6．4．2 污泥活性

6．4．3 两步加热策略对微生物分布特征的影响

6．4 小结

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录

致谢

作者简历