新型自热式抗结壳沼气反应器发酵特性研究

摘要

沼气是厌氧产甲烷微生物分解有机物产生的清洁可再生生物质能源，也是我国农村利用形式最广的可再生生物质能源，它不仅具有将有机废弃物资源化利用和保护环境的双重效益，还具有生产成本低，产出效益高等优点。但在沼气发酵过程中发酵原料在附着的气泡上升力作用下上浮至沼液表面，经水分蒸发而形成结壳，由此影响了发酵原料的充分降解和产生的沼气扩散逸出分离，导致沼气池发酵速率减慢、产气率和甲烷含量降低、燃烧热值低等不足。此外，户用沼气池还存在保温性能较差，沼液发酵温度较低，常用发酵原料营养成分单一，氮、磷、钾等微生物代谢必需元素和部分维生素含量较低的问题，延长了沼气反应器的发酵启动时间，降低了发酵原料的水解率和产气率，限制沼气技术实际推广应用。
　　针对上述问题，根据沼气反应器内沼渣结壳原理，设计了一种兼有防止沼渣上浮和集气功能的抗结壳装置，并实验研究该新型沼气反应器的抗结壳性能和产气性能，以及固体物浓度、外源添加物对沼气发酵性能的影响。此外还研究了有机玻璃钢池体材料的机械和传热特性，并中试试验了具有抗结壳装置和保温特性的玻璃钢沼气池发酵产气特性。课题研究得到以下主要研究成果和结论：
　　1.实验室制备的有机玻璃钢沼气池池体材料具有较高的机械强度和一定保温性能，当厚度为6mm，材料压缩强度达到140MPa以上，弯曲强度超过120MPa。以聚乙烯泡沫保温板为保温材料的沼气池池壁导热系数为0.099W/(m·K)，能够有效降低沼气池壁的导热性能，保证低温下的连续产气，提高沼气利用效率。同时该有机玻璃钢材料具有较好耐酸性，但耐碱性较差。
　　2.自行研制的抗结壳装置能有效地阻挡原料中固体物的上浮，具有显著的抗原料结壳性能，使发酵反应更充分，提高了基质利用率，增强了反应器的产气能力。同时该装置还增强了沼液中的气液分离效果，改善了沼液的酸碱平衡能力，促进了产甲烷菌群的代谢活动，从而显著提高反应器的产气能力和产甲烷能力。
　　3.固体物浓度对抗结壳沼气反应器产气影响较大，在以马铃薯皮为发酵原料，控制沼液温度为27(±3)℃，当固体物（TS）浓度为4％时，抗结壳沼气反应器对原料的利用更充分，产甲烷菌群活性强，有利于甲烷的产生，得到的最大日产气量为11.2L，原料产气率为600.0L/(kg·TS)，COD去除率为69.7%，产气中甲烷浓度较高，长期地稳定在62%左右，而较低或较高的TS浓度均不利于抗结壳沼气反应器的发酵和产气。
　　4.实验研究了尿素、复合磷酸盐、复合维生素等外源添加物及添加量对抗结壳沼气反应器发酵产气特性的影响，结果表明：添加一定浓度的外源添加物能显著提高沼气反应器的发酵产气性能，加快发酵启动，增强了产甲烷菌群的活性和代谢产热，促进了甲烷的生成和日产气量的提高。实验得到尿素、复合磷酸盐、复合维生素的添加量为1.0、1.20、0.015g/L时，其最大的池容产气率分别为0.869、0.732、0.843m3/(m3·d)，总产气量分别比未添加时提高了52.9%、28.9%、48.4%，产气中甲烷浓度最高达到72.4%。
　　5.一定浓度的镁离子缩短了抗结壳沼气反应器的发酵启动时间，增强厌氧微生物对底物的利用效率，促进了甲烷合成，显著提高了反应器日产气量。其中以莴笋皮为发酵原料，镁盐最佳添加量为0.30g/L，总产气量提高了71.4%，池容产气率为0.398m3/(m3·d)；以马铃薯皮为发酵原料，镁盐最佳添加量为0.10g/L，总产气量提高了41.6%，池容产气率为0.804m3/(m3·d)。
　　6.具有保温性能的抗结壳沼气反应器（8m3）中试试验结果表明：在平均气温为8℃左右的冬季，反应器连续运行15天产气仍然稳定，最大日产气量为2.688m3/天，平均池容产气率为0.215m3/(m3·d)；产气气压最高达12kPa，沼液表面无结壳现象；同时反应器保温性较好，充分利用了发酵的代谢产热，沼液温度比常规沼气池高3-4℃，有利于冬季低温条件下的沼气生产。

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1 绪 论

1.1 前言

1.2 沼气发酵理论研究

1.3 目前我国沼气发酵中存在的突出问题

1.4 本课题主要工作

2 有机玻璃钢沼气池池体材料性能测试

2.1 引言

2.2 制备玻璃钢沼气池池体材料

2.3 玻璃钢池体材料力学性能测试

2.4 玻璃钢池体材料传热性能测试

2.5 本章小结

3 抗结壳沼气反应器系统设计

3.1 引言

3.2 抗结壳沼气发酵反应器系统设计

3.4 本章小结

4 新型抗结壳沼气反应器性能实验

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 实验结果及分析

4.4 本章小结

5 自热式抗结壳沼气反应器中试试验

5.1 引言

5.2 中试试验现场情况

5.3 中试试验

5.4 中试试验结果及分析

5.5 反应器经济性分析

5.6 本章小结

6 主要结论

7 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间申请专利目录

C. 作者在攻读硕士学位期间获得的荣誉