一体化两相厌氧反应器玉米秸秆产气研究

摘要

随着能源危机与环境污染成为制约人类社会发展的重要因素，开发高效、低碳、可再生的新能源受到世界各国的高度重视。秸秆类物质作为一种数量庞大、价格低廉、获取容易的农业废弃物，具有成为新能源所需底物的巨大潜力。然而，通常的秸秆类物质利用过程面临着效率较低的瓶颈问题。近年来，两相厌氧消化技术在玉米秸秆利用过程中表现出廉价、环保、高效的诸多优点，其研究与推广具有较大的应用价值与现实意义。基于此本文研究了玉米秸秆的发酵前预处理以及小型一体化两相厌氧反应器的玉米秸秆产气特性，同时设计了放大尺寸的一体化两相厌氧发酵平台。
　　 为提高玉米秸秆在两相厌氧反应器中的发酵效果，本研究采用正交试验考察了重要参数对玉米秸秆酸、碱预处理过程的影响。结果显示，温度为影响酸、碱预处理过程的关键因素，且酸预处理的玉米秸秆糖化率远高于碱预处理。酸预处理得到的糖化液产气能力略高于碱预处理，且产气时间大幅缩短。单位质量秸秆通过酸预处理得到的产气量为53 ml/g，为碱预处理的15.1倍，因此酸预处理为较适宜的玉米秸秆预处理方法。
　　 考察了一体化两相厌氧小试反应器利用玉米秸秆的产气过程，提出以廉价糖蜜为替代底物的厌氧反应器启动方案，并研究了此方案下的启动特性。研究结果表明：启动时产酸相污泥接种量为9.7 g-VSS/L，甲烷相反应器利用厌氧污泥接种，实现了28天的快速启动过程，其中产酸反应器与产甲烷反应器分别在第14天和第18天即出现产气现象。结果表明利用糖蜜且接种成熟的厌氧污泥可以实现厌氧反应器的快速启动过程。
　　 利用一体化两相厌氧反应器进行玉米秸秆产气的小试试验研究，结果表明：当进水秸秆含量为0.74 g/L，反应器总容积负荷为0.678 kg·COD/m3·d，总HRT为96h时，最大产气量为1.06 L/d；玉米秸秆在产酸相停留时间最少应达到16 h；另外，降低玉米秸秆颗粒的尺寸、延长水力停留时间都可以提高厌氧反应器对玉米秸秆利用效率。试验发现，一体化两相厌氧反应器具有较强的抗冲击能力，其中甲烷相在底物改变过程中能够稳定产气，表现出这种反应器形式在复杂底物利用方面的优势。
　　 为进一步研究玉米秸秆两相厌氧消化的产能特性，优化并搭建了中试水平的一体化厌氧发酵产气装置。在优化设计过程中，利用MATLAB辅助计算，重新设计了产气装置的保温系统。经过计算新的保温系统，系统仅需568 W即可在最恶劣的工作环境下维持整个系统的控温要求。通过Fluent软件，利用计算流体力学的方法优化了扰泥结构，提高了厌氧反应器的性能。通过设计建立了此类问题的设计计算方法，而且此方法经过适当调整可适用于不同类型的厌氧反应器。