地黄渣半连续式厌氧处理试验研究

摘要

全球面临来自环境污染与能源紧缺的压力，将厌氧生物技术用于有机固废的处理，可同时实现治理污染与生产能源。传统的固相或半固相厌氧反应器效率很低，为拓展厌氧消化技术的应用与发展，急切需要进行与之相应的高效厌氧反应器的开发研究，而其厌氧动力学研究是高效厌氧器的设计及其反应过程控制的关键。
　　国内的中成药六味地黄丸生产过程中会产生大量的地黄渣，该药渣含丰富的营养物质，相比餐厨垃圾的高油脂高盐分和市政污泥的高无机物含量及重金属，地黄渣更适宜通过厌氧消化进行处理。对于厌氧消化过程而言，地黄有效成分提取过程中的蒸煮及减压蒸馏，可视为厌氧消化中的热水解预处理，促进其植物细胞溶解，也提高厌氧消化效率。显然，将地黄药渣经厌氧处理不仅可以无害化处理此类生物质固体废弃物，而且获得清洁能源。本文以中成药六味地黄丸生产过程中会产生的地黄渣为研究对象，在实验室条件下对其进行厌氧消化特性研究，根据地黄渣产甲烷势、最佳含固率及排泥量的影响，确定最佳反应条件以进行序批式和半连续式厌氧消化实验，对序批式和半连续式厌氧消化反应进行产甲烷动力学分析。由于厌氧代谢过程由多种菌群联合协同完成，其中间产物较为复杂，但对于驯化完成的厌氧菌群，其最终目标产物为甲烷。显然，在零级反应阶段，厌氧菌群的增殖不受底物浓度的限制，单位时间甲烷产量仅与厌氧菌群生物量相关。因此，本文首次提出以零级反应期间单位时间内表观的甲烷体积增量ΔV表征厌氧微生物增量Δx，并根据地黄渣厌氧反应动力学特性推导得出其厌氧菌群表观增殖动力学规律。并且，文中以上述的研究结果为依据设计了半连续式厌氧处理操作方式，以单次进出料周期为研究对象，对半连续式厌氧消化反应器进行物料平衡分析，进而得出以地黄渣为底物时半连续式厌氧消化反应器的容积产气率、容积负荷率、产沼气量与反应器有效容积的关系式和进出料量关系等相关参数模型，为厌氧微生物量及其增殖速率的表征提供新的思路，为半连续式厌氧消化处理类似有机固体废弃物的过程控制和优化设计提供理论依据。
　　本文的主要研究结果如下：
　　1．地黄渣的厌氧处理特性
　　通过序批式进料的厌氧发酵实验确定地黄渣甲烷产率为92.8mL/g?VS，表明地黄渣是一种优质的厌氧消化原料适宜进行厌氧消化处理；分别设置消化混合物的TS为10％、15%、20%和25%，对比各发酵罐的产气情况，并确定了地黄渣厌氧发酵的最佳TS为15%；设置排泥周期为3天，并分别设置发酵罐的排泥量为总泥量的1/4、1/6和1/8，，对比分析各厌氧反应器零级反应阶段累计产甲烷量、产甲烷速率，确定地黄渣厌氧消化排泥量及排泥周期应根据厌氧菌群增殖量的变化而变化。
　　2．序批式与半连续式进料的厌氧消化实验及动力学特性
　　（1）按最佳泥药TS比为2:1进行序批式进料混合发酵，进料周期为7天并连续运行四个周期，结果表明四个周期内累计产甲烷量变化不大，但周期内第一天产甲烷量占总产甲烷量的比例由52.88%提高到63.95%，厌氧菌群生物量的增加使相同进料的转化速率明显增大，其0级反应动力学常数k分别为：143.1ml/h、150.2mL/h、159.5mL/h和170.7mL/h。
　　（2）对序批式地黄渣厌氧发酵进行了动力学模型分析，结果表明，在序批式发酵的一个进料周期内产甲烷过程可分为两个阶段：第一阶段为0~20h，在此期间，累计甲烷产量处于零级反应，有益菌群无底物竞争，处于稳定增殖阶段，甲烷累积产量呈线性增长，其线性方程为：y1=106.88t1+81.667，其中y1为在时间t1（h，0　　（3）以10小时为周期对地黄渣厌氧处理进行半连续式操作，对其中四个连续周期进行动力学分析，其零级反应动力学常数 k分别为：240.47mL/h、254.39mL/h、264.45mL/h和279.75mL/h。半连续式操作实验持续160小时，共产生甲烷36833mL，处理地黄渣1173g。10小时内产甲烷量随着生物量的增加而逐渐增加，从第一个周期的1527mL到本轮实验结束时上升至3093mL。
　　3．厌氧菌群表观增殖动力学分析及半连续式厌氧处理相关参数的确定
　　通过公式推导，确定零级反应期间单位时间内甲烷体积增量ΔV与厌氧微生物增量Δx成正比关系，对微生物比增殖速率定义方程 xt=x0eμt及 Monod方程μ=dX dt=μmaxX?S KS+S等方程进行推导及修改，根据实验数据对半连续式厌氧反应过程中周期内产甲烷量的自然对数进行作图，得出厌氧菌群的表观比增殖速率为0.121d-1，世代期为5.7d。通过产甲烷动力学模型分别预测对比序批式与半连续式厌氧消化反应器在相同有效容积及相同累计进料量条件下的处理效率优劣。以单次进出料周期为研究对象，对半连续式厌氧消化体系进行物料平衡分析，并推导得出以地黄渣为底物时半连续式厌氧消化反应器的容积产气率、容积负荷率、产沼气量与反应器有效容积的关系式和进出料量关系等相关参数模型。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1研究背景

1.2我国中药渣处理技术现状

1.3厌氧技术处理地黄渣的可行性

1.4有机固废厌氧消化反应器及进出料方式

1.5厌氧消化技术动力学原理

1.6本课题研究的意义与内容

1.7主要创新点

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料、仪器及装置

2.2 实验图片

2.3实验方法

2.4分析方法

第3章 地黄渣厌氧处理特性及动力学

3.1地黄渣厌氧处理性能研究实验

3.2地黄渣序批式厌氧处理运行实验

3.3地黄渣半连续式厌氧处理动力学特性

3.4地黄渣厌氧处理过程中产甲烷菌群的增殖动力学

3.5本章小结

第4章 地黄渣半连续式厌氧处理可行性分析

第5章 结论及建议

5.1结论

5.2建议

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢