农村废弃生物质太阳能辅热中温两相厌氧产沼技术研究

摘要

本论文针对农作物秸秆在厌氧消化过程中存在难生物降解和产甲烷易受温度影响等问题，在厌氧消化之前对秸秆进行微需氧生物预处理以提高其水解酸化性能，同时利用秸秆与其他废弃物之间的营养互补和协同作用，构建了以难降解秸秆为主要底物的混合底物两相厌氧消化产沼系统。并以此为基础构建了太阳能光热-相变蓄热与混合底物两相厌氧消化耦合的中试系统，实现了厌氧消化产沼系统在冬季的中温发酵。本文主要研究工作和研究结果包括以下内容。
　　针对传统物理-化学预处理方法和生物预处理方法带来的副产物问题和菌种成本等问题，开展了以两相厌氧消化中水解酸化液作为接种物的微需氧生物预处理研究。发现氧气负荷的升高能提高微需氧预处理过程对油菜木质纤维素的降解率，但过量的氧会降低预处理后秸秆的水解产酸性能。在氧气负荷为20mL/gVS秸秆/d，接种液中有机酸浓度为4g/L，预处理时间为10d的条件下预处理的油菜秸秆，经过水解产酸发酵，VFAs和sCOD比未处理油菜秸秆分别提高了88.43％和75.50％。通过对预处理过程中秸秆形貌结构、化学基团和晶体结构变化的研究，发现微生物破坏了秸秆中原本规整的结构、降低了秸秆中纤维素结晶度、减少了木质素相关的化学基团。此外，微需氧预处理前后的微生物群落，尤其是与木质素降解密切相关的微生物菌群发生明显变化，在预处理之后细菌菌群中放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度提高了84.5倍，真菌菌群中黑曲霉(Aspergillus niger)和橘青霉（Penicillium citrinum）的相对丰度分别提高了4.4倍和1.2倍。
　　农村地区除农作物秸秆外还存在的厨余垃圾及禽畜粪便等生物质，可以将它们与秸秆进行混合，利用底物之间的协同作用展开混合底物两相厌氧消化研究。研究结果表明(1)通过对水解酸化过程的研究，发现油菜秸秆与其他两种底物混合后能增加水解酸化阶段产生VFAs的浓度，VFAs中乙酸的含量随着鸭粪比例的增加或厨余垃圾的降低而升高，而丙酸的含量显示出相反的规律。(2)通过对产甲烷过程的研究，发现混合底物两相厌氧消化具有明显的协同促进效应，比单独秸秆的总产甲烷量提高了29.3-183.1％。不同混合底物在两相厌氧消化中产甲烷量的增加，一方面与底物中易生物降解物质的增加和C/N比的降低有关，另一方面源于多种混合底物之间的协同作用。实验还发现易水解的厨余垃圾和高含氮的鸭粪与秸秆混合后进行两相厌氧消化，可以提高秸秆的生物降解率。综合水解酸化特性、产甲烷特性和秸秆的生物降解特性，确定油菜秸秆、厨余垃圾和鸭粪的最适宜混合比例为50∶25∶25。(3)通过对两相厌氧消化中温度对水解酸化特性和产甲烷特性的影响研究，发现在20℃～35℃温度范围内，水解产酸发酵的产VFAs能力会随发酵温度的升高而提高，在35℃时最高产酸量达到9270.1mg/L。同时，实验还发现产甲烷过程对温度较敏感，从35℃降低2℃～5℃均会降低其产甲烷能力，在35℃条件下累计产气量比33℃和30℃时分别增加了31.07％和169.88％，但从产气速率角度考虑，产甲烷反应器可以接受短期内从35℃降低不超过2℃的情况。
　　在混合底物两相厌氧消化的基础上构建了太阳能辅热的中温两相厌氧产沼中试系统，利用太阳能集热-相变蓄热(PCTS)系统收集和储存太阳能为两相厌氧消化系统供热，减小太阳辐射波动和低温气候造成的发酵温度波动。实验研究了不同供热方式对两相厌氧反应器在冬季产甲烷效能的影响，发现采用太阳能集热-PCTS系统收集和储存太阳能为两相厌氧消化装置供热，可以减小发酵温度的波动并将其保持在中温范围，两相厌氧消化总产气量达到20.48m3，其底物能量转化率比传统太阳能供热和不供热的两相厌氧消化装置分别增加了1.01倍和5.65倍;采用修正Gompertz模型可以很好地拟合太阳能-PCTS系统供热的两相厌氧消化系统甲烷产率变化情况，预测值与实验值误差为1.49％。
　　通过对冬季典型工况条件下各子系统的热力性能和热利用效率的研究，发现太阳能辅热的两相厌氧产沼系统在冬季的热利用效率为42.0％，研究表明，可以通过进一步提高换热盘管传热系数，优化管道和反应器的外部保温层等方式提高系统的热利用效率。采用计算流体动力学(CFD)软件对产甲烷反应器内部温度场分布情况进行数值模拟，模拟结果显示供热温度的升高会提高反应器内部升温速率，但同时也会加剧反应器内部的温度分层，综合考虑温度场分布、换热效率和相变蓄热材料的成本，选取55℃作为太阳能辅热装置的供热温度。增加水力搅拌可以提升反应器内温度场分布的均匀程度，当搅拌速度增大到0.27m/s后，反应器内部最大温度差从2.3℃减小到0.2℃。

目录

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摘要

术语和缩略语表

第一章 绪论

1．1 农村废弃生物质处理及资源化现状

1．1．1 秸秆类废弃物

1．1．2 禽畜粪便

1．1．3 厨余垃圾

1．2 农村废弃生物质厌氧消化产沼技术研究现状

1．2．1 农村废弃物生物质厌氧消化产沼特点

1．2．2 农村废弃生物质厌氧消化产沼的工艺类型

1．2．3 混合底物厌氧消化产沼技术

1．3 农作物秸秆的预处理技术

1．3．1 物理法预处理秸秆

1．3．2 化学法预处理秸秆

1．3．3 生物方法预处理秸秆

1．4 太阳能辅热技术研究现状

1．4．1 沼气增温技术现状

1．4．2 太阳能辅热技术

1．4．3 太阳能蓄热技术

1．5 课题的提出

1．6 课题研究的目的、意义及研究内容

1．6．1 研究目的和意义

1．6．2 研究内容

1．6．3 课题来源

2．1 仪器与试剂

2．2 实验装置

2．2．1 两相厌氧消化小试装置

2．2．2 太阳能辅热中温两相厌氧消化中试装置

2．3 发酵底物

2．3．1 油菜秸秆

2．3．2 厨余垃圾

2．3．3 禽畜粪便

2．4 样品分析方法

2．4．1 固体样品测定分析方法

2．4．2 液体样品测定分析方法

2．4．3 气体样品测定分析方法

2．5 材料学表征方法

2．5．1 扫描电镜

2．5．2 红外傅里叶光谱(FT-IR)

2．6 微生物学分析方法-高通量测序技术(High-throughput sequencing)

第三章 农作物秸秆的微需氧预处理研究

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 油菜秸秆与接种液

3．2．2 实验方法

3．2．3 数据分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 影响秸秆微需氧预处理的因素

3．3．2 预处理对秸秆的形貌及结构的影响

3．3．3 预处理过程中微生物群落变化分析

3．4 本章小结

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．2 实验方法

4．2．3 数据分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 混合底物两相厌氧消化产气特性分析

4．3．2 混合底物水解酸化过程分析

4．3．3 温度对混合底物水解酸化特性的影响

4．3．4 温度对产甲烷反应器产气性能影响

4．4 本章小结

第五章 太阳能辅热中温两相厌氧产沼系统冬季运行研究与热性能分析

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验装置

5．2．2 当地气候条件

5．2．3 太阳辐射量的测定

5．2．4 实验发酵底物和接种物

5．2．5 运行方式

5．2．6 产甲烷动力学模型

5．2．7 产甲烷反应器CFD模型的建立

5．2．8 模型监测点和污泥取样点设置

5．2．9 技术路线

5．3 结果与讨论

5．3．1 不同供热方式对冬季两相厌氧发酵系统影响

5．3．2 两相厌氧消化系统甲烷产率动力学分析

5．3．3 太阳能辅热中温两相厌氧产沼工艺冬季运行热性能分析

5．3．4 产甲烷反应器CFD模型模拟结果及分析

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果