鸡粪三级逆流厌氧发酵产沼气与磷回收工艺

摘要

随着我国养鸡场集约化的迅速发展，鸡粪有机废弃物排放量迅速增加。鸡粪成分复杂，具有高固含率、高有机物和高氮磷含量等特点，若处理不当直接排入环境，将造成严重的环境污染，并危及人类健康。鸡粪厌氧发酵产沼气技术具有动力消耗低、污泥产量少、消除臭气、杀死致病菌以及产生生物质能源等特点，被广泛采用于有机废弃物的处理。厌氧发酵过程中，磷会以正磷酸盐的形式大量释放，直接排入地表水体，高浓度的磷会导致水体富营养化，而磷(P)又是一种重要的矿产资源和化工原料，资源十分有限，是一种不可回收资源，所以磷回收可以实现磷资源化利用。
　　本论文选取鸡粪为典型代表进行厌氧发酵产沼气与氮磷回收耦合技术研究，针对鸡粪C/N较低易产生氨氮和有机酸抑制发酵的作用提出一种新的工艺-三级逆流工艺，该工艺能够缓解发酵微生物的抑制效应，促进鸡粪有效降解以及产气率。主要比较了三级逆流发酵工艺与普通批式发酵工艺在产气效率和磷累积率，研究了污泥停留时间(SRT)对三级逆流发酵工艺产沼气和磷累积的影响，并使用了末端限制性片段长度多样性(T-RFLP)和变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术分析三级逆流工艺微生物群落结构作用机制，探讨了预曝气时间对鸟粪石法回收鸡粪发酵液中氮磷回收影响。本文的研究内容如下:
　　(1)与普通批式发酵工艺比较，采用三级逆流发酵工艺可显著提高产气效率和磷的累积。在相同的发酵周期条件下，采用三级逆流发酵工艺沼气和甲烷累积产率及正磷酸产率分别为的258 mL/g·VS，172 mL/g·VS和2.27mg/gTS，分别比普通批式工艺提高了42％、64％和54.6％。此外，采用三级逆流工艺可显著提高鸡粪的降解率，与普通批式工艺比较鸡粪的TS和VS降解率分别提高了24％和21.4％。
　　(2)比较不同SRT对鸡粪三级逆流发酵工艺产气效率和磷累积的影响。SRT为9d时鸡粪三级逆流厌氧发酵产气效果较好，沼气产率和甲烷产率分别达到的385 mL/gVS和258 mL/gVS。而SRT为9d和11d时，正磷酸盐浓度均可达到230mg/L左右，比SRT为5d时高。SRT为9d三级逆流工艺底物的TS和VS的降解率分别达到63％和68％，底物降解效果较好，对鸡粪污染物减量化处理有一定的意义。综合比较产气效率和磷累积浓度，在本文的后续研究中选择SRT为9d进行鸡粪厌氧发酵工艺。
　　(3)比较三级逆流厌氧发酵工艺分级产气效果以及发酵过程中发酵液性质变化，为此工艺的优化改进提供依据，结果表明:A1和A3级作为整个工艺反应产沼气、氮磷释放累积和降解率的关键，通过优化改进A1和A3反应参数来提高整个工艺的产气性能、氮磷累积浓度和减量化生产具有可行性，例如鸡粪的浓度、接种泥的性质、微量元素营养液的改进等。
　　(4)根据T-RFLP和DGGE结果得出，SRT=9d时，微生物群落种群结构较丰富，均匀度较好。而物种多样性丰富的体系其生态系统稳定性较好。产甲烷优势菌主要为Methanosaeta concilii strain，Methanoculleus marisnigri strain CoCam，Methanoculleus marisnigri strain JR1。各反应器中有始终存在的优势菌，也有减弱甚至消失或者强化的菌群，且各种优势菌属比例结构有所差别。
　　(5)研究不同预曝气时间对鸟粪石法回收鸡粪发酵液磷的实验，结果表明:经过预曝气处理的实验组与对照组的磷回收效果相当，均能达到98％左右。只是随着预曝气时间的延长，鸟粪石法磷回收的效率越高，但增长速率也有所减缓。根据SEM及XRD分析得出，随着预曝气时间的延长，鸟粪石的纯度越高，预曝气时间15 min时，鸟粪石纯度达到89.7％，比对照组纯度高8.3％;鸟粪石沉淀产量有1.34 g/L，比对照组高15.5％。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．1．1 我国鸡粪的现状

1．1．2 鸡粪的处理处置技术

1．1．3 鸡粪的能源化开发

1．2 鸡粪厌氧发酵产沼气研究进展

1．2．1 鸡粪厌氧发酵产沼气的影响因素

1．2．2 鸡粪厌氧发酵产沼气的原理

1．2．3 鸡粪厌氧发酵产沼气过程的抑制机理

1．3 鸡粪厌氧发酵液磷回收研究进展

1．3．1 厌氧发酵液磷回收的方法

1．3．2 鸟粪石法回收厌氧发酵液中磷的影响因素

1．4 论文的主要研究内容与技术路线

1．4．1 研究目的

1．4．2 主要研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 鸡粪三级逆流产沼气和累积氮磷工艺的构建

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．1．1 鸡粪原料及其特性

2．1．2 接种污泥的驯化

2．1．3 实验设计

2．2．2 普通批式厌氧发酵工艺

2．2．3 分析测定方法

2．2．4 分子态挥发性短链有机酸和游离态氨氮的计算

2．3 结果与讨论

2．3．1 三级逆流厌氧发酵工艺与普通批式工艺产气量比较

2．3．2 三级逆流发酵工艺和普通批式工艺氨氮和正磷酸盐产量比较

2．3．3 三级逆流工艺与普通批式工艺厌氧消化产气与氮磷累积特性比较

2．3．4 厌氧发酵过程分子态单酸和游离态氨氮的浓度变化

2．4 本章小结

第三章 SRT对三级逆流工艺产沼气和累积氮磷的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 鸡粪原料及其特性

3．2．2 接种污泥的驯化

3．2．3 实验设计

3．2．4 分析测定方法

3．2．5 分子态挥发性短链有机酸和游离态氨氮的计算

3．3 结果与讨论

3．3．1 SRT对鸡粪多级逆流工艺产气量的影响

3．3．2 SRT对鸡粪三级逆流工艺氨氮和正磷酸盐产量的影响

3．3．3 不同SRT条件下鸡粪三级逆流工艺厌氧消化产气与氮磷累积特性比较

3．3．4 三级逆流工艺分级沼气产率的比较

3．3．5 三级逆流工艺分级氮磷累积特性比较

3．3．6 三级逆流工艺分级厌氧消化产气与氮磷累积特性比较

3．3．7 三级逆流工艺分级氨氮和挥发性短链有机酸抑制机理分析

3．4 本章小结

第四章 三级逆流工艺微生物菌群结构分析

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 微生物分析测试方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 SRT对微生物菌群丰度的影响

4．3．2 SRT对微生物多样性指数的影响

4．3．3 SRT对产甲烷菌结构的影响

4．3．4 9d SRT条件下各级微生物菌群丰度和多样性指数比较

4．3．5 9d SRT条件下各级产甲烷菌群结构比较

4．3．6 9d SRT条件下各级优势微生物菌属比较

4．4 小结

第五章 预曝气时间对鸟粪石法回收氮磷的影响

5．1 研究背景

5．2 材料与方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验设计

5．2．3 分析测定方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 预曝气时间对磷回收效果的影响

5．3．2 预曝气时间对鸟粪石结晶过程pH的影响

5．3．3 结晶产物扫描电镜和XRD分析

5．3．6 预曝气时间对鸟粪石法回收鸡粪厌氧消化液磷效果的比较

5．4 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况