基于玉米秸秆为原料的特大型CSTR沼气工程启动与运行研究

摘要

环境污染和清洁能源危机已经成为限制我国经济快速发展的主要障碍之一，我国是农业大国，农作物类生物质资源丰富，据统计年产量约7.5亿吨，可收集并被厌氧转化为沼气的量约1.4亿吨左右，可产生生物天然气210亿m3，约占2017年全国天然气消耗量的9.1％。再加上养殖粪污、城市污泥、餐厨垃圾、工业有机废弃物等，可被利用并生产为沼气或生物天然气的资源量巨大。近十年来，中央投资400多亿人民币支持沼气工程建设，但许多沼气工程启动速度慢、原料利用率低等问题限制了该产业的快速发展。本文研究了以玉米秸秆为原料特大型CSTR-沼气工程的启动与运行。主要得到以下结论:
　　1．以沼液、牛粪和污泥为接种物，采用浓度梯度法和连续膨胀法，研究如何快速启动厌氧发酵系统。结果表明，在接种量为10gTS·L-1的条件下，浓度梯度法和连续膨胀法都可实现厌氧消化系统的启动，但浓度梯度法优于连续膨胀法，不仅可以避免酸化现象，而且更节省时间。采用沼液和牛粪为混合接种物优于单纯沼液、牛粪和污泥，在有机负荷为80gTS·L-1时，容积产气率比其他接种物启动的反应器提高4.5％-16.3％，而且系统稳定较强。
　　2．利用浓度梯度法启动特大型CSTR沼气工程。结果表明，该方式方式更适合特大型CSTR沼气工程的启动，启动过程厌氧消化系统较稳定且安全可靠，启动时接种物越多、启动越快。
　　3．对以玉米秸秆为原料，研究特大型CSTR沼气工程运行过程。结果表明，在月平均OLR为0.38-2.78KgTS·(m3·d)-1的条件下，厌氧发酵系统稳定性良好，月平均pH值在7.1-7.4范围之间、月平均甲烷含量在50.7％-55.6％范围之间，氨氮和碱度均在合理阈值范围内。对所有运行指标进行Spearman相关性分析得知，TS浓度和pH越高、甲烷含量越高;TS浓度越高氨氮越容易积累、同时碱度也越高、系统缓冲能力也越强。当OLR为2.78KgTS·(m3·d)-1、TS浓度为12％、HRT为43d时，厌氧发酵性能良好，此时发酵罐内pH为7.2、容积产气率为1.03m3·(m3·d)-1、甲烷含量为52.5％、单位TS产沼气率为411m3·t-1TS、单位TS产甲烷率为216m3·t-1TS。
　　4．对以玉米秸秆为原料，运行稳定的特大型CSTR沼气工程进行了微生物高通量测序。结果表明，门类水平的优势细菌分别为:绿弯菌门、厚壁菌门和拟杆菌门，优势古细菌为:广古菌门和泉古菌门。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 国内外沼气工程发展现状及分类

1．1．1 国外沼气工程发展现状

1．1．2 国内沼气工程发展现状

1．1．3 沼气工程分类

1．2 沼气工程启动概述

1．2．1 沼气工程的启动方式

1．2．2 沼气工程启动的影响因素

1．3 大中型沼气工程运行现状

1．3．1 大中型沼气工程的运行方式

1．3．2 大中型沼气工程运行的影响因素

1．4 沼气发酵微生物研究进展

1．4．1 沼气发酵微生物研究进展

1．4．2 沼气发酵程优势菌群分析

1．5 本课题的研究内容、目的和意义

1．5．1 本课题的研究目的与意义

1．5．2 本课题的研究内容与路线

第二章 厌氧发酵启动方式与参数优化

2．1 实验材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验装置

2．1．3 实验方法

2．1．4 分析方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 pH值变化

2．2．2 日产气量变化

2．2．3 甲烷含量变化

2．2．4 容积产气率

2．2．5 氨氮含量变化

2．2．6 碱度含量变化

2．3 本章小结

第三章 特大型CSTR沼气工程浓度梯度法启动过程研究

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验装置

3．1．3 实验方法

3．1．4 分析方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 pH值变化

3．2．2 容积产气率

3．2．3 甲烷含量变化

3．2．4 氨氮含量变化

3．2．5 碱度含量变化

3．3 本章小结

第四章 特大型CSTR沼气工程运行过程研究

4．1 材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验装置

4．2．1 工艺流程

4．2．2 进料负荷

4．3 结果与讨论

4．3．1 产气能力分析

4．3．2 发酵系统稳定性分析

4．3．3 发酵系统相关性分析

4．3．4 工艺参数优化筛选

4．4 本章小结

第五章 特大型CSTR沼气工程的微生物群落多样性与结构分析

5．1 实验方法

5．2 细菌群落分析

5．2．1 细菌群落多样性与丰度分析

5．2．2 细菌群落结构分析

5．3 古细菌群落分析

5．3．1 古细菌群落多样性与丰度分析

5．3．2 古细菌群落结构分析

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

致谢

作者和导师介绍