混合原料批次恒溫厭氧發(fā)酵動力學過程研究.pdf

1、隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，人畜糞便、秸稈、果蔬廢棄物、生活污水等生產(chǎn)、生活廢棄物嚴重污染了當?shù)丨h(huán)境，它們的無害化處理已經(jīng)成為城鎮(zhèn)化發(fā)展亟需解決的關鍵問題之一。混合原料批次恒溫厭氧發(fā)酵技術作為解決以上問題的有效手段，是一種混合有機廢棄物高效低成本循環(huán)利用的方法，它可廣泛應用于戶用沼氣工程、垃圾填埋場沼氣發(fā)電工程和干式厭氧發(fā)酵發(fā)電工程等場合。
　　對這種技術的研究，關鍵在于分析其發(fā)酵動力學過程，即在批次進料和恒溫的

2、條件下，研究厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)甲烷動力學過程、酸堿平衡動力學過程、基質降解動力學過程、微生物增長動力學過程以及其它氣體和有害物質生成動力學過程等。研究思路是，建立混合原料批次恒溫厭氧發(fā)酵數(shù)學模型，并通過一定數(shù)量的實驗確定模型需要的參數(shù)，即厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)甲烷量、產(chǎn)甲烷速率、pH值變化、其它氣體和有害氣體產(chǎn)量等，修正模型并結合模擬結果和實驗結果，對混合原料批次恒溫厭氧發(fā)酵過程動力學做研究。
　　本課題以常見的生產(chǎn)生活廢棄物為實驗材

3、料，從溫度、TS、混合比等方面對其厭氧發(fā)酵動力學過程進行實驗研究和模擬分析，得到以下結果:
　　1.單一牛糞批次恒溫厭氧發(fā)酵時，首先分析溫度對發(fā)酵過程的影響，37℃發(fā)酵組沼氣產(chǎn)量最高，分別為0.21、0.31、0.33和0.36 m3/kg TS，其原因是37℃既處于產(chǎn)甲烷菌高活性溫度，也在產(chǎn)氫菌高活性區(qū)間，兩者的協(xié)同作用加快了有機質降解轉化為甲烷的速率;
　　2.分析溫度對牛糞與玉米秸稈、蓮花菜混合發(fā)酵實驗的影響，在TS為

4、8％條件時高溫發(fā)酵具有啟動快，發(fā)酵周期短等優(yōu)點，但與37℃發(fā)酵相比能耗大，管理復雜，運行成本高，相比較而言，批次發(fā)酵中采用37℃發(fā)酵較好;
　　3.通過畜禽糞便與蓮花菜混合發(fā)酵實驗，對比分析混合比對牛糞、豬糞和羊糞與蓮花菜混合發(fā)酵批次恒溫厭氧發(fā)酵的啟動時間、甲烷平均含量和平均甲烷產(chǎn)率的影響。豬糞與蓮花菜混合比為7∶3時的平均甲烷產(chǎn)率比牛糞和羊糞的最優(yōu)混合比平均甲烷產(chǎn)率分別高43.01％和10.51％，是畜禽糞便與蓮花菜的最優(yōu)混合比

5、;
　　4.玉米秸稈、麥稈分別與蓮花菜混合發(fā)酵最優(yōu)混合比均是7∶3，稻草與蓮花菜混合比為9∶1和7∶3時較好。但三種原料分別與蓮花菜混合發(fā)酵時，啟動時間很長，應加大接種量，減少酸化時間，快速進入產(chǎn)甲烷階段;餐廚垃圾由于高油高鹽的特性，與蓮花菜不論混合比如何，正常產(chǎn)氣和達到產(chǎn)氣高峰的時間均較長，并且發(fā)酵容易失敗，在第12天投加了100ml、pH為7.48的沼液后，發(fā)酵才持續(xù)進行，這說明牛肉面為主的餐廚垃圾不適合與蓮花菜混合發(fā)酵。

6、r>　　5.以ADM1模型為基礎，用Excel-matlab建立TS為8％的牛糞37℃厭氧發(fā)酵模型和TS為8％混合比為1∶1的牛糞蓮花菜37℃厭氧發(fā)酵模型。純牛糞模型與實測值對比可以很好的預測TS為8％的37℃牛糞批次厭氧發(fā)酵甲烷累積產(chǎn)量，二氧化碳累積產(chǎn)量、沼氣累積產(chǎn)量，發(fā)酵時間越長，預測值與實測值越接近;該模型在預測發(fā)酵過程時，包含大多數(shù)厭氧發(fā)酵方程，并且包含大多數(shù)厭氧發(fā)酵參數(shù)，這樣可以省去一些發(fā)酵過程的實際測試，避免了由于發(fā)酵過程引

7、入測試儀器而受影響，又不影響對其發(fā)酵動力學過程的了解。牛糞與蓮花菜混合發(fā)酵模型可以較準確的預測20天內(nèi)的累積產(chǎn)氣量，20天后相差較大。
　　本文的創(chuàng)新點:
　　(1)本文以常見生產(chǎn)、生活有機廢棄物為原料，研究不同溫度、TS、混合比條件下混合原料批次恒溫厭氧發(fā)酵過程動力學過程，為進一步提高發(fā)酵效率提供了技術依據(jù)。由于實驗工作量大，實驗結果不僅能提供本課題需要數(shù)據(jù)，也可以作為較為準確的實驗數(shù)據(jù)庫供國內(nèi)外學者和相關行業(yè)工作人員使用