家畜粪便厌氧发酵制取沼气的影响因素及工艺特性研究

【摘要】：随着我国畜牧业的迅速发展，家畜粪便对生态环境的污染日益严重。如果不能妥善处置家畜粪便，会给大气、水体、土壤带来严重污染，并危及到人类自身健康。另一方面，我国以化石能源为主的能源结构受到了严峻的挑战，迫切需要开发新能源。而厌氧发酵家畜粪便制取沼气，在资源化利用家畜粪便的同时，得到可再生的清洁能源——沼气。本课题的研究内容即为家畜粪便厌氧发酵制取沼气的影响因素及工艺特性的研究。 根据文献调研和农场际条件，选择需要考察的厌氧发酵影响因素，并利用序批式实验和模拟半连续实验对影响因素（温度、有机负荷、原料种类）进行考察。设计厌氧折流反应器ABR、上流式厌氧污泥床UASB工艺，启动并调试运行反应器。变化反应器运行条件，考察沼气产率、甲烷含量、乙酸浓度、氨氮浓度等指标，选择最佳的运行条件。 本研究主要获得以下的研究成果： （1）与23℃反应温度相比较，35℃更适合家畜粪便为原料的厌氧发酵反应。在35℃条件下，能迅速繁殖出厌氧环境中所需要的不同微生物种群，生物活性较高，能产出甲烷含量较高的沼气。有机负荷为30gCOD/(L·d)时，35℃反应条件下沼气产量（5.8mL_(gas)/mL_(feed)）大于23℃沼气产量（0.9mL_(gas)/mL_(feed)）； （2）猪粪原料厌氧发酵优于牛粪原料。在35℃的序批式实验中，有机负荷为30gCOD/(L·d)条件下，猪粪原料的沼气产量（80mL/d）高于牛粪原料的沼气产量（43mL/d）。 （3）一定范围内，有机负荷越高，沼气产率越大。在半连续实验中，有机负荷为30gCOD/(L·d)、20gCOD/(L·d)、10gCOD/(L·d)时，沼气产率分别为80mL/d、69mL/d、30mL/d。 （4）有机负荷为52.2gCOD/(L·d)时，UASB反应器沼气产率最高达32.1gCODCH4/(L·d)。ABR反应器在有机负荷6.0gCOD/(L·d)条件下，沼气产率4.03gCODCH4/(L·d)。ABR反应器沼气产率波动较大，没有UASB沼气产率稳定。 （5）沼气中甲烷含量不受有机负荷和反应器类型影响。UASB反应器和ABR反应器的沼气甲烷含量均稳定在75%-80%的较高水平。 （6）UASB无回流反应器优于带回流反应器。接种颗粒物体积波动，影响反应器内微生物数量，从而影响厌氧发酵反应。UASB无回流反应器中颗粒物体积稳定（120mL-140mL），而ABR反应器(70mL-110mL)和UASB带回流反应器（80mL-130mL）颗粒物体积均有较大浮动波动。 （7）UASB在高负荷下COD去除率没有ABR反应器稳定。有机负荷为12.2gCOD/(L·d)时，UASB反应器COD去除率和ABR反应器基本相同（75%）。但是有机负荷增大之后，UASB反应器的COD去除率（40%-50%）低于ABR反应器。 【关键词】：家畜粪便 厌氧发酵 沼气 影响因素 工艺特性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S216.4;X713
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题背景11-13
• 1.1.1 我国家畜粪便污染现状11-12
• 1.1.2 我国家畜粪便资源化利用现状12-13
• 1.2 国内外厌氧发酵产沼气技术研究现状13-17
• 1.2.1 厌氧发酵技术研究现状14
• 1.2.2 产沼气反应器工艺研究现状14-17
• 1.3 厌氧发酵基本理论17-20
• 1.3.1 厌氧发酵基本原理17-18
• 1.3.2 厌氧发酵过程18-19
• 1.3.3 厌氧发酵影响因素19-20
• 1.4 课题研究的目的意义20-21
• 1.5 课题研究内容21-23
• 1.5.1 技术路线21-22
• 1.5.2 主要研究内容22-23
• 第2章 试验材料及方法23-40
• 2.1 试验材料23-25
• 2.1.1 原料来源23-24
• 2.1.2 接种物培养24-25
• 2.2 试验装置25-28
• 2.2.1 序批式与半连续反应器实验装置25
• 2.2.2 ABR 反应器装置25-27
• 2.2.3 UASB 反应器装置27-28
• 2.3 检测方法28-33
• 2.3.1 沼气组分测定29-30
• 2.3.2 氨氮浓度检测30
• 2.3.3 挥发性脂肪酸 VFA 检测30-31
• 2.3.4 pH 值检测31
• 2.3.5 化学需氧量 tCOD 与 sCOD 检测31-32
• 2.3.6 TS、VS 检测32
• 2.3.7 TSS、VSS 检测32-33
• 2.4 试验设计33-40
• 2.4.1 厌氧发酵影响因素实验设计33-35
• 2.4.2 ABR 反应工艺实验设计35-37
• 2.4.3 UASB 反应工艺实验设计37-40
• 第3章 厌氧发酵产沼气影响因素研究40-49
• 3.1 引言40
• 3.2 以猪粪为原料的厌氧发酵产沼气结果分析40-44
• 3.2.1 沼气产率结果分析40-41
• 3.2.2 沼气产量结果分析41
• 3.2.3 化学需氧量 COD 结果分析41-42
• 3.2.4 挥发性脂肪酸 VFA 结果分析42
• 3.2.5 沼气组分结果分析42-43
• 3.2.6 氨氮含量结果分析43-44
• 3.3 以牛粪为原料的厌氧发酵产沼气结果分析44-47
• 3.3.1 沼气产率结果分析44
• 3.3.2 沼气产量结果分析44-45
• 3.3.3 pH 结果分析45
• 3.3.4 挥发性脂肪酸 VFA 结果分析45-46
• 3.3.5 沼气组分结果分析46-47
• 3.4 温度对厌氧发酵反应的影响47
• 3.5 原料种类对厌氧发酵反应的影响47
• 3.6 有机负荷对厌氧发酵反应的影响47-48
• 3.7 本章小结48-49
• 第4章 厌氧折流板反应器 ABR 设计及工艺特性研究49-56
• 4.1 引言49
• 4.2 沼气产率结果分析49-50
• 4.3 沼气产量结果分析50
• 4.4 沼气中甲烷含量结果分析50-51
• 4.5 挥发性脂肪酸 VFA 结果分析51-52
• 4.6 氨氮含量结果分析52-53
• 4.7 化学需氧量 COD 去除率结果分析53-54
• 4.8 厌氧发酵系统中 pH 变化结果分析54
• 4.9 反应器中颗粒物体积变化结果分析54-55
• 4.10 本章小结55-56
• 第5章 上流式厌氧污泥床 UASB 设计及工艺特性研究56-63
• 5.1 引言56
• 5.2 沼气产率结果分析56-57
• 5.3 沼气产量结果分析57-58
• 5.4 沼气中甲烷含量结果分析58
• 5.5 挥发性脂肪酸 VFA 结果分析58-59
• 5.6 氨氮含量结果分析59-60
• 5.7 化学需氧量 COD 去除率结果分析60-61
• 5.8 厌氧发酵系统中 pH 变化结果分析61
• 5.9 反应器中颗粒物体积变化结果分析61-62
• 5.10 本章小结62-63
• 第6章 厌氧发酵家畜粪便制取沼气工艺讨论63-67
• 6.1 引言63
• 6.2 厌氧发酵微生物作用机理讨论63-64
• 6.3 ABR 和 UASB 反应器沼气产量比较64-65
• 6.4 ABR 和 UASB 反应器 COD 去除率比较65
• 6.5 ABR 和 UASB 反应器成本比较65-66
• 6.6 建议与展望66
• 6.7 本章小结66-67
• 结论67-69
• 参考文献69-75
• 致谢75

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