温度和pH值调控对厌氧发酵产甲烷影响的研究

【摘要】：能源是人类和经济社会发展的重要物质基础。传统石化能源的持续消费给环境带来很大的负面效应。面对储量有限的传统能源和日益严峻的环境问题,开发利用可再生能源,提升厌氧发酵效率已经成为了当前厌氧发酵的热点问题。随着全球集约化畜牧业如火如荼的发展,以农业废弃物为原料的能源发展潜力不可忽视。本研究以常见农业固体废弃物为主要研究对象,首先,确定常见秸秆和牲畜粪便在厌氧发酵中的最佳温度和初始pH值区间,根据各发酵原料的特性进行组合,对不同温度及初始pH值下混合厌氧消化进行优化,得到高效厌氧消化的最佳温度、初始pH值及混合配比;其次,通过混合发酵过程中降温和pH值调控对发酵过程中不同时段监测指标的主成分分析,探究各指标对甲烷产量的影响;最后,为进一步提高混合发酵的效率,降低发酵投入,得到最佳发酵降温幅度和pH值调控条件。研究结论如下:1.不同温度下各有机物厌氧发酵效率具有显著差异。提高发酵并不意味着缩短发酵时间。常规农业废弃物中,牛粪的最适发酵温度区间偏高,更适宜高温(55℃)发酵;猪粪的最适发酵温度区间适中,更适宜中温(35℃)发酵;玉米秸秆的发酵启动速度较快,水稻秸秆的产甲烷潜力较大。同一温度下,在固定的发酵时间内,物料的种类和配比影响发酵停滞期长短,从而引起总产气量差异。在混合发酵过程中,猪粪/玉米秸秆混合发酵适宜中温(35℃)厌氧发酵,而牛粪/玉米秸秆混合发酵适宜高温(55℃)发酵。当发酵进入到产甲烷阶段时,两种混合原料各配比的产甲烷速率没有显著性差异。2.初始pH值会显著影响厌氧发酵的启动时间和产气高峰持续时间及峰值,受影响的程度依据原料性质各异。试验表明牛粪厌氧发酵过程中pH值回升速度较快,VFA/碱度比值不高于0.4且保持稳定。这表明以牛粪为原料的发酵基质缓冲性能较好,发酵系统更为稳定。3.发酵前期与累积甲烷产量正相关性最高的是温度,负相关性最高的是C/N比。发酵中期粪便含量与pH值的回升能力呈正比。发酵后期粪便含量与氨态氮积累量呈正相关。与高温(55℃)相比,中温(35℃)更适于产甲烷阶段的进行,且氨态氮累积量与发酵原料C/N有密切的关系。根据主成分分析综合模型评分显示:55℃牛粪70:30-8.0、35℃牛粪70:30-8.0、55℃牛粪70:30-7.5;35℃猪粪70:30-8.0、35猪粪70:30-7.5、55℃猪粪70:30-8.0处理分别为各原料评分排名前三的处理。根据粪便/秸秆三因素相关性回归方程模型,得到猪粪/玉米秸秆在35℃,粪便含量为47.98%,初始pH值为8.0时,预计单位甲烷产量可达到最大,最大值为193.74 m L/g VS;牛粪/玉米秸秆在55℃条件下,粪便含量为56.85%,初始pH值为7.5时,可得到最大单位甲烷产量205.11 mL/g VS。4.降温效果受到了发酵底物特性的影响。降温对发酵过程的促进/抑制作用并不是随着粪便含量的增加而增强,在一定的粪便/秸秆范围内,降温的促进/抑制作用才会到达最大。高温(55℃)厌氧发酵过程中在合适的范围内进行降温处理,可以有效降低消化底物中氨态氮的浓度。试验表明,降温对猪粪/玉米秸秆厌氧发酵各处理起到了促进作用。在一定范围内的降温可以有效提升猪粪/玉米秸秆发酵产气峰的数量和持续时间,提高发酵过程中pH值的回升能力,提升累积甲烷产量;牛粪/玉米秸秆发酵则对降温表现较为敏感,不利于pH值的稳定性。5.发酵基质的性质决定了基质对pH值调控的敏感度。通过在合理范围内调节发酵基质的pH值,可有效缩短发酵停滞期和发酵周期,提高甲烷产气效率,降低能源消耗,合理利用资源。当发酵基质的C/N比较高时,pH值调控有效抑制氨态氮浓度升高趋势;随着C/N比的降低,pH值对氨态氮浓度的有效影响范围则明显缩小。偏碱性的发酵基质是提升甲烷产率、获得较高甲烷产量的调控方法之一。6.降温和pH值调控均会显著影响累积甲烷产量。在提高产甲烷效率、保证发酵顺利进行和降低发酵能耗消耗的前提下,偏碱性和小幅度降温调控是最佳的选择。优化试验表明,调控pH值7.65,高温(55℃)厌氧发酵温度降幅为9℃条件下得到最大单位甲烷产量279.40 m L/g VS。并且制定了牛粪/玉米秸秆混合发酵降温和pH值调控工艺操作规范,为实际化生产提供参考依据。

【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S216.4