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《中国石油大学(北京)》 2016年
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高浓度鸡粪厌氧发酵产甲烷的氨抑制研究

聂红  
【摘要】:伴随着现代畜禽标准化规模养殖的推广与普及,粪污的规范化处理已成为畜禽养殖场可持续发展所无法回避的问题之一。近年来,厌氧发酵产沼气技术因既能降解有机废弃物,又能生产可再生沼气缓解能源需求压力,在世界范围内受到普遍关注。但鸡粪厌氧发酵中易出现氨抑制进而引起沼气产率下降,导致该技术在鸡粪中的推广受到限制。氨抑制现象在富含有机氮的底物的厌氧发酵中普遍存在。因此,本论文仅以鸡粪作为研究对象,采用批式和连续中温厌氧发酵的形式,对不同进料总固体(Total Solids,TS)浓度和有机负荷的厌氧发酵开展实验,研究鸡粪厌氧发酵过程中游离氨的生成和累积规律以及其对产甲烷过程的影响,探索以鸡粪作为单一底物进行高浓度厌氧发酵的可行性,并采用修正的Gompertz方程和Cone方程对底物降解动力学进行分析。最后将减压汽提除氨后的沼液回流至发酵罐用以调节发酵液的总氨氮(Total Ammonia Nitrogen,TAN)浓度,减少系统耗水量及实现沼液零排放,同时对有机负荷率(Organic Loading Rate,OLR)介于5.3~6.0 gVS/(L d)、TAN浓度介于4.00~8.00 g/L的鸡粪连续厌氧发酵实验开展长周期稳定性监测。以上研究取得的成果主要包括:(1)15 L发酵罐中,当进料TS浓度为15%、OLR为4.0 gVS/(L d)时,鸡粪发酵依然能够在不出现氨抑制的情况下稳定运行,此时发酵液的游离氨氮(Free Ammonia Nitrogen,FAN)平均浓度为0.17 g/L,甲烷产率为经生化产甲烷能力测定试验得到的理论甲烷产率的82%,系统的水解酸化能力优于进料TS浓度为10%的发酵系统。(2)发酵罐容积为1 L的批式鸡粪干发酵实验中,基于修正的Gompertz方程和Cone方程分析,随着进料TS浓度(分别为20%、25%、30%和35%)的增加,底物的降解速率逐渐下降。累积甲烷产率随进料TS浓度的增加而逐渐下降。进料TS浓度为20%的干发酵已出现氨抑制,40天的厌氧发酵结束后,累积甲烷产率为理论产率的54%,发酵液的FAN浓度为0.66 g/L,挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA)浓度为5.85 g/L。为区分游离氨和传质对鸡粪厌氧干发酵产甲烷的抑制,本研究在15 L发酵罐中对初始TS浓度为20%的鸡粪厌氧发酵实验分别实施了不同时间的搅拌操作。研究发现,自第8天起启动搅拌操作的厌氧发酵,自搅拌操作后沼气产量增加明显,但2天后出现严重发泡现象,29天后的累积甲烷产率为理论甲烷产率的65%,发酵液的FAN浓度为0.76 g/L,VFA浓度为7.94 g/L;自第24天起启动搅拌操作的厌氧发酵,累积甲烷产率为理论产率的70%,发酵液的FAN浓度为0.60 g/L,VFA浓度为4.93 g/L。研究发现,随着进料TS浓度的增加,抑制产甲烷的因素从氨抑制逐渐向传质抑制过渡,二者的临界点可认为是TS=30%。(3)收集发酵罐每日排出的沼液沼渣,对其上清液进行减压汽提除氨处理,通过调节汽提操作参数可有控制地调节进入发酵罐的回流液的TAN浓度,进而将发酵液的TAN浓度在不添加化学试剂的前提下稳定地控制在一定范围。15 L发酵罐、进料TS浓度为15%的鸡粪厌氧发酵系统中,当OLR为5.3 gVS/(L d)、发酵液的FAN平均浓度为0.77 g/L时,甲烷产率稳定在0.39 L/gVS。当OLR增加到6.0 gVS/(L d)、发酵液的FAN平均浓度为0.86 g/L时,甲烷产率可稳定在0.27 L/gVS。研究得出,以鸡粪为单一底物的高浓度厌氧发酵,可在轻微氨抑制条件下稳定运行,而且有控制地将沼液循环至发酵罐,在沼气工程中,既能缓解氨抑制,又能实现沼液零排放。本研究得出的氨抑制阈值浓度与部分文献报道类似,约0.60 g/L(FAN浓度)。
【学位授予单位】:中国石油大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S216.4

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