混合原料批次恒温厌氧发酵动力学过程研究

发布时间：2020-11-11 15:35

　　 随着我国城镇化的快速发展和人民生活水平的提高,人畜粪便、秸秆、果蔬废弃物、生活污水等生产、生活废弃物严重污染了当地环境,它们的无害化处理已经成为城镇化发展亟需解决的关键问题之一。混合原料批次恒温厌氧发酵技术作为解决以上问题的有效手段,是一种混合有机废弃物高效低成本循环利用的方法,它可广泛应用于户用沼气工程、垃圾填埋场沼气发电工程和干式厌氧发酵发电工程等场合。 对这种技术的研究,关键在于分析其发酵动力学过程,即在批次进料和恒温的条件下,研究厌氧发酵过程中的产甲烷动力学过程、酸碱平衡动力学过程、基质降解动力学过程、微生物增长动力学过程以及其它气体和有害物质生成动力学过程等。研究思路是,建立混合原料批次恒温厌氧发酵数学模型,并通过一定数量的实验确定模型需要的参数,即厌氧发酵过程中的产甲烷量、产甲烷速率、pH值变化、其它气体和有害气体产量等,修正模型并结合模拟结果和实验结果,对混合原料批次恒温厌氧发酵过程动力学做研究。 本课题以常见的生产生活废弃物为实验材料,从温度、TS、混合比等方面对其厌氧发酵动力学过程进行实验研究和模拟分析,得到以下结果： 1.单一牛粪批次恒温厌氧发酵时,首先分析温度对发酵过程的影响,37℃发酵组沼气产量最高,分别为0.21、0.31、0.33和0.36m3/kgTS,其原因是37℃既处于产甲烷菌高活性温度,也在产氢菌高活性区间,两者的协同作用加快了有机质降解转化为甲烷的速率； 2.分析温度对牛粪与玉米秸秆、莲花菜混合发酵实验的影响,在TS为8%条件时高温发酵具有启动快,发酵周期短等优点,但与37℃发酵相比能耗大,管理复杂,运行成本高,相比较而言,批次发酵中采用37℃发酵较好； 3.通过畜禽粪便与莲花菜混合发酵实验,对比分析混合比对牛粪、猪粪和羊粪与莲花菜混合发酵批次恒温厌氧发酵的启动时间、甲烷平均含量和平均甲烷产率的影响。猪粪与莲花菜混合比为7：3时的平均甲烷产率比牛粪和羊粪的最优混合比平均甲烷产率分别高43.01%和10.51%,是畜禽粪便与莲花菜的最优混合比； 4.玉米秸秆、麦秆分别与莲花菜混合发酵最优混合比均是7：3,稻草与莲花菜混合比为9：1和7：3时较好。但三种原料分别与莲花菜混合发酵时,启动时间很长,应加大接种量,减少酸化时间,快速进入产甲烷阶段；餐厨垃圾由于高油高盐的特性,与莲花菜不论混合比如何,正常产气和达到产气高峰的时间均较长,并且发酵容易失败,在第12天投加了100m1、pH为7.48的沼液后,发酵才持续进行,这说明牛肉面为主的餐厨垃圾不适合与莲花菜混合发酵。 5.以ADM1模型为基础,用Excel-matlab建立TS为8%的牛粪37℃厌氧发酵模型和TS为8%混合比为1：1的牛粪莲花菜37℃厌氧发酵模型。纯牛粪模型与实测值对比可以很好的预测TS为8%的37℃牛粪批次厌氧发酵甲烷累积产量,二氧化碳累积产量、沼气累积产量,发酵时间越长,预测值与实测值越接近;该模型在预测发酵过程时,包含大多数厌氧发酵方程,并且包含大多数厌氧发酵参数,这样可以省去一些发酵过程的实际测试,避免了由于发酵过程引入测试仪器而受影响,又不影响对其发酵动力学过程的了解。牛粪与莲花菜混合发酵模型可以较准确的预测20天内的累积产气量,20天后相差较大。 本文的创新点： (1)本文以常见生产、生活有机废弃物为原料,研究不同温度、TS、混合比条件下混合原料批次恒温厌氧发酵过程动力学过程,为进一步提高发酵效率提供了技术依据。由于实验工作量大,实验结果不仅能提供本课题需要数据,也可以作为较为准确的实验数据库供国内外学者和相关行业工作人员使用。 (2)本文首次全面的研究了果蔬废弃物与不同的畜禽粪便、秸秆、餐厨垃圾在不同的混合比、发酵温度、固体浓度、pH、碱度等条件下对产甲烷性的能影响,提出了发酵工艺参数,并通过数学模型,构建了牛粪与莲花菜混合发酵ADM1模型,定量分析了其发酵动力学过程,弥补了依靠实验结果只能定性分析发酵动力学过程的不足。 本课题研究得到了国家863计划课题(2014AA052801)、国家科技支撑计划课题(2011BAD15B03)、国家自然科学基金(51366009)、甘肃省杰出青年科学基金项目(2012GS05601)、甘肃省建设科技攻关项目(JK2010-29)、甘肃省教育厅项目(0803-06)、兰州理工大学“红柳杰出人才计划”(Q201101)的资助。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TQ920.1;S216.4
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 背景
        1.1.1 发展可再生能源的迫切性
        1.1.2 我国农村能源消费现状
        1.1.3 混合原料厌氧发酵意义
    1.2 厌氧生物技术
        1.2.1 生物化学过程
        1.2.2 物理化学过程
    1.3 AD动力学模型研究进展
        1.3.1 AD模型发展回顾
        1.3.2 ADM1模型研究进展
        1.3.3 混合原料厌氧发酵动力学研究现状
    1.4 国内外研究现状总结及对本文的启示
    1.5 本文研究的目标、内容和意义
        1.5.1 研究目标
        1.5.2 研究内容
        1.5.3 研究意义
第2章 温度与TS对恒温厌氧发酵产气性能研究
    2.1 实验参数选择
        2.1.1 温度选择
        2.1.2 TS的选择
    2.2 实验装置
    2.3 材料与方法
        2.3.1 实验原料与理化性质
        2.3.2 测量指标与测定方法
    2.4 结果与分析
        2.4.1 单一牛粪恒温厌氧发酵
        2.4.2 温度对混合原料批次厌氧发酵的影响
    2.5 小结
第3章 混合比对原料厌氧发酵产气性能的影响
    3.1 材料和方法
        3.1.1 双原料配比方案确定
        3.1.2 实验装置
        3.1.3 材料与方法
    3.2 结果与分析
        3.2.1 牛粪与莲花菜不同配比实验
        3.2.2 猪粪与莲花菜不同配比实验
        3.2.3 羊粪与莲花菜不同配比实验
        3.2.4 畜禽粪便与莲花菜混合发酵实验对比分析
        3.2.5 污泥与莲花菜不同配比实验
        3.2.6 秸秆与莲花菜不同配比实验
        3.2.7 餐厨垃圾与莲花菜不同实验
    3.3 小结
第4章 动力学过程研究
    4.1 ADM1模型简介
        4.1.1 模型的结构
        4.1.2 模型参数和变量
        4.1.3 模型方程
        4.1.4 常微分方程解决方案
    4.2 建模
        4.2.1 excel-matlab框架模型
        4.2.2 excel文件中变量、过程和参数的定义
        4.2.3 matlab程序
    4.3 ADM1模型验证
        4.3.1 质量平衡
        4.3.2 酸碱平衡
    4.4 参数估计
    4.5 建模误差和相关数据统计
    4.6 参数估计结果
    4.7 模拟与分析
        4.7.1 TS为8%时牛粪厌氧发酵模拟结果分析
        4.7.2 牛粪与莲花菜混合比1：1厌氧发酵模拟结果分析
第5章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 本课题的创新点
    5.3 尚待解决的问题
    5.4 展望
参考文献
致谢
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
附录B 攻读学位期间申请的科创基金情况
附录C 攻读学位期间的获奖情况与个人简介
附录D 模型方程
附录E 组分的生化速率系数和动力学速率方程
附录F 建模程序

【参考文献】

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本文编号：2879386