贮存浓缩厌氧污泥产甲烷活性恢复机制研究

发布时间：2020-07-16 08:12

【摘要】：厌氧消化作为我国利用农业废弃物生产生物质能源的有效方法,其产业化推进过程中面临着许多问题,厌氧反应器快速启动便是其中之一。启动反应器所需的接种物可以从正在运行的厌氧反应器中获取,但是该方式具有较强的时空限制,需要附近有正在运行的厌氧反应器并且厌氧污泥量充足,否则,从其他地方运输污泥会大幅增加厌氧发酵启动的成本,阻碍产业化进程。若采用动物粪便、废水沉积污泥培养驯化得到种泥则耗时较长,效率不高。因此,贮存浓缩厌氧污泥作为种泥快速启动厌氧发酵反应器的可行性研究具有实际意义。首先,本论文研究了原始污泥在不同有机负荷下厌氧发酵产甲烷活性。结果表明,甘薯藤单发酵时最大的甲烷产量和容积产气率分别出现在湿发酵和固态发酵中,分别是200.22mL/g VSadded 和12.20L甲烷/L工作体积。与单发酵相比,不同有机负荷下SPV与畜禽粪便共发酵的甲烷产量和容积产气率提升了 14.34%-49.11%。共发酵优势在半固态发酵和固态发酵中表现明显。当VFA/TA和pH值都在可接受范围以内时,游离氨含量达到380 mg/kg可以作为判断体系稳定性下降的指标。用修正后的一阶动力学模型来评价底物的生物降解能力和产甲烷潜力得到了较好的效果,R2值在0.9715-0.9966之间,水解速率常数(k值)在0.0003到0.0953 1/d范围内。SPV与畜禽粪便的共发酵提高了k值,当k值小于0.01 1/d时观察到明显的甲烷产量降低。湿发酵、半固态发酵、固态发酵下各处理古菌群落在属水平上的相对丰度较高的菌群是Methanosaeta和Methanosarcina,并且生长代谢对氨氮浓度的变化较为敏感。其次,本论文研究了贮存浓缩厌氧污泥批式厌氧发酵的活性恢复效果。结果表明,批试实验第一阶段贮存浓缩污泥的活性有所损失,与接种原始污泥的反应器发酵效果相比,产甲烷活性达到原始污泥活性的79.93%-90.39%;第二阶段的累积甲烷产量比原始污泥增加了 1.11%-29.97%;第三阶段的累积甲烷产量比原始污泥增加了 3.33%-30.43%。经过三个阶段的活化过程,各处理的最高日甲烷产量的出现时间提前;第二阶段的各处理最高日甲烷产量高于第一阶段,而第三阶段的最高日甲烷产量高于第一阶段,大部分处理略低于第二阶段。从体系稳定性来看,三个阶段批试发酵体系运行稳定性逐渐提高。并且,在粪便中加入甘薯藤大体上可以提高系统的稳定性。经过一个阶段的批式反应之后,贮存浓缩厌氧污泥的活性可以得到大部分恢复,实现快速的启动。贮存浓缩污泥厌氧发酵三个阶段下各处理的优势菌群均为Methanosaeta,在各个反应器内乙酸产甲烷途径占主体。再次,本研究开展了贮存浓缩污泥和贮存原始污泥在不同有机负荷率下连续厌氧发酵活性恢复效果。启动过程中,接种了贮存原始污泥的反应器的产气量高于接种了贮存浓缩污泥的反应器,累积甲烷产量低于接种了贮存原始污泥的反应器。不同负荷启动的贮存浓缩污泥和贮存原始污泥反应器均可以正常运行并且适应一定运行负荷的改变,没有出现反应器VFA积累、氨抑制、体系不稳定造成的反应器运行失败的现象。从反应器三个阶段产气情况看,10 g VS/L和20 g VS/L负荷启动的反应器表现优于5 g VS/L的反应器。无论接种了贮存浓缩污泥和贮存原始污泥,以5 g VS/L启动的反应器产甲烷较低且波动较大,对于负荷改变的适应能力相对较差。属水平下,浓缩污泥样品中的古菌优势菌群是Methanosarcina,而原始贮存污泥样品中古菌优势菌群是Methanosaeta。其他各处理中的优势菌群均是Methanosaeta。在门水平下不同反应器的细菌分布以Firmicutes和Bacteroidetes为主。目水平下不同反应器的细菌中,Clostridiales Bacteroidales是两大优势菌群。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

压力计,厌氧发酵

含有的有机物完全降解。接种物和底物性质见各章节。逡逑２．２厌氧发酵实验装置逡逑厌氧发酵批式反应采用１邋Ｌ的玻璃瓶，用压力计（如图２－１所示）测量压力后换逡逑算成产气体积；连续反应采用５００邋ｍＬ的玻璃瓶，通过顶部橡胶管连接集气袋收集厌逡逑氧发酵过程中产生的气体（如图２－２所示）。为保证厌氧发酵的恒定中温条件，批式逡逑反应器置于３７邋°Ｃ的恒温培养箱中，连续反应的反应器置于３７邋°Ｃ恒温摇床中。逡逑１邋0逡逑Ｉ邋ｉｌ－Ｓｌ逡逑■逡逑图２－１压力计逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｇａｕｇｅ逡逑９逡逑

示意图,连续反应器

图２－２连续反应器示意逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋ｄｉｇｅｓｔｏｒ逡逑如图２－２是连续搅拌反应器示意图，５００邋ｍＬ的Ｄｕｒａｎ玻璃瓶作为反应器，顶部橡逡逑胶塞和蓝盖部分经过自行加工，每天进料完毕后，瓶口用连接了硬塑料管和硅胶橡胶逡逑管的橡胶塞塞紧，并拧紧打了孔的蓝盖。将２号导管处连接的集气袋撤下，从一号导逡逑管连接高纯氮气进行５分钟的吹扫，多余气体从２号导管排出。吹扫完毕后，用止水逡逑夹夹紧１号导管，并在２号导管处连接集气袋，打开集气袋阀门，将反应器置于３７邋°Ｃ逡逑恒温摇床中。逡逑２．３分析项目及方法逡逑实验所测指标有总固体含量（ＴＳ）、挥发性固体含量（ＶＳ）、ｐＨ、氨氮（ＮＨ３－Ｎ）、逡逑总碱度（ＴＡ）、挥发性脂肪酸（ＶＦＡ）、化学需氧量（ＣＯＤ）、元素成分、沼气产逡逑量、甲烷含量等，具体方法如下：逡逑（１）逦ＴＳ、ＶＳ：将称重之后的样品放入１０５邋°Ｃ的烘箱中２４小时，恒重后移入干逡逑燥器中冷却之后称重，采用差重法计算ＴＳ含量；将称重后的样品移入马弗炉内，于逡逑５５０邋Ｃ灼烧４个小时后

沼气,甲烷产量,半固态,固态发酵

３．３．３累积甲烷产量和产气率的比较逡逑图３－２展示了各处理在湿发酵、半固态发酵和固态发酵时的累积甲烷产量的比较。逡逑湿发酵、半固态发酵和固态发酵状态下，９０％的甲烷产量分别在２８、３５、３７天获得。逡逑ＳＰＶ在半固态发酵和单发酵条件下，于前两周发现了明显的发酵抑制，累积甲烷产量逡逑只占湿发酵累积甲烷产量的７７．７７％和６７．６８％。在湿发酵和半固态发酵中，猪粪单发逡逑酵取得了最高累计甲烷产量２６１．８８和２５８．０２邋ｎｉＬ／ｇ邋ＶＳ；固态发酵中，ＳＰＶ＋ＤＭ处理逡逑累积产甲烷量最高，为２０２．０６邋ｍＬ／ｇＶＳ。如图３－２邋（ｄ）所示，有机负荷的提高降低了逡逑原料利用率，各个处理的累积甲烷产量分别减少了邋１．１７％－邋５５．３４％，尤其单发酵受影逡逑响更为明显。共发酵提升了每单位底物的甲烷产量，ＳＰＶ＋ＤＭ处理最为明显。和甘薯逡逑１８逡逑

【参考文献】