沼气搅拌式固定床的工艺及其生物膜特性

发布时间：2020-05-12 17:00

【摘要】：针对目前奶牛场牛粪产量巨大、处理效率低及沼气发酵产气率低等问题。研发新的搅拌式固定床沼气发酵工艺,阐明以牛粪为原料的搅拌式固定床工艺高产沼气的运行机制,有效的提高牛粪的资源化利用程度。以牛粪为沼气发酵原料,研究料液浓度(TS)、温度、碳氮比(C/N)、搅拌转速、pH值和水利停留时间(HRT)对甲烷生成的影响。利用响应面-满意度函数结合的方法得出最终优化方案是：TS8%, HRT10d,温度39℃,C/N 25：1。在优化条件的基础上,对固定床生物膜不同参数测定与产气量分析可知,生物膜在发酵过程中第一个HRT 10d为不断累积的过程,生物膜不稳定,在第二个HRT 15d相对稳定。利用16S rRNA基因克隆技术研究固定床的生物膜及发酵料液中微生物多样性及动态变化,结果表明,细菌优势类群有：Pseudomonas (26%-18%)、Clostridium (21%-13%)和Bacteroidetes (16%-12%)及未培养细菌(31%-25%)。Pseudomonadaceae在发酵料液中第一个HRT逐渐变小。在生物膜整个发酵过程中菌群稳定。Clostridium在生物膜中第一个HRT逐渐变小,在发酵料液中整个发酵体系中稳定。Bacteroides在发酵料液和生物膜中第一个HRT逐渐增加。细菌优势菌群在第二个HRT中稳定。各个时期发酵料液和生物膜中古菌包括有甲烷粒菌(Methanocorpusculum)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina)、甲烷袋状菌(Methanoculleus)、甲烷鬃菌(Methanosaeta)、甲烷盘菌(Methanoplanus)、产甲烷菌(Methanobacterium)、亚硝化暖菌(Nitrosocaldus)及未培养古菌。其在生物膜和发酵料液中菌群多样性也存在差异。运用冗余分析(RDA)研究不同发酵时间生物膜中细菌和古菌菌群结构与生物膜特性及甲烷产率的相关性。生物膜中细菌菌群变化与化学需氧量(COD)、生物膜含水率及胞外聚合物(EPS)的相关性较大。生物膜中古菌菌群变化与EPS、COD及总有机碳的相关性较大。生物膜COD对甲烷产率的影响最大。RDA二维排序图显示,生物膜中细菌和古菌菌群随着发酵的不断进行而演替变化,在第二个HRT菌群结构变化相对稳定。本试验针对搅拌式固定床运行工艺及生物膜的高效运行机理解析,该工艺可提高甲烷产率,并在第一个HRT中载体生物膜不稳定,在第二个HRT相对稳定,生物膜基本形成。
【图文】：

产率,响应图,等高线,曲面

图２．６邋ＴＳ甲q<产率的等高线和曲面响应图。Ｃ／Ｎ为３０：１和温度为３５＂Ｃ时，逡逑ＴＳ与ＨＲＴ对ＴＳ甲q<产率的影响（ａ）；邋ＨＲＴ为１６ｄ和温度为３５＂Ｃ时，ＴＳ逡逑与Ｃ／Ｎ对ＴＳ甲烧产率的影响（ｂ）；邋ＨＲＴ为１６ｄ和Ｃ／Ｎ为３０：１时，ＴＳ和逡逑n榷裕裕蛹咨詹实挠跋欤ǎ茫诲澹裕游叮ズ停茫挝常埃海笔保让瘢杂脲义衔露榷裕裕蛹譹<产率的影响佩。逡逑Ｆｉｇ．２．６邋Ｔｈｅ邋ｃｏｎｔｏｕｒ邋ａｎｄ邋民ＳＭ邋ｐｌｏｔｓ邋ｏｆ邋ＴＳ邋ｍｅｔｈａｎｅ邋ｙｉｅｌｄｓ．邋Ｔｈｅ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｆｅｅｄ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ逡逑ｖｅｒｓｕｓ邋ＨＲＴ，ｗｉｔｈ邋ｈｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋３５邋0Ｃ邋ａｎｄ邋Ｃ／Ｎ邋３０：１（ａ）．Ｔｈｅ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｆｅｅｄ邋ｃｏｎｃｅ打ｔｒａｔｉｏｎ邋ｖｅｒｓｕｓ逡逑Ｃ／Ｎ，ｗｉ也邋ＨＲＴ邋１６ｄ邋ａｎｄ邋ｔ；ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋３５0Ｃ（ｂ）．邋Ｔｈｅ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｆｅｅｄ邋ＣＯ打ｃｅｎｔｒａｔｉｏ打邋ｖｅｒｓｕｓ逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｉ１：ｈ邋ＨＲＴ邋１６ｄ邋ａｎｄ邋Ｃ／Ｎ邋３０：１（ｃ）．邋Ｔｈｅ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ＨＲＴ邋ｖｅｒｓｕｓ邋Ｋｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｉｔｈ逡逑ｆｅｅｄ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋６％邋ａｎｄ邋Ｃ／Ｎ邋３０：１（ｄ）．逡逑２５逡逑

响应图,等高线,曲面

ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｖｅｒｓｕｓ邋Ｃ／Ｎ，邋ｗｉｔｈ邋ＨＲＴ邋１６ｄ邋ａｎｄ邋Ｃ／Ｎ邋３０：１邋（ｂ）．邋Ｔｈｅ邋ｅｆｆｅｃｔ，邋ｏｆ邋ｆｅｅｄ邋ｃｏｎｃｅｎ让ａｔｉｏｎ逡逑ｖｅｒｓｕｓ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，邋ｗｉｔｈ邋ｆｅｅｄ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋６％邋ａｎｄ邋ＨＲＴ邋１６ｄ（ｃ）．逡逑日产甲烧量的响应曲面图如图２．７所示。图２．７（ａ）ＨＲＴ与温度固定为中值时，曰产甲烧逡逑量随ＴＳ的增加而增加，，ＴＳ对日产甲晓量影响极显著。日产甲院量随Ｃ／Ｎ’说增加而减小，逡逑说明过高的Ｃ／Ｎ不利于甲烧的产生。Ｃ／Ｎ与ＴＳ对日产甲烧量的交互不显ｆ。由图２．７（ｂ）逡逑可见，在ＨＲＴ和Ｃ／Ｎ为中点值时，温度对日产甲掠量的影响不显著，ＴＳ与温度的交互不逡逑显著。由图２．７似可知，在ＴＳ与ＨＲＴ固定为中值时，日产甲烧量随温度的增加先增加后逦：＞逡逑减小，说明适宜的发酵温度有利于甲烧的产生。通过结合回归方程表２．４中的所有系数的逡逑绝对值，ＨＲＴ（Ｘ２）是对日产甲q<量影响最大的因素。逡逑２．３．３满意度函数优化模型及分析逡逑本实验用Ｄｅｓｉｇｎ－Ｅｘｐｅｒｔ邋７．０软件中的Ｄｅｓｉｒａｂｉｌｉｔｙ函数对Ｙｉ和Ｙ２两个响应变量进行同逡逑时优化优化的实验条件包括Ｘ，、Ｘ２、Ｘ３和Ｘ４。各个自变量巧卿响应量巧）的重要性的逡逑取值范围为１￣５，邋ｎ值也可Ｗ调整，一般设定为软件默认值。本实验设定的各自变量参数逡逑条件Ｘ和响应值NB的范围见表２．６。由表可知
【学位授予单位】：黑龙江八一农垦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4

【参考文献】