北方小城镇有机垃圾厌氧固态发酵关键技术研究

发布时间：2020-11-09 12:58

　　 沼气作为生物质厌氧发酵后的产物,在为人类提供清洁能源的同时还可以将有机质废物通过其厌氧过程降解而达到无害化处理的目的。随着我国小城镇近年来建设的迅猛发展,小城镇有机垃圾的沼气工程处理方式越来越受到人们的重视。本研究结合“十二五”国家科技支撑项目“寒冷地区中小型城市垃圾干法连续发酵技术集成与示范”,针对北方地区沼气发酵过程的存在的能量投入大、干法发酵过程发酵原料的传质性差等问题,对北方地区有机垃圾沼气干法发酵过程的能量损失和有效增保温措施、以及原料的发酵特性、厌氧菌群分布和改善发酵原料的流动性等关键问题进行了深入地研究。本研究将为北方地区干法厌氧发酵沼气工程的推广应用提供了技术支撑。为了研究我国北方寒冷地区条件下沼气工程运行过程的能量投入产出及能量效益情况,本文针对北方寒冷地区的气候特点,以哈尔滨双城市建立的沼气工程为例,通过对其运行过程中发酵罐体散热、进出料过程能量损失、加温循环管路散热等热量损失计算,得出冬季和全年平均每天的热能损耗分别为14694.4MJ、12185.7MJ；通过分析其采用沼气锅炉、太阳能集热、发电机组余热回收利用等不同增温方式的热利用效率,得出该工程要实现全年平均和冬季每天维持工程正常运转还需增加的能量投入分别为1377.4MJ、3887.2MJ。通过分析其运行过程中能量消耗与产生沼气获得的热能,得出该工程在冬季和全年产生沼气的能量效益分别为48.79%、57.54%。为实现北方寒冷地区沼气工程的稳定运行,研究构建了1套太阳能一发电余热中温厌氧发酵增温系统,并分别对沼气发酵热负荷、发电机组余热回收利用率、太阳能集热装置热效率等关键参数进行了分析,分析表明：该沼气工程全年平均每日热能损耗为6659.2MJ,太阳能—发电余热中温厌氧发酵增温系统全年平均每日集热量为7017.6MJ,全年中只有1、2月份系统需沼气发电机组额外提供378.6kW·h和286kW·h电量增温,该系统可以对全年平均热损耗进行补充并维持工程稳定运行。通过沼气发电机组和太阳能热水系统的结合,既可减小投入,又可根据所需要的增温能量进行适当的调控,在实际应用中具有可操作性和应用的可行性,具有经济性和实用性双重效益。为寒冷气候条件下沼气工程的常年稳定运行提供保障。本文还以城市有机垃圾为发酵原料,研究了厌氧发酵启动阶段与产气阶段微生物菌群结构、数量变化情况与沼气产量之间的关系,测定了在发酵过程中pH值、挥发性脂肪酸(VFA)、氧化还原电位等相关指标。结果表明,启动阶段初期好氧和兼性厌氧细菌属优势菌,其中产酸菌增殖速率高于氨化细菌,是启动阶段降解有机质的主要菌群。随后厌氧细菌快速增殖,日增殖速率由不足20%增长到近100%并保持稳定。厌氧纤维素降解菌在启动阶段增殖较慢,原料中纤维素降解在厌氧发酵后期。原料液VFA中丁酸含量最多,最高浓度4.7mg·mL-1以上,占有机酸总量总量的46%以上,厌氧发酵类型为丁酸发酵型。产甲烷菌在启动阶段初期基本没有增殖,第25d左右达到最大值3.24×1010个/ml,随后产甲烷菌在整个盛产期数量维持在这一数量级上。厌氧纤维素降解菌菌数呈现缓慢增长的趋势,直到投料的第45d才增加到106个/ml。空间上厌氧产酸菌和甲烷菌的数量均是中心部分比边缘部分多,底部比顶部多；厌氧氨化菌数量较多的为中部边缘和中部中心位置；厌氧纤维素降解菌也是底部的菌数较多。另外,挥发性脂肪酸、氨氮浓度的变化趋势在空间上和菌数的变化一致,菌数多的部位,产物也相对较多。为改善厌氧干法发酵的流动性,本文对城市有机垃圾与市政污泥混合固态发酵粘度的前后变化进行了分析。结果表明,原料的配比浓度对粘度有较大影响,污泥浓度越大其粘度也越大,成正比关系,而且发酵前的粘度是发酵后的1-3倍；混合物料在较低温度条件下,温度下降对粘度值的影响较大,而温度较高时,温度变化对粘度值的影响相对变缓；不同含量的有机垃圾与污泥的表观粘度不同,发酵前污泥每增加一份后,物料的粘度增加15,41%,而增加一份的有机物后,物料粘度则降低12.79%；经发酵后的物料中,每增加一份污泥,物料的粘度增加10.26%,而在增加一份有机物后,物料的粘度则降低6.92%;且随着剪切速率的增加表观粘度逐渐降低至最后趋于稳定。
【学位单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：S216.4
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 城市生活垃圾资源与沼气化发展现状概述
    1.2 厌氧技术处理有机生活垃圾的应用意义
    1.3 国外厌氧固态发酵技术与工程增温保温发展现状
        1.3.1 国外厌氧固态发酵技术现状
        1.3.2 国外固态发酵反应器研究现状
        1.3.3 国外沼气工程增温保温工艺发展现状
    1.4 我国厌氧固态发酵技术与工程增温保温发展现状
        1.4.1 我国厌氧固态发酵现状
        1.4.2 我国沼气工程增温保温发展现状
    1.5 我国厌氧发酵制取生物质燃气工艺发展趋势分析
    1.6 课题的提出
第二章 北方寒冷地区沼气工程增温保温能量效益分析
    2.1 引言
    2.2 沼气工程能量消耗分析
        2.2.1 沼气罐体散出热量
        2.2.2 进出料热量损失
        2.2.3 加热循环管的热损失
    2.3 沼气工程增温能量分析
        2.3.1 太阳能增温
        2.3.2 锅炉增温
        2.3.3 发电余热利用增温
    2.4 实例分析
        2.4.1 工程热能耗计算
        2.4.2 工程采用的增温方式分析
        2.4.3 工程能量平衡模型构建与效益分析
    2.5 本章小结
第三章 太阳能与发电余热复合沼气增温系统设计与应用
    3.1 引言
    3.2 复合沼气增温系统设计
        3.2.1 中温厌氧发酵增温系统工作原理分析
        3.2.2 太阳能—发电余热中温厌氧发酵增温系统设计
    3.3 增温系统能量计算
        3.3.1 中温厌氧发酵罐热负荷理论计算
        3.3.2 太阳能集热系统热负荷计算
        3.3.3 沼气发电余热回收系统热负荷计算
    3.4 太阳能—发电余热系统增温应用试验
    3.5 本章小结
第四章 城市生活垃圾物料特性及固态发酵产气特性分析
    4.1 引言
    4.2 材料和方法
        4.2.1 试验材料
        4.2.2 发酵装置及操作
        4.2.3 分析方法
    4.3 结果与分析
        4.3.1 城市生活垃圾含量的季节性变化
        4.3.2 城市生活垃圾厌氧发酵pH趋势
        4.3.3 日产气量及产气率趋势
        4.3.4 甲烷积累量及含量变化
        4.3.5 总有机酸（VFAs）含量变化趋势
        4.3.6 氧化还原电位（OPR）变化趋势
    4.4 本章小结
第五章 有机生活垃圾固态发酵厌氧菌群分布模型构建与研究
    5.1 引言
    5.2 材料和方法
        5.2.1 试验材料
        5.2.2 试验装置
        5.2.3 分析方法
        5.2.4 试验试剂和培养基配置
    5.3 结果与分析
        5.3.1 日产气量、甲烷含量变化
        5.3.2 发酵过程中厌氧微生物菌群时空上的变化
    5.4 菌群分布模型的构建
        5.4.1 产酸、产甲烷、产氨之间的相互关系
        5.4.2 产酸菌与产甲烷菌群分布模型的构建
    5.5 本章小结
第六章 有机生活垃圾与污泥混合厌氧固态发酵的流动特性研究
    6.1 引言
    6.2 试验方法
        6.2.1 含水率及挥发性固体的测定
        6.2.2 原料粘度的测定
    6.3 试验结果与分析
        6.3.1 试验原料特性分析
        6.3.2 不同混合比例物料粘度分析
        6.3.3 不同混合比例物料粘度分析
        6.3.4 剪切速率对粘度的影响分析
    6.4 本章小结
第七章 结论和创新点
    7.1 主要结论
    7.2 论文的创新点
    7.3 对下一步工作的建议
参考文献
致谢
攻读学位论文期间科发表文章

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 章凌;邹勇;陈天培;;清洁级豚鼠幼仔消化道中厌氧菌的检测[J];上海实验动物科学;1991年04期

2 黄忠梅;黄玲;;番茄酱中厌氧菌/兼性厌氧菌的鉴定结果分析[J];新疆农业科学;2007年05期

3 ISONO MIDORI ,贾英科;厌氧菌的鉴定[J];郑州牧业工程高等专科学校学报;1991年01期

4 白田;;生物沼气厌氧废水的处理[J];生物技术通报;1985年02期

5 呼和;娜仁格日乐;赵秀英;任晓苹;凌树礼;徐桂梅;;用气相色谱分析厌氧菌代谢产生脂肪酸方法的改进[J];内蒙古畜牧科学;1993年02期

6 黄忠梅;黄玲;;番茄酱中厌氧菌检测方法的研究[J];新疆农业科学;2007年01期

7 刘克鑫;;看不见的“厌氧工厂”[J];太阳能;1982年02期

8 李凯年;;同家畜骨髓炎有关的厌氧菌[J];吉林畜牧兽医;1985年01期

9 惊鸣;;饲料添加剂——“普乐健”[J];饲料工业;1989年07期

10 汤卢兵，陈容;浅谈医院废水厌氧无害化处理的设计方案[J];中国沼气;1995年01期

相关博士学位论文 前4条

1 熊惠磊;剩余污泥高温厌氧产酸与生物可降解塑料合成的研究[D];清华大学;2015年

2 寇巍;北方小城镇有机垃圾厌氧固态发酵关键技术研究[D];沈阳农业大学;2014年

3 倪龙兴;口腔厌氧菌膜泡的提取、生物学活性和酶动力学比较分析以及胰酶样蛋白酶的纯化研究[D];第四军医大学;1993年

4 周蕾;厌氧烃降解产甲烷菌系的组成及其代谢产物的特征[D];华东理工大学;2012年

相关硕士学位论文 前6条

1 黄晓燕;珠江沉积物甲烷厌氧氧化菌群群落结构研究[D];华南理工大学;2015年

2 张佩兰;厌氧生物除磷及其微生物种群结构特性的研究[D];广州大学;2011年

3 李伟;厌氧烃降解体系中微生物群落组成及功能基因[D];华东理工大学;2012年

4 甘如海;畜禽粪便厌氧干发酵处理搅拌反应器的研究设计[D];华中农业大学;2004年

5 刘艳娟;厌氧好氧法处理豆沙馅废水试验研究[D];中国地质大学（北京）;2006年

6 杨金龙;瘤胃厌氧真菌的筛选、诱变及发酵麸皮的研究[D];四川农业大学;2006年

本文编号：2876467