新型自热式抗结壳沼气反应器发酵特性研究

发布时间：2020-11-02 04:15

　　 沼气是厌氧产甲烷微生物分解有机物产生的清洁可再生生物质能源,也是我国农村利用形式最广的可再生生物质能源,它不仅具有将有机废弃物资源化利用和保护环境的双重效益,还具有生产成本低,产出效益高等优点。但在沼气发酵过程中发酵原料在附着的气泡上升力作用下上浮至沼液表面,经水分蒸发而形成结壳,由此影响了发酵原料的充分降解和产生的沼气扩散逸出分离,导致沼气池发酵速率减慢、产气率和甲烷含量降低、燃烧热值低等不足。此外,户用沼气池还存在保温性能较差,沼液发酵温度较低,常用发酵原料营养成分单一,氮、磷、钾等微生物代谢必需元素和部分维生素含量较低的问题,延长了沼气反应器的发酵启动时间,降低了发酵原料的水解率和产气率,限制沼气技术实际推广应用。针对上述问题,根据沼气反应器内沼渣结壳原理,设计了一种兼有防止沼渣上浮和集气功能的抗结壳装置,并实验研究该新型沼气反应器的抗结壳性能和产气性能,以及固体物浓度、外源添加物对沼气发酵性能的影响。此外还研究了有机玻璃钢池体材料的机械和传热特性,并中试试验了具有抗结壳装置和保温特性的玻璃钢沼气池发酵产气特性。课题研究得到以下主要研究成果和结论: 1.实验室制备的有机玻璃钢沼气池池体材料具有较高的机械强度和一定保温性能,当厚度为6 mm,材料压缩强度达到140 MPa以上,弯曲强度超过120 MPa。以聚乙烯泡沫保温板为保温材料的沼气池池壁导热系数为0.099 W/(m·K ),能够有效降低沼气池壁的导热性能,保证低温下的连续产气,提高沼气利用效率。同时该有机玻璃钢材料具有较好耐酸性,但耐碱性较差。 2.自行研制的抗结壳装置能有效地阻挡原料中固体物的上浮,具有显著的抗原料结壳性能,使发酵反应更充分,提高了基质利用率,增强了反应器的产气能力。同时该装置还增强了沼液中的气液分离效果,改善了沼液的酸碱平衡能力,促进了产甲烷菌群的代谢活动,从而显著提高反应器的产气能力和产甲烷能力。 3.固体物浓度对抗结壳沼气反应器产气影响较大,在以马铃薯皮为发酵原料,控制沼液温度为27(±3)℃,当固体物(TS)浓度为4%时,抗结壳沼气反应器对原料的利用更充分,产甲烷菌群活性强,有利于甲烷的产生,得到的最大日产气量为11.2 L,原料产气率为600.0 L/(kg·TS),COD去除率为69.7%,产气中甲烷浓度较高,长期地稳定在62%左右,而较低或较高的TS浓度均不利于抗结壳沼气反应器的发酵和产气。 4.实验研究了尿素、复合磷酸盐、复合维生素等外源添加物及添加量对抗结壳沼气反应器发酵产气特性的影响,结果表明:添加一定浓度的外源添加物能显著提高沼气反应器的发酵产气性能,加快发酵启动,增强了产甲烷菌群的活性和代谢产热,促进了甲烷的生成和日产气量的提高。实验得到尿素、复合磷酸盐、复合维生素的添加量为1.0、1.20、0.015 g/L时,其最大的池容产气率分别为0.869、0.732、0.843 m~3/(m~3·d),总产气量分别比未添加时提高了52.9%、28.9%、48.4%,产气中甲烷浓度最高达到72.4%。 5.一定浓度的镁离子缩短了抗结壳沼气反应器的发酵启动时间,增强厌氧微生物对底物的利用效率,促进了甲烷合成,显著提高了反应器日产气量。其中以莴笋皮为发酵原料,镁盐最佳添加量为0.30 g/L,总产气量提高了71.4%,池容产气率为0.398 m~3/(m~3·d);以马铃薯皮为发酵原料,镁盐最佳添加量为0.10 g/L,总产气量提高了41.6%,池容产气率为0.804 m~3/(m~3·d)。 6.具有保温性能的抗结壳沼气反应器(8 m~3)中试试验结果表明:在平均气温为8℃左右的冬季,反应器连续运行15天产气仍然稳定,最大日产气量为2.688 m~3/天,平均池容产气率为0.215 m~3/(m~3·d);产气气压最高达12 kPa,沼液表面无结壳现象;同时反应器保温性较好,充分利用了发酵的代谢产热,沼液温度比常规沼气池高3-4℃,有利于冬季低温条件下的沼气生产。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2011
【中图分类】：S216.4
【部分图文】：

搅拌式和静置式，连续流和搅拌式在大中型沼气工程中应用广泛，而适散性和简便性特点的是序批式和静置式的操作方式。从温度控制来看，器可以分为常规沼气池，太阳能沼气池和加热式沼气池。常规沼气池温环境变化而变化，产气季节性强；太阳能沼气池则依靠太阳能转换加热液温度，一方面投资成本较高，另一方面受气候条件影响大；加热式沼依靠消耗化石能源来换取微生物沼气，净增能值较低。目前我国使用的池分类如下：规型厌氧反应器类反应器以农村户用水压式沼气池为典型代表，反应器从上到下存在上清液层，活性层和沉渣层四个分层。该类反应器在农村应用较多，市最大，一般常温运行，但效率较低。目前广泛使用的沼气池有水压式沼式沼气池、半塑式沼气池和罐式沼气池 4 种基本类型。在建池材料方面用混凝土现浇施工工艺，沼气池钢模和木模浇灌技术正在发展，组装式在积极的开发当中，沼气池商品化已成大势所趋。

世纪 90 年代提出沼气发酵系统以来，常规沼气发酵利用由单利用。人们改造沼气池，结合厕所、猪圈等逐步形成了南方体、北方四位一体及西北“五配套”的农村沼气能源生态发展模，系统综合价值增加。厌氧污泥床（UASB）应器主要由污泥床，悬浮层和三相分离器组成，其发展较快，有机负荷率很高，有可以形成微生物固定化的优势，不但改增加工艺稳定性，增强抵抗能力。但此类反应器不适合用于废弃物。

图 1.5 内循环厌氧反应器Fig.1.5 Internal Circulation (IC) Anaerobic[30]我国沼气发酵中存在的突出问题种形式的厌氧沼气反应器，特别是农村户用沼气池调查研酵装置一般采用砖混组合和混凝土现浇的水压式沼气池，能力强，施工方便，省工省料，造价低等优点，因此在农其缺点也较明显：一是缺乏自动搅拌和破壳功能，沼液表发酵底物传质、气液流动及产生气体的导出，产气时间大二是保温功能较差，发酵代谢产热散失严重，沼气发酵受气温较低的条件下产气基本停止，必须外在供给能量维持便又消耗能量。以上两个突出问题是限制农村户用沼气池表面浮渣结壳产生过程中的生化反应是依靠微生物的代谢活动进行的，从
【引证文献】

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1 王永忠;彭震;廖强;朱恂;陈蓉;;镁离子对沼气反应器中莴笋皮和马铃薯皮发酵产气特性的影响[J];农业工程学报;2012年06期

本文编号：2866556