难、易降解高含固率物料两相分区一体工艺下的高效产甲烷机制

发布时间：2018-01-09 13:14

  本文关键词：难、易降解高含固率物料两相分区一体工艺下的高效产甲烷机制　出处：《中国农业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：《全国农村沼气发展"十三五"规划》为我国沼气事业树立了新的目标:新建规模化生物天然气工程172个、规模化大型沼气工程3150个。这使得传统的发酵原料有限,无法满足迅速成长的生物天然气产业化需求,开发原料多样性利用技术迫在眉睫。我国每年可利用的作物秸秆高达1.8亿t,每年产生的餐厨垃圾近9000万t,沼气生产潜力巨大。目前,落地的秸秆沼气工程常常出现易结壳、负荷稍大容易酸败、进出料困难等问题,使得秸秆利用率低,针对以上问题,我们建立了上部酸化相、下部产甲烷相的"两相分区一体"消化体系。通过研发相应设备——改造的螺旋式CSTR(continuous stirred tank reactor)反应器及试制的两相分区一体反应器——研究了两相分区一体工艺下难(作物秸秆)、易(餐厨垃圾)降解物质的高效产甲烷机制、搅拌强度对产气潜力的影响并通过高通量测序技术、定量PCR技术等分析微生物群落的构成规律。(1)高含固率水稻秸秆与牛粪共发酵:采用螺旋式CSTR工艺(高径比1.71),有机负荷率(OLR)由8逐步提升到24 gVS/(L·d),随着负荷的升高,产气量上升到最高点后逐渐下降。OLR为16gVS/(L·d)、水力停留时间(HRT)为6.25d时能够获得最大的容积产沼气比和产甲烷比:3.00和1.64 L/L·d。随着负荷的提升,HRT的缩短,原料的潜力释放不完全,负荷为8 gVS/(L-d)时单位VS原料产甲烷潜力达到最高157.03 mL/gVSadded。低的高径比和高的搅拌强度未使两相分区一体工艺建立起来,厚壁菌门(36.18%)、拟杆菌门(20.73%)是体系的优势细菌,甲烷鬃毛菌(48.44%)是优势产甲烷菌,且数量最多。(2)高含固率餐厨垃圾与牛粪共发酵:采用螺旋式CSTR工艺,OLR由4逐步提升到7 gVS/(L·d),随着负荷的升高,产气量逐渐上升。OLR为7gVS/(L·d)、HRT为14.29d时能够获得最大的容积产沼气和产甲烷比:3.76和1.81 L/L·d。随着负荷的提升,HRT的缩短,原料的潜力释放不完全,负荷为4gVS/(L·d)时单位VS原料产甲烷潜力达到最高293.44 mL/gVSadded。好的流体性原料性质、低的高径比和高的搅拌强度未使两相分区一体工艺建立起来,拟杆菌门(43.58%)、厚壁菌门(35.26%)是体系的优势细菌,甲烷八叠球菌(61.43%)丰度最大,但甲烷微菌数量最多。(3)搅拌强度对餐厨垃圾甲烷发酵的影响:采用两相分区一体工艺(高径比3.5),在4 gVS/(L-d)以及20、45、70 rpm的低、中、高三种搅拌模式下运行。随着搅拌强度的增大,原料的产气效率增大。高搅拌模式获得最大的容积产甲烷比1.72 L/L·d和单位VS原料的产甲烷潜力430.67 mL/gVSadded。好的流体性原料性质未使两相分区一体工艺建立起来。低搅拌下,细菌以厚壁菌门最为丰富(酸化相48.66%、产甲烷相46.12%),显著高于拟杆菌门的丰度,分别为24.18%、20.94%;高搅拌下,拟杆菌门是优势细菌,酸化相和产甲烷相中的丰度分别为28.45%、29.96%,稍高于厚壁菌门的丰度,酸化相24.18%、产甲烷相20.94%。搅拌强度的增加,提高了拟杆菌门、互养菌门等与产甲烷菌有互养关系的细菌的丰度。低搅拌下,产甲烷菌以甲烷八叠球菌丰度最大(酸化相67.15%、产甲烷相64.74%),显著高于甲烷鬃毛菌丰度(酸化相13.34%、产甲烷相24.16%),但后者数量稍高于前者;高搅拌下,甲烷鬃毛菌丰度最大(酸化相63.81%、产甲烷相74.13%),且其数量远远高于甲烷八叠球菌。乙酸浓度是影响甲烷八叠球菌丰度的主导因素,而影响甲烷鬃毛菌丰度的主导因素是其丝状的生理形态能否在体系中得到完整保持。(4)搅拌强度对玉米秸秆甲烷发酵的影响:采用两相分区一体工艺(高径比3.5),在3 gTS/(L·d)以及20、70 rpm的低(R1)、高(R2)两种搅拌模式下消化青绿和青贮两种状态的玉米秸秆。含固率高、密度小的原料性质以及较大的高径比使得两相分区一体发酵体系成功建立。青绿秸秆在R1、R2中的容积产甲烷比分别为0.80和0.78 L/L·d,甲烷潜力分别为290.87 mL/gVSadded和281.54mL/gVSadded;青贮秸秆在R1、R2中的容积产甲烷比分别为0.69和0.67 L/L·d,甲烷潜力分别为250.69 mL/gVSadded、243.56 mL/gVSadded。青绿秸秆的可溶性物质含量高、木质纤维素含量低,获得的产气效率比青贮秸秆稍高;R1获得的容积产气比及产甲烷潜力均高于R2,说明低搅拌模式下的玉米秸秆的甲烷化效率要高于高搅拌。厚壁菌门(梭菌)在酸化相中占有绝对优势,产甲烷相的优势细菌为拟杆菌门、绿弯菌门和互养菌门;甲烷鬃毛菌在酸化相和产甲烷相中均是优势产甲烷菌。秸秆漂浮在酸化相酸化,当密实度较低时,高搅拌促进酸化作用;当密实度较高时,搅拌进一步增大密度,使酸化相有机酸积累严重,不利于扩散;低搅拌有利于产甲烷相中产甲烷菌的富集,高搅拌增大产甲烷菌随出料的流失。
[Abstract]:"National Rural Biogas Development Planning >" 13th Five-Year "for China's gas industry has set a new goal: new large-scale biogas project 172, 3150 large scale biogas project. This makes the traditional fermentation of raw materials is limited, can not meet the rapid growth of the bio gas industry needs, the development of this diversity of raw materials technology is imminent. China's annual utilization of crop straw is as high as 180 million T, the annual food waste generated nearly 90 million T biogas production potential. At present, straw biogas project landing often easy to load larger crust, easy to rancidity, feeding difficulties and other problems, the straw utilization rate is low, in view of the above problems. We established the upper acidfication, lower methanogenic phase of the" two division one "digestive system. By spiral CSTR to develop the corresponding transformation of the equipment (continuous stirred tank reactor) reactor Two phase partition reactor and trial -- Research on two-phase partition development process difficult (crop straw), Yi (kitchen waste), methanogenic degradation mechanism of material, effect of stirring intensity on the gas potential and by high-throughput sequencing technology, PCR technology and other analytical form of quantitative microbial communities (1). The high solid content of rice straw and cow dung co fermentation: using spiral CSTR Technology (the ratio of height to diameter 1.71), organic loading rate (OLR) increased gradually from 8 to 24 gVS/ (L - D), as the load increases, gas production increased to the highest point after gradually decreased to 16gVS/ (L - D.OLR), hydraulic retention time (HRT) for 6.25d to obtain the largest volume of biogas production and methane production ratio Ratio: 3 and 1.64 L/L D. with the improvement of the load, the shortening of HRT, raw material potential incomplete release, load is 8 gVS/ (L-d) unit VS raw methane production potential reached the highest 157.03 mL/gV Sadded.浣庣殑楂樺緞姣斿拰楂樼殑鎼呮媽寮哄害鏈�浣夸袱鐩稿垎鍖轰福�

本文编号：1401525