颗粒尺度猪粪—麦秸好氧堆肥耗氧速率及甲烷产排机理模型

发布时间：2017-12-12 18:36

  本文关键词：颗粒尺度猪粪—麦秸好氧堆肥耗氧速率及甲烷产排机理模型

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【摘要】：好氧堆肥是畜禽粪便无害化、减量化和肥料化利用的重要途径之一。好氧堆肥是受堆肥物料、工艺条件等多种因素影响的复杂生化反应过程,利用数学模型方法,从理论上寻求构建好氧堆肥反应内在复杂过程及物性变化的量化关系,从而解析好氧堆肥反应机制及其过程变化机理,是国内外众多学者研究的热点和前沿领域之一。本论文以基于颗粒尺度的猪粪-麦秸好氧堆肥耗氧速率(OUR)和甲烷(CH4)产排模型为主要目标,以猪粪-麦秸好氧堆肥系统为对象,在颗粒微观结构参数量化表征方法以及基于傅里叶变换显微红外光谱技术(FT-IR Microspectroscopy)的猪粪颗粒好氧层厚度(Lp)量化表征方法研究的基础上,深入研究了好氧堆肥过程中猪粪颗粒微观结构动态变化规律及其与有机质降解的相关关系,研究构建了综合考虑颗粒微观结构参数、多热源项的颗粒尺度猪粪-麦秸好氧堆肥OUR优化模型,研究构建了基于颗粒尺度的猪粪-麦秸好氧堆肥CH4产排模型。研究结果为进一步揭示好氧堆肥微生物反应机制,制定高效、减排的堆肥工艺提供了方法学和基础理论支撑。论文取得的主要创新性成果及研究结论如下：(1)采用真空冷冻干燥-机械振荡法和动态图像分析法作为猪粪样品的分散预处理和粒度、粒形表征方法。猪粪颗粒样品中值粒径(D50)501±16μm,粒度分布宽度1.45±0.04,纵横比和球形度分别为0.57±0.01和0.61±0.01。猪粪-麦秸好氧堆肥过程中,猪粪颗粒微观结构及其化学组成均呈显著变化,颗粒微观结构变化与其有机质降解紧密相关。猪粪颗粒D50呈指数下降趋势,形状参数几乎不变；颗粒孔隙率(θ)呈线性增加趋势；猪粪颗粒脂肪、多糖类组分降解程度较大且其化学组成渐趋稳定,半纤维素降解是颗粒孔隙结构变化的主要原因；猪粪颗粒有机质变化并不完全符合一级反应动力学,修正的一级反应速率常数与D50的倒数成正比,与θ呈负相关。(2)首次验证了FT-IR Microspectroscopy技术可应用于猪粪-麦秸好氧堆肥过程猪粪颗粒Lp的量化表征。切片条件为猪粪颗粒冷冻切片厚度10 μm,光谱扫描条件为扫描范围4000-650cm-1,光谱分辨率16 cm-1,像素点大小6.25μm×6.25μm,扫描16次取平均,光谱预处理方法采用二阶导数9点差分处理。选取2856 cm-1和1568 cm-1作为判定Lp的特征波长,根据两特征波长二阶导数径向差减光谱获取Lp值。Lp同时受氧浓度、温度和微生物活性等诸多因素共同影响,介于0-60 μmm范围内呈指数增加趋势变化,猪粪颗粒好-厌氧区间存在约20μm过渡区。(3)颗粒尺度OUR优化模型可较为有效地模拟猪粪-麦秸好氧堆肥OUR动态变化,其模拟OUR的最大偏差和平均偏差较小。考虑表面对流换热使高温期堆体温度模拟精度有所提高。(4)颗粒尺度CH4产排模型可有效模拟猪粪-麦秸好氧堆肥升温、降温期CH4排放的变化规律(决定系数0.94、均方根误差2888 ppmv)。甲烷产率系数和最大甲烷氧化速率分别为0.6414mol CH4 mol-1 Cman和0.0205 mol CH4 kg-1 VSaero h-1。堆肥升温过程中,CH4产生速率急剧增加,而其氧化速率几乎为零,CH4排放主要发生在堆肥前期。CH4氧化量占其产量10.34%,堆体对CH4的氧化能力与氧气在堆肥颗粒内部的渗透能力有关。本研究堆肥通风工艺宜优选通风速率8.34 Lmmin-1,间歇通风开6h／关15mim。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S141.4

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本文编号：1283556