新型自熱式抗結(jié)殼沼氣反應(yīng)器發(fā)酵特性研究.pdf

1、沼氣是厭氧產(chǎn)甲烷微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生的清潔可再生生物質(zhì)能源，也是我國(guó)農(nóng)村利用形式最廣的可再生生物質(zhì)能源，它不僅具有將有機(jī)廢棄物資源化利用和保護(hù)環(huán)境的雙重效益，還具有生產(chǎn)成本低，產(chǎn)出效益高等優(yōu)點(diǎn)。但在沼氣發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵原料在附著的氣泡上升力作用下上浮至沼液表面，經(jīng)水分蒸發(fā)而形成結(jié)殼，由此影響了發(fā)酵原料的充分降解和產(chǎn)生的沼氣擴(kuò)散逸出分離，導(dǎo)致沼氣池發(fā)酵速率減慢、產(chǎn)氣率和甲烷含量降低、燃燒熱值低等不足。此外，戶用沼氣池還存在保溫性能較差，沼液

2、發(fā)酵溫度較低，常用發(fā)酵原料營(yíng)養(yǎng)成分單一，氮、磷、鉀等微生物代謝必需元素和部分維生素含量較低的問(wèn)題，延長(zhǎng)了沼氣反應(yīng)器的發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間，降低了發(fā)酵原料的水解率和產(chǎn)氣率，限制沼氣技術(shù)實(shí)際推廣應(yīng)用。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，根據(jù)沼氣反應(yīng)器內(nèi)沼渣結(jié)殼原理，設(shè)計(jì)了一種兼有防止沼渣上浮和集氣功能的抗結(jié)殼裝置，并實(shí)驗(yàn)研究該新型沼氣反應(yīng)器的抗結(jié)殼性能和產(chǎn)氣性能，以及固體物濃度、外源添加物對(duì)沼氣發(fā)酵性能的影響。此外還研究了有機(jī)玻璃鋼池體材料的機(jī)械和傳熱特性，

3、并中試試驗(yàn)了具有抗結(jié)殼裝置和保溫特性的玻璃鋼沼氣池發(fā)酵產(chǎn)氣特性。課題研究得到以下主要研究成果和結(jié)論：
　　1.實(shí)驗(yàn)室制備的有機(jī)玻璃鋼沼氣池池體材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和一定保溫性能，當(dāng)厚度為6mm，材料壓縮強(qiáng)度達(dá)到140MPa以上，彎曲強(qiáng)度超過(guò)120MPa。以聚乙烯泡沫保溫板為保溫材料的沼氣池池壁導(dǎo)熱系數(shù)為0.099W/(m·K)，能夠有效降低沼氣池壁的導(dǎo)熱性能，保證低溫下的連續(xù)產(chǎn)氣，提高沼氣利用效率。同時(shí)該有機(jī)玻璃鋼材料具有較好耐

4、酸性，但耐堿性較差。
　　2.自行研制的抗結(jié)殼裝置能有效地阻擋原料中固體物的上浮，具有顯著的抗原料結(jié)殼性能，使發(fā)酵反應(yīng)更充分，提高了基質(zhì)利用率，增強(qiáng)了反應(yīng)器的產(chǎn)氣能力。同時(shí)該裝置還增強(qiáng)了沼液中的氣液分離效果，改善了沼液的酸堿平衡能力，促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌群的代謝活動(dòng)，從而顯著提高反應(yīng)器的產(chǎn)氣能力和產(chǎn)甲烷能力。
　　3.固體物濃度對(duì)抗結(jié)殼沼氣反應(yīng)器產(chǎn)氣影響較大，在以馬鈴薯皮為發(fā)酵原料，控制沼液溫度為27(±3)℃，當(dāng)固體物（TS）濃

5、度為4％時(shí)，抗結(jié)殼沼氣反應(yīng)器對(duì)原料的利用更充分，產(chǎn)甲烷菌群活性強(qiáng)，有利于甲烷的產(chǎn)生，得到的最大日產(chǎn)氣量為11.2L，原料產(chǎn)氣率為600.0L/(kg·TS)，COD去除率為69.7%，產(chǎn)氣中甲烷濃度較高，長(zhǎng)期地穩(wěn)定在62%左右，而較低或較高的TS濃度均不利于抗結(jié)殼沼氣反應(yīng)器的發(fā)酵和產(chǎn)氣。
　　4.實(shí)驗(yàn)研究了尿素、復(fù)合磷酸鹽、復(fù)合維生素等外源添加物及添加量對(duì)抗結(jié)殼沼氣反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響，結(jié)果表明：添加一定濃度的外源添加物能顯著

6、提高沼氣反應(yīng)器的發(fā)酵產(chǎn)氣性能，加快發(fā)酵啟動(dòng)，增強(qiáng)了產(chǎn)甲烷菌群的活性和代謝產(chǎn)熱，促進(jìn)了甲烷的生成和日產(chǎn)氣量的提高。實(shí)驗(yàn)得到尿素、復(fù)合磷酸鹽、復(fù)合維生素的添加量為1.0、1.20、0.015g/L時(shí)，其最大的池容產(chǎn)氣率分別為0.869、0.732、0.843m3/(m3·d)，總產(chǎn)氣量分別比未添加時(shí)提高了52.9%、28.9%、48.4%，產(chǎn)氣中甲烷濃度最高達(dá)到72.4%。
　　5.一定濃度的鎂離子縮短了抗結(jié)殼沼氣反應(yīng)器的發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間

7、，增強(qiáng)厭氧微生物對(duì)底物的利用效率，促進(jìn)了甲烷合成，顯著提高了反應(yīng)器日產(chǎn)氣量。其中以萵筍皮為發(fā)酵原料，鎂鹽最佳添加量為0.30g/L，總產(chǎn)氣量提高了71.4%，池容產(chǎn)氣率為0.398m3/(m3·d)；以馬鈴薯皮為發(fā)酵原料，鎂鹽最佳添加量為0.10g/L，總產(chǎn)氣量提高了41.6%，池容產(chǎn)氣率為0.804m3/(m3·d)。
　　6.具有保溫性能的抗結(jié)殼沼氣反應(yīng)器（8m3）中試試驗(yàn)結(jié)果表明：在平均氣溫為8℃左右的冬季，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行1