豬糞兩相厭氧發(fā)酵產氫——甲烷技術與試驗研究.pdf

1、厭氧發(fā)酵產氫的研究日漸被重視,工藝應用可行性及發(fā)酵后處理仍然是研究重點。本文以兩相厭氧發(fā)酵機理為理論基礎,創(chuàng)新性的提出以豬糞為底物的兩相厭氧發(fā)酵產氫氣-產甲烷工藝,以產氫后的上清液作為發(fā)酵底物進行厭氧發(fā)酵產甲烷,既以產甲烷相發(fā)酵作為產氫相殘留物的后處理工藝,又以產氫相發(fā)酵作為產甲烷的預處理工藝,共同組成厭氧發(fā)酵產氫氣-產甲烷系統(tǒng),獲得氫氣和甲烷兩種生物氣。在研究過程中采用兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng),以豬糞為發(fā)酵底物,研究了不同產氫污泥預處理方法、

2、不同中間產物和不同工藝參數(shù)對氫氣和甲烷的產出率、有機質的降解率、發(fā)酵途徑的影響,并建立了底物降解動力學模型。主要研究成果包括:
　　 1.產氫相發(fā)酵殘留物乙醇、乙酸、丙酸和丁酸對發(fā)酵產甲烷的影響的研究表明,丁酸型發(fā)酵是最佳的產酸階段發(fā)酵類型,丙酸的初始濃度是影響四種組分降解速率和甲烷產量的最主要因素。當?shù)孜镏斜岬臐舛葹?00 mg/L時,發(fā)酵瓶中的乙醇、乙酸、丙酸和丁酸出現(xiàn)嚴重積累,產甲烷菌的活性受到嚴重抑制而使得產氣量很低。

3、產甲烷菌繁殖速率與底物中丙酸初始濃度呈極顯著的負相關性,與丁酸的初始濃度呈現(xiàn)顯著正相關性,而與乙醇、乙酸的初始濃度相關性不大。根據(jù)一級降解模型建立了二級降解過程耦合動力學模型:G=(1-e-Kt)(L0+a1)-KL0te-Kt,可預測由揮發(fā)性脂肪酸降解得到的累積甲烷產量。
　　 2.采用葡萄糖溶液為發(fā)酵底物,進行兩相厭氧發(fā)酵工藝研究,結果表明第一相氫氣產氣率隨熱處理溫度和時間、堿處理和酸處理pH值的增大先升高后降低,第二相甲烷

4、產氣率受熱處理和堿處理影響與其類似,但隨酸處理pH值的增大先降低后升高。80℃熱處理30min組具有最好的產氫效果,90℃熱處理30min組具有最好的產甲烷效果,產氣率分別達到448.3mLH2/g COD、659.3 mL CH4/g COD,改良的Gompertz動力學模型能很好的預測試驗的最大產氫率。
　　 接種污泥預處理方法對發(fā)酵物降解途徑及揮發(fā)性脂肪酸生成量影響較大,從而影響到氫氣和甲烷的產量。除了未處理組和90℃及1

5、00℃熱處理組外,其他組第一相總酸生成量都在10000.0mg/L以上,氫氣產氣率比未處理組提高30.00％以上,但隨著發(fā)酵類型由乙醇型和丁酸型向丙酸型轉變,氫氣及甲烷產氣率有降低的趨勢。
　　 3.采用豬糞為發(fā)酵底物,進行兩相厭氧發(fā)酵工藝研究,結果表明熱、堿、酸預處理對第一相產氫和第二相產甲烷能力均有影響,處理效果依次為熱處理>堿處理>酸處理。經過80℃熱30min處理后具有最大氫氣產氣率44.5ml H2/g TS,比污泥未

6、處理組高77.36％；該組發(fā)酵液殘留物具有最大的甲烷產氣率163.3ml/g TS,比未處理組高18.06％。第一相在發(fā)酵前72h乙醇、丁酸生成速度較快,氫氣產量較高,達到總產量的70％以上；隨后乙醇、丁酸生成速度變慢,丙酸濃度迅速增大,同時氫氣產量降低。第二相中,當總酸濃度在10000.0mg/L以上時產甲烷菌活性受到抑制,平均甲烷產生速率為2.56mL CH4/g TS·d；但總酸降至6000.0-7000.0mg/L時抑制性大大降

7、低,至發(fā)酵結束時平均甲烷產生速率為15.48 CH4/g TS·d。采用Quadratic模型建立的總酸降解速率回歸方程顯著性及擬合度最高。
　　 4.通過中心組合正交設計,采用初始pH值、HRT、豬糞濃度為因素,氫氣產量、最大產氫速率、乙酸、丙酸和丁酸的產量為評價指標,建立產氫相回歸模型。綜合發(fā)酵效果各個衡量指標來看,當初始pH值在5.85-6.20之間,水力停留時間在3.38d-4.12d之間,底物濃度在47.68g TS/

8、L-56.88gTS/L之間時產氫相具有最好的發(fā)酵及產氣效果?？紤]到發(fā)酵效率及降低丙酸產量,應取水力停留時間為3.38d,底物濃度為47.68g TS/L。
　　 5.通過正交設計,采用產氫相殘留物、初始pH值、攪拌頻率、接種率為因素,甲烷產量、甲烷產氣率及COD去除率為評價指標,建立產甲烷相發(fā)酵回歸模型。綜合這三個指標來看,當初始pH值調至6.75時三個指標均具有最佳值；當攪拌頻率為0次/d時甲烷產氣率有最高值,4次/d時甲烷

9、產量及COD去除率具有最大值；但進水種類與接種率對三個指標的影響差異較大,針對不同要求可取產氫相初始pH值為6.20、HRT為5.00d、底物濃度為56.88g TS/L時的發(fā)酵液殘留物或初始pH為5.70、HRT為4.00d、底物濃度為42.66g TS/L時的發(fā)酵液殘留物,20％或30％接種率。極差及方差分析結果表明,影響總產氣量的主要因素為進水種類,呈極顯著關系(P=0.0019),其它因素影響不顯著；這四個因素對COD去除率及甲

10、烷產氣率的影響均不顯著。發(fā)酵液的主要發(fā)酵類型為丙酸型發(fā)酵和乙醇型發(fā)酵,試驗中發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液的pH值保持中性是保證丙酸高的降解速率的關鍵。
　　 6.兩相厭氧發(fā)酵產氫-產甲烷的驗證試驗和單相厭氧發(fā)酵產甲烷試驗表明兩種試驗的產氣周期沒有區(qū)別。單相厭氧甲烷發(fā)酵中甲烷平均含量為63.71％,產氣率為240.9ml/g TS；兩相厭氧發(fā)酵中第一相所產氣體中氫氣平均含量為63.05％,產氣率為64.9 ml/g TS；第二相所產氣體中甲烷平均含