溫度和pH值調(diào)控對厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷影響的研究.pdf

1、能源是人類和經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)石化能源的持續(xù)消費給環(huán)境帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。面對儲量有限的傳統(tǒng)能源和日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，開發(fā)利用可再生能源，提升厭氧發(fā)酵效率已經(jīng)成為了當(dāng)前厭氧發(fā)酵的熱點問題。隨著全球集約化畜牧業(yè)如火如荼的發(fā)展，以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的能源發(fā)展?jié)摿Σ豢珊鲆?。本研究以常見農(nóng)業(yè)固體廢棄物為主要研究對象，首先，確定常見秸稈和牲畜糞便在厭氧發(fā)酵中的最佳溫度和初始pH值區(qū)間，根據(jù)各發(fā)酵原料的特性進(jìn)行組合，對不同溫度及初始pH

2、值下混合厭氧消化進(jìn)行優(yōu)化，得到高效厭氧消化的最佳溫度、初始pH值及混合配比;其次，通過混合發(fā)酵過程中降溫和pH值調(diào)控對發(fā)酵過程中不同時段監(jiān)測指標(biāo)的主成分分析，探究各指標(biāo)對甲烷產(chǎn)量的影響;最后，為進(jìn)一步提高混合發(fā)酵的效率，降低發(fā)酵投入，得到最佳發(fā)酵降溫幅度和pH值調(diào)控條件。研究結(jié)論如下:
　　1.不同溫度下各有機物厭氧發(fā)酵效率具有顯著差異。提高發(fā)酵并不意味著縮短發(fā)酵時間。常規(guī)農(nóng)業(yè)廢棄物中，牛糞的最適發(fā)酵溫度區(qū)間偏高，更適宜高溫(55

3、℃)發(fā)酵;豬糞的最適發(fā)酵溫度區(qū)間適中，更適宜中溫(35℃)發(fā)酵;玉米秸稈的發(fā)酵啟動速度較快，水稻秸稈的產(chǎn)甲烷潛力較大。同一溫度下，在固定的發(fā)酵時間內(nèi)，物料的種類和配比影響發(fā)酵停滯期長短，從而引起總產(chǎn)氣量差異。在混合發(fā)酵過程中，豬糞/玉米秸稈混合發(fā)酵適宜中溫(35℃)厭氧發(fā)酵，而牛糞/玉米秸稈混合發(fā)酵適宜高溫(55℃)發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵進(jìn)入到產(chǎn)甲烷階段時，兩種混合原料各配比的產(chǎn)甲烷速率沒有顯著性差異。
　　2.初始pH值會顯著影響厭氧發(fā)酵

4、的啟動時間和產(chǎn)氣高峰持續(xù)時間及峰值，受影響的程度依據(jù)原料性質(zhì)各異。試驗表明牛糞厭氧發(fā)酵過程中pH值回升速度較快，VFA/堿度比值不高于0.4且保持穩(wěn)定。這表明以牛糞為原料的發(fā)酵基質(zhì)緩沖性能較好，發(fā)酵系統(tǒng)更為穩(wěn)定。
　　3.發(fā)酵前期與累積甲烷產(chǎn)量正相關(guān)性最高的是溫度，負(fù)相關(guān)性最高的是C/N比。發(fā)酵中期糞便含量與pH值的回升能力呈正比。發(fā)酵后期糞便含量與氨態(tài)氮積累量呈正相關(guān)。與高溫(55℃)相比，中溫(35℃)更適于產(chǎn)甲烷階段的進(jìn)行，

5、且氨態(tài)氮累積量與發(fā)酵原料C/N有密切的關(guān)系。根據(jù)主成分分析綜合模型評分顯示:55℃牛糞70∶30-8.0、35℃牛糞70∶30-8.0、55℃牛糞70∶30-7.5;35℃豬糞70∶30-8.0、35豬糞70∶30-7.5、55℃豬糞70∶30-8.0處理分別為各原料評分排名前三的處理。根據(jù)糞便/秸稈三因素相關(guān)性回歸方程模型，得到豬糞/玉米秸稈在35℃條件下，糞便含量為47.98％，初始pH值為8.0時，預(yù)計單位甲烷產(chǎn)量可達(dá)到最大，最大

6、值為193.74mL/g VS;牛糞/玉米秸稈在55℃條件下，糞便含量為56.85％，初始pH值為7.5時，可得到最大單位甲烷產(chǎn)量205.11mL/gVS。
　　4.降溫效果受到了發(fā)酵底物特性的影響。降溫對發(fā)酵過程的促進(jìn)/抑制作用并不是隨著糞便含量的增加而增強，在一定的糞便/秸稈范圍內(nèi)，降溫的促進(jìn)/抑制作用才會到達(dá)最大。高溫(55℃)厭氧發(fā)酵過程中在合適的范圍內(nèi)進(jìn)行降溫處理，可以有效降低消化底物中氨態(tài)氮的濃度。試驗表明，降溫對豬糞

7、/玉米秸稈厭氧發(fā)酵各處理起到了促進(jìn)作用。在一定范圍內(nèi)的降溫可以有效提升豬糞/玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣峰的數(shù)量和持續(xù)時間，提高發(fā)酵過程中pH值的回升能力，提升累積甲烷產(chǎn)量;牛糞/玉米秸稈發(fā)酵則對降溫表現(xiàn)較為敏感，不利于pH值的穩(wěn)定性。
　　5.發(fā)酵基質(zhì)的性質(zhì)決定了基質(zhì)對pH值調(diào)控的敏感度。通過在合理范圍內(nèi)調(diào)節(jié)發(fā)酵基質(zhì)的pH值，可有效縮短發(fā)酵停滯期和發(fā)酵周期，提高甲烷產(chǎn)氣效率，降低能源消耗，合理利用資源。當(dāng)發(fā)酵基質(zhì)的C/N比較高時，pH值調(diào)控

8、有效抑制氨態(tài)氮濃度升高趨勢;隨著C/N比的降低，pH值對氨態(tài)氮濃度的有效影響范圍則明顯縮小。偏堿性的發(fā)酵基質(zhì)是提升甲烷產(chǎn)率、獲得較高甲烷產(chǎn)量的調(diào)控方法之一。
　　6.降溫和pH值調(diào)控均會顯著影響累積甲烷產(chǎn)量。在提高產(chǎn)甲烷效率、保證發(fā)酵順利進(jìn)行和降低發(fā)酵能耗消耗的前提下，偏堿性和小幅度降溫調(diào)控是最佳的選擇。優(yōu)化試驗表明，調(diào)控pH值7.65，高溫(55℃)厭氧發(fā)酵溫度降幅為9℃條件下得到最大單位甲烷產(chǎn)量279.40mL/g VS。并且