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农村户用水压式沼气池秸秆两相厌氧发酵及出料间沼气泄露试验研究

作　者: 王永杰
导　师: 张衍林
学　校: 华中农业大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 沼气秸秆回流酶法预处理两相厌氧发酵纤维素户用沼气池甲烷泄漏
分类号: S216.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

今年来随着传统能源带来的能源安全,环境问题等,可再生能源特别是生物质能源开始受到青睐,我国是世界上秸秆资源最为丰富的国家之一。本文对以往不同的预测方法进行总结,预计2010年我国的秸秆总产量约9亿t,其中可收集利用的数量约为8亿t。将此量大而又廉价的农业废弃物秸秆作为原料转变成能源是一项非常有价值的研究。我国沼气工程发展迅速,但户用沼气池的使用普遍存在着缺乏科学的管理的问题,典型问题如粪草联合入池发酵存在的,结块结饼、进出料难的问题。另外,根据观察,发现在实际应用中,开放式的沼气池出料间会不断有细小的气泡产生,直至覆盖整个出料间沼液液面,有时还会有大气泡从池底翻滚上来。针对以上问题,本试验设计了秸秆两相厌氧发酵产沼气的总体试验设计,通过比较沼液和酶法预处理对秸秆及其浸泡液的处理效果,提出了利用酶法预处理后的秸秆进行两相厌氧发酵产沼气的解决方案,并且通过沼液回流,提高系统COD利用率。另外通过对普通水压式沼气池的出料间产气收集分析,得到了出料间的沼气产生速率。实验室试验中以新鲜猪粪作为沼气发酵原料,以30%的TS浓度接种,以纤维素酶和沼液的处理过的秸秆的浸泡液进行间歇进料,探求纤维素酶能否对秸秆的两相消化起到积极作用。通过不同的秸秆浸泡液置换量、置换浓度和置换频率模拟沼液回流,研究了沼液回流对秸秆两相发酵的影响,试验结果显示,用酶处理的浸泡液对产甲烷的作用略好于用沼液处理的浸泡液,大量置换后(2L/次,HRT=2天)的累积沼气产量要明显大于其它几组(1L/次,HRT=4天),而高置换频率(3d一次)的累积产气量要高于低置换频率(7d一次)。不同COD浓度的置换试验中,一定范围内高浓度置换对产CH4促进作用明显,置换液COD浓度为2000mg/L时产气量最高。实际沼气池发酵试验,虽然只采用了未经任何预处理的秸秆与青草联合进行两相厌氧发酵,但是经过多次试验证实了这种厌氧发酵的可行性和实用性。试验发现,在武汉地区夏季典型气温条件下(低温15℃以上,高温25℃以上),当秸秆浸泡液浸泡约4天后COD浓度即可上升到约8000mg/L的水平。两相厌氧发酵系统的产酸器与产甲烷器容积比约为1：4,浸泡液以每4天进料200kg,沼液回流200kg(水力滞留期分别为10天和30天,不计算沼液回流)的条件下,平均产气量达到了630-750L/d,甲烷平均含量约为70%。按照普通农户日常用气量1.5m3计算,该工艺仅可以满足日常用气量的一半。但由于只采用的未经任何预处理的秸秆作为两相发酵原料,因此如果采用机械粉碎,添加化学腐熟剂,酶法等预处理后,该工艺可以得到进一步改进和优化,并且达到满足日常用气量的需要。在出料间气体收集试验中,发现一个8m3的普通沼气池的出料间平均产气率达到了6L/m3·d,最高日产气量(143L)达到了当日主消化池产气量的(770L)19%,6天总产气量(373L)达到了主消化池(4069L)的9.2%。收集到的气体含甲烷约70%。以及C02和微量H2S,证明收集到的气体为典型的沼气。本文通过对秸秆沼气两相发酵研究对目前普遍存在的农村户用沼气使用和管理问题进行总结和提出整改建议。一系列实验室试验和实际沼气池中试试验,证实了秸秆和青草联合两相厌氧发酵产沼气的可行性和经济行。同时针对出料间污泥产沼气和秸秆／青草两相发酵的水力停留时间不够的问题,提出了沼液回流以提高户用沼气池的的解决方法且验证了其实用性。并且,本文在国内首次提出了户用沼气池的出料间沼气泄漏问题,通过试验证明了沼气的泄漏的确存在且问题严重,并且深入探讨了出料间产生沼气的原因。相信这些工作会对未来我国农村户用沼气池池型设计和改进起到一定的指导意义。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章绪论  10-31
  1.1 引言  10
  1.2 秸秆生产规模  10-13
    1.2.1 生物质能废弃物分类  10-11
    1.2.2 农业秸秆资源及分布  11-13
  1.3 秸秆利用途径的分析比较  13-18
    1.3.1 秸秆的成分和特性  14
    1.3.2 秸秆能源化利用技术  14-18
  1.4 厌氧消化技术原理  18-24
    1.4.1 废水处理工艺中的厌氧微生物  18-19
    1.4.2 厌氧消化过程  19-21
    1.4.3 秸秆厌氧消化原理  21
    1.4.4 两相厌氧消化介绍  21-24
  1.5 我国户用沼气发展及现状  24-29
    1.5.1 户用沼气规模  24-26
    1.5.2 常规户用水压式沼气存在的技术问题  26
    1.5.3 秸秆原料的预处理研究现状  26-28
    1.5.4 沼气池的甲烷泄漏问题  28-29
  1.6 研究目的和研究内容  29-31
    1.6.1 研究目的  29-30
    1.6.2 研究内容  30
    1.6.3 研究技术路线  30-31
第二章酶法预处理对秸秆预处理影响  31-49
  2.1 试验材料  31
  2.2 试验方案  31-33
    2.2.1 试验装置  31-32
    2.2.2 试验方案  32-33
  2.3 主要分析项目和方法  33
  2.4 试验结果和分析  33-47
    2.4.1 不同预处理对于秸秆浸泡液的影响  33-34
    2.4.2 不同预处理对于秸秆物理特性的影响  34-35
    2.4.3 置换量、置换频率对发酵效果的影响  35-40
    2.4.4 置换前后VFA的变化  40-42
    2.4.5 置换液COD浓度影响试验方案  42-47
  2.5 本章小结  47-49
第三章秸秆青草联合两相发酵试验  49-56
  3.1 试验材料和仪器  49
  3.2 分析仪器  49-50
  3.3 试验方案  50-51
    3.3.1 两相厌氧发酵的操作条件  50
    3.3.2 试验步骤  50-51
  3.4 试验结果与分析  51-54
    3.4.1 预实验和结果  51
    3.4.2 产酸相结果分析  51-53
    3.4.3 产甲烷相结果分析  53-54
  3.5 本章小结  54-56
第四章出料间沼气泄漏试验  56-61
  4.1 试验材料和仪器  56
  4.2 试验方法  56-57
    4.2.1 试验步骤  56
    4.2.2 试验数据处理方法  56-57
  4.3 试验结果与分析  57-58
  4.4 产气原因讨论  58-60
  4.5 本章小结  60-61
第五章结论和建议  61-63
参考文献  63-69
致谢  69-72
附录A  72

农村户用水压式沼气池秸秆两相厌氧发酵及出料间沼气泄露试验研究

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