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家畜粪便厌氧发酵制取沼气的影响因素及工艺特性研究

作　者: 范云
导　师: 金文标
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 家畜粪便厌氧发酵沼气影响因素工艺特性
分类号: S216.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着我国畜牧业的迅速发展，家畜粪便对生态环境的污染日益严重。如果不能妥善处置家畜粪便，会给大气、水体、土壤带来严重污染，并危及到人类自身健康。另一方面，我国以化石能源为主的能源结构受到了严峻的挑战，迫切需要开发新能源。而厌氧发酵家畜粪便制取沼气，在资源化利用家畜粪便的同时，得到可再生的清洁能源——沼气。本课题的研究内容即为家畜粪便厌氧发酵制取沼气的影响因素及工艺特性的研究。根据文献调研和农场际条件，选择需要考察的厌氧发酵影响因素，并利用序批式实验和模拟半连续实验对影响因素（温度、有机负荷、原料种类）进行考察。设计厌氧折流反应器ABR、上流式厌氧污泥床UASB工艺，启动并调试运行反应器。变化反应器运行条件，考察沼气产率、甲烷含量、乙酸浓度、氨氮浓度等指标，选择最佳的运行条件。本研究主要获得以下的研究成果：（1）与23℃反应温度相比较，35℃更适合家畜粪便为原料的厌氧发酵反应。在35℃条件下，能迅速繁殖出厌氧环境中所需要的不同微生物种群，生物活性较高，能产出甲烷含量较高的沼气。有机负荷为30gCOD/（L·d）时，35℃反应条件下沼气产量(5.8mL_gas/mL_feed)大于23℃沼气产量(0.9mL_gas/mL_feed)；（2）猪粪原料厌氧发酵优于牛粪原料。在35℃的序批式实验中，有机负荷为30gCOD/（L·d）条件下，猪粪原料的沼气产量（80mL/d）高于牛粪原料的沼气产量（43mL/d）。（3）一定范围内，有机负荷越高，沼气产率越大。在半连续实验中，有机负荷为30gCOD/（L·d）、20gCOD/（L·d）、10gCOD/（L·d）时，沼气产率分别为80mL/d、69mL/d、30mL/d。（4）有机负荷为52.2gCOD/（L·d）时，UASB反应器沼气产率最高达32.1gCODCH4/（L·d）。ABR反应器在有机负荷6.0gCOD/（L·d）条件下，沼气产率4.03gCODCH4/（L·d）。ABR反应器沼气产率波动较大，没有UASB沼气产率稳定。（5）沼气中甲烷含量不受有机负荷和反应器类型影响。UASB反应器和ABR反应器的沼气甲烷含量均稳定在75%-80%的较高水平。（6）UASB无回流反应器优于带回流反应器。接种颗粒物体积波动，影响反应器内微生物数量，从而影响厌氧发酵反应。UASB无回流反应器中颗粒物体积稳定（120mL-140mL），而ABR反应器（70mL-110mL）和UASB带回流反应器（80mL-130mL）颗粒物体积均有较大浮动波动。（7）UASB在高负荷下COD去除率没有ABR反应器稳定。有机负荷为12.2gCOD/（L·d）时，UASB反应器COD去除率和ABR反应器基本相同（75%）。但是有机负荷增大之后，UASB反应器的COD去除率（40%-50%）低于ABR反应器。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-23
  1.1 课题背景  11-13
    1.1.1 我国家畜粪便污染现状  11-12
    1.1.2 我国家畜粪便资源化利用现状  12-13
  1.2 国内外厌氧发酵产沼气技术研究现状  13-17
    1.2.1 厌氧发酵技术研究现状  14
    1.2.2 产沼气反应器工艺研究现状  14-17
  1.3 厌氧发酵基本理论  17-20
    1.3.1 厌氧发酵基本原理  17-18
    1.3.2 厌氧发酵过程  18-19
    1.3.3 厌氧发酵影响因素  19-20
  1.4 课题研究的目的意义  20-21
  1.5 课题研究内容  21-23
    1.5.1 技术路线  21-22
    1.5.2 主要研究内容  22-23
第2章试验材料及方法  23-40
  2.1 试验材料  23-25
    2.1.1 原料来源  23-24
    2.1.2 接种物培养  24-25
  2.2 试验装置  25-28
    2.2.1 序批式与半连续反应器实验装置  25
    2.2.2 ABR 反应器装置  25-27
    2.2.3 UASB 反应器装置  27-28
  2.3 检测方法  28-33
    2.3.1 沼气组分测定  29-30
    2.3.2 氨氮浓度检测  30
    2.3.3 挥发性脂肪酸 VFA 检测  30-31
    2.3.4 pH 值检测  31
    2.3.5 化学需氧量 tCOD 与 sCOD 检测  31-32
    2.3.6 TS、VS 检测  32
    2.3.7 TSS、VSS 检测  32-33
  2.4 试验设计  33-40
    2.4.1 厌氧发酵影响因素实验设计  33-35
    2.4.2 ABR 反应工艺实验设计  35-37
    2.4.3 UASB 反应工艺实验设计  37-40
第3章厌氧发酵产沼气影响因素研究  40-49
  3.1 引言  40
  3.2 以猪粪为原料的厌氧发酵产沼气结果分析  40-44
    3.2.1 沼气产率结果分析  40-41
    3.2.2 沼气产量结果分析  41
    3.2.3 化学需氧量 COD 结果分析  41-42
    3.2.4 挥发性脂肪酸 VFA 结果分析  42
    3.2.5 沼气组分结果分析  42-43
    3.2.6 氨氮含量结果分析  43-44
  3.3 以牛粪为原料的厌氧发酵产沼气结果分析  44-47
    3.3.1 沼气产率结果分析  44
    3.3.2 沼气产量结果分析  44-45
    3.3.3 pH 结果分析  45
    3.3.4 挥发性脂肪酸 VFA 结果分析  45-46
    3.3.5 沼气组分结果分析  46-47
  3.4 温度对厌氧发酵反应的影响  47
  3.5 原料种类对厌氧发酵反应的影响  47
  3.6 有机负荷对厌氧发酵反应的影响  47-48
  3.7 本章小结  48-49
第4章厌氧折流板反应器 ABR 设计及工艺特性研究  49-56
  4.1 引言  49
  4.2 沼气产率结果分析  49-50
  4.3 沼气产量结果分析  50
  4.4 沼气中甲烷含量结果分析  50-51
  4.5 挥发性脂肪酸 VFA 结果分析  51-52
  4.6 氨氮含量结果分析  52-53
  4.7 化学需氧量 COD 去除率结果分析  53-54
  4.8 厌氧发酵系统中 pH 变化结果分析  54
  4.9 反应器中颗粒物体积变化结果分析  54-55
  4.10 本章小结  55-56
第5章上流式厌氧污泥床 UASB 设计及工艺特性研究  56-63
  5.1 引言  56
  5.2 沼气产率结果分析  56-57
  5.3 沼气产量结果分析  57-58
  5.4 沼气中甲烷含量结果分析  58
  5.5 挥发性脂肪酸 VFA 结果分析  58-59
  5.6 氨氮含量结果分析  59-60
  5.7 化学需氧量 COD 去除率结果分析  60-61
  5.8 厌氧发酵系统中 pH 变化结果分析  61
  5.9 反应器中颗粒物体积变化结果分析  61-62
  5.10 本章小结  62-63
第6章厌氧发酵家畜粪便制取沼气工艺讨论  63-67
  6.1 引言  63
  6.2 厌氧发酵微生物作用机理讨论  63-64
  6.3 ABR 和 UASB 反应器沼气产量比较  64-65
  6.4 ABR 和 UASB 反应器 COD 去除率比较  65
  6.5 ABR 和 UASB 反应器成本比较  65-66
  6.6 建议与展望  66
  6.7 本章小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-75
致谢  75

家畜粪便厌氧发酵制取沼气的影响因素及工艺特性研究

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