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,沼液發(fā)酵溫度較低,常用發(fā)酵原料營養(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題,延長了沼氣反應(yīng)器的發(fā)酵啟動時間,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。針對上述問題,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,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6 mm,材料壓縮強(qiáng)度達(dá)到140 MPa以上,彎曲強(qiáng)度超過120 MPa。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0.099 W/(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。同時該有機(jī)玻璃鋼材料具有較好耐酸性,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,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)濃度為4%時,抗結(jié)殼沼氣反應(yīng)器對原料的利用更充分,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11.2 L,原料產(chǎn)氣率為600.0 L/(kg·TS),COD去除率為69.7%,產(chǎn)氣中甲烷濃度較高,長期地穩(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提高沼氣反應(yīng)器的發(fā)酵產(chǎn)氣性能,加快發(fā)酵啟動,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、0.015 g/L時,其最大的池容產(chǎn)氣率分別為0.869、0.732、0.843 m~3/(m~3·d),總產(chǎn)氣量分別比未添加時提高了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)酵啟動時間,增強(qiáng)厭氧微生物對底物的利用效率,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0.30 g/L,總產(chǎn)氣量提高了71.4%,池容產(chǎn)氣率為0.398 m~3/(m~3·d);以馬鈴薯皮為發(fā)酵原料,鎂鹽最佳添加量為0.10 g/L,總產(chǎn)氣量提高了41.6%,池容產(chǎn)氣率為0.804 m~3/(m~3·d)。 6.具有保溫性能的抗結(jié)殼沼氣反應(yīng)器(8 m~3)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15天產(chǎn)氣仍然穩(wěn)定,最大日產(chǎn)氣量為2.688 m~3/天,平均池容產(chǎn)氣率為0.215 m~3/(m~3·d);產(chǎn)氣氣壓最高達(dá)12 kPa,沼液表面無結(jié)殼現(xiàn)象;同時反應(yīng)器保溫性較好,充分利用了發(fā)酵的代謝產(chǎn)熱,沼液溫度比常規(guī)沼氣池高3-4℃,有利于冬季低溫條件下的沼氣生產(chǎn)。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：S216.4
【部分圖文】：

攪拌式和靜置式，連續(xù)流和攪拌式在大中型沼氣工程中應(yīng)用廣泛，而適散性和簡便性特點(diǎn)的是序批式和靜置式的操作方式。從溫度控制來看，器可以分為常規(guī)沼氣池，太陽能沼氣池和加熱式沼氣池。常規(guī)沼氣池溫環(huán)境變化而變化，產(chǎn)氣季節(jié)性強(qiáng)；太陽能沼氣池則依靠太陽能轉(zhuǎn)換加熱液溫度，一方面投資成本較高，另一方面受氣候條件影響大；加熱式沼依靠消耗化石能源來換取微生物沼氣，凈增能值較低。目前我國使用的池分類如下：規(guī)型厭氧反應(yīng)器類反應(yīng)器以農(nóng)村戶用水壓式沼氣池為典型代表，反應(yīng)器從上到下存在上清液層，活性層和沉渣層四個分層。該類反應(yīng)器在農(nóng)村應(yīng)用較多，市最大，一般常溫運(yùn)行，但效率較低。目前廣泛使用的沼氣池有水壓式沼式沼氣池、半塑式沼氣池和罐式沼氣池 4 種基本類型。在建池材料方面用混凝土現(xiàn)澆施工工藝，沼氣池鋼模和木模澆灌技術(shù)正在發(fā)展，組裝式在積極的開發(fā)當(dāng)中，沼氣池商品化已成大勢所趨。

世紀(jì) 90 年代提出沼氣發(fā)酵系統(tǒng)以來，常規(guī)沼氣發(fā)酵利用由單利用。人們改造沼氣池，結(jié)合廁所、豬圈等逐步形成了南方體、北方四位一體及西北“五配套”的農(nóng)村沼氣能源生態(tài)發(fā)展模，系統(tǒng)綜合價值增加。厭氧污泥床（UASB）應(yīng)器主要由污泥床，懸浮層和三相分離器組成，其發(fā)展較快，有機(jī)負(fù)荷率很高，有可以形成微生物固定化的優(yōu)勢，不但改增加工藝穩(wěn)定性，增強(qiáng)抵抗能力。但此類反應(yīng)器不適合用于廢棄物。

圖 1.5 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器Fig.1.5 Internal Circulation (IC) Anaerobic[30]我國沼氣發(fā)酵中存在的突出問題種形式的厭氧沼氣反應(yīng)器，特別是農(nóng)村戶用沼氣池調(diào)查研酵裝置一般采用磚混組合和混凝土現(xiàn)澆的水壓式沼氣池，能力強(qiáng)，施工方便，省工省料，造價低等優(yōu)點(diǎn)，因此在農(nóng)其缺點(diǎn)也較明顯：一是缺乏自動攪拌和破殼功能，沼液表發(fā)酵底物傳質(zhì)、氣液流動及產(chǎn)生氣體的導(dǎo)出，產(chǎn)氣時間大二是保溫功能較差，發(fā)酵代謝產(chǎn)熱散失嚴(yán)重，沼氣發(fā)酵受氣溫較低的條件下產(chǎn)氣基本停止，必須外在供給能量維持便又消耗能量。以上兩個突出問題是限制農(nóng)村戶用沼氣池表面浮渣結(jié)殼產(chǎn)生過程中的生化反應(yīng)是依靠微生物的代謝活動進(jìn)行的，從
【引證文獻(xiàn)】

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1 王永忠;彭震;廖強(qiáng);朱恂;陳蓉;;鎂離子對沼氣反應(yīng)器中萵筍皮和馬鈴薯皮發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報;2012年06期

本文編號：2866556