【摘要】：雞糞是典型高氮有機廢棄物,如果不妥善處理會帶來嚴重的環(huán)境污染問題。厭氧發(fā)酵技術(shù)是集中封閉化處理有機廢棄物的方法,具有回收清潔能源和保護環(huán)境的雙重效果。隨著大眾環(huán)境保護意識增強,以及國家推出了清潔能源激勵和環(huán)境保護政策,這為厭氧發(fā)酵技術(shù)推廣應(yīng)用帶來了重要機遇。雞糞是典型高氮原料,且富含硫元素,將雞糞用于厭氧發(fā)酵時容易產(chǎn)生氨抑制和高濃度硫化氫。生物炭因具有良好的吸附性能,所以期望它用于厭氧發(fā)酵中時能緩解上述問題。另外,溫度對氨抑制有直接影響,且寬溫度條件下機理建模比較困難。為此開展了生物炭介導(dǎo)的雞糞不同溫度厭氧發(fā)酵解抑增效特性及過程建模研究。結(jié)果表明生物炭介導(dǎo)厭氧發(fā)酵有利于緩解氨抑制、促進發(fā)酵產(chǎn)氣速率、提高沼氣品質(zhì),實現(xiàn)發(fā)酵過程解抑增效。本研究根據(jù)實驗室前期正交實驗優(yōu)化研究結(jié)果,在15℃、25℃、35℃、45℃、55℃、65℃六個溫度條件下,用10L全混合反應(yīng)器進行了6個添加生物炭和在35℃條件下未添加生物炭的雞糞厭氧發(fā)酵實驗,首先進行了序批啟動實驗,比較了厭氧發(fā)酵系統(tǒng)啟動效率;然后通過調(diào)整水力滯留期、有機負荷以及生物炭的添加比例,進行了半連續(xù)進料實驗,研究了氨氮濃度的溫度特性和微生物群落的溫度特性,探索了生物炭提高啟動性能、緩解氨抑制、促進產(chǎn)氣率、去除硫化氫的特性和機理,構(gòu)建了能適應(yīng)寬溫度范圍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。本研究的主要內(nèi)容和結(jié)果包括以下方面:(1)在六個溫度條件下比較了生物炭介導(dǎo)的反應(yīng)器在批次厭氧發(fā)酵的啟動特性。用常溫接種物在30天的厭氧發(fā)酵序批啟動實驗中,從開始產(chǎn)氣到各反應(yīng)器達到最大產(chǎn)氣率時,35℃和45℃反應(yīng)器微生物菌群的溫度過度順利,僅需7天左右且產(chǎn)氣性能相當;25℃和65℃反應(yīng)器則需要20天左右,但65℃反應(yīng)器因菌群轉(zhuǎn)變使得啟動產(chǎn)氣波動幅度大,但產(chǎn)氣性能比前者強;而55℃反應(yīng)器則需要30天以上,主要是因溫度變化使得菌群轉(zhuǎn)換慢所致;根據(jù)15℃反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)氣量、pH值、氧化還原電位、可溶性COD等參數(shù)表明水解過程順利,而產(chǎn)甲烷菌活性差和生長緩慢才是低溫厭氧發(fā)酵限速的關(guān)鍵;Modified Gompertz模型擬合累積產(chǎn)甲烷量的分析結(jié)果表明序批實驗前20天內(nèi)可達到理論最大產(chǎn)氣量的70%,這為后續(xù)半連續(xù)進料設(shè)計水力滯留期滯留期提供了理論依據(jù)。(2)在六個溫度條件下比較了生物炭介導(dǎo)的反應(yīng)器在半連續(xù)進料厭氧發(fā)酵的溫度特性。在半連續(xù)進料試驗中,生物炭介導(dǎo)的雞糞厭氧發(fā)酵優(yōu)化后的溫度范圍為42.3~44.2℃,15℃提升到25℃的溫度效率值最高(1.233~1.323);統(tǒng)計分析結(jié)果表明溫度對硫化氫濃度和總氨氮濃度(TAN)沒有顯著影響,但是對游離氨(FAN)影響顯著。理論分析結(jié)果表明15℃、25℃、35℃、45℃、55℃、65℃六個溫度條件下的FAN/TAN變化率最大時的中心pH值分別為9.56、9.25、8.96、8.67、8.41、8.16,并且與溫度成反比;另外對微生物古菌高通量測序分析結(jié)果表明,在低常溫(15℃、25℃)中以甲烷粒菌和甲烷絲菌占優(yōu),在中常溫(35℃、45℃)中以甲烷八疊球菌占優(yōu),而高溫(55℃、65℃)則以甲烷嗜熱桿菌占優(yōu)。(3)在中溫條件下揭示了生物炭能加速啟動、去除硫化氫、緩解氨抑制的機理。在35℃反應(yīng)器內(nèi)添加生物炭及對照反應(yīng)器序批啟動試驗中,Modified Gompertz模型擬合結(jié)果表明:生物炭介導(dǎo)的反應(yīng)器生產(chǎn)70%總甲烷產(chǎn)量需要18.99天,比對照組縮短了24%;遲滯時間為2.53天,比對照組降低了41%;最大容積甲烷產(chǎn)氣速率為0.520L·d-1·L-1,比對照組提高了18%。另外完成70%總硫化氫產(chǎn)量需要12.62天,比對照組延長了35%;遲滯時間為3.28天,比對照組提高了52%;最大硫化氫產(chǎn)氣速率為0.788mL·d-1,比對照組降低了96%。在半連續(xù)進料階段,兩個反應(yīng)器產(chǎn)甲烷速率以及氨氮濃度并無顯著差異。微生物群落分析結(jié)果表明生物炭能減少微生物的冗余并富集八疊球菌,使得反應(yīng)器中八疊球菌比例高達74.9%,比對照組高17%,這是生物炭介導(dǎo)的反應(yīng)器對受到氨抑制的影響要小的原因;生物炭介導(dǎo)的反應(yīng)器的硫化氫濃度一直低于對照組,特別是在有機負荷為4g VS·L-1·d-1時,比對照組低1092ppm。qPCR分析結(jié)果表明,添加生物炭后減少了硫酸鹽還原菌數(shù)量,因此從根本上大幅度降低了硫化氫濃度。(4)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行寬溫度范圍甲烷產(chǎn)量預(yù)測能適應(yīng)產(chǎn)量樣本數(shù)據(jù)差異和波動大的特點。用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對B15~B65反應(yīng)器甲烷產(chǎn)量進行50次預(yù)測的相對平均誤差分別為29.61%、8.05%、8.94%、9.06%、9.07%、32.73%,以及38.52%、18.60%、17.09%、14.11%、32.59%、53.73%。前者的預(yù)測效果明顯優(yōu)于后者,不過兩種方法對B15和B65反應(yīng)器、以及各溫度下的甲烷產(chǎn)量突變點預(yù)測效果并不理想。為減小預(yù)測誤差,對六個反應(yīng)器樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過三次樣條插值后,兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測平均相對誤差分別降低到1.24%、2.48%、1.59%、0.78%、0.85%、2.91%和30.46%、4.36%、5.22%、4.90%、11.46%、17.17%,樣本插值后的預(yù)測效果獲得大幅度提升。特別是Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的誤差全部降低到3%以內(nèi),說明該網(wǎng)絡(luò)能適應(yīng)各種樣本差異,通用性強。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S216.4

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本文編號：2421911