秸秆高效沼气发酵研究

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本文以玉米秸和麦秸为原料,设定30℃、35℃、40℃三个中温温度梯度和48℃、51℃、54℃、57℃四个高温温度梯度,进行静态厌氧消化产气潜力和特性研究,并确定合适的温度作为秸秆动态厌氧消化运行温度。然后对适宜温度下动态运行的发酵装置和运行工艺控制条件进行了研究,并实现相应的最高池容产气率。主要结论如下:(1) 35~40℃为秸秆中温静态厌氧发酵的合适温度范围。35℃下玉米秸和麦秸原料TS产气率分别为0.492 m3·kg-1和0.499 m3·kg-1;40℃下分别为0.515 m3·kg-1和0.517 m3·kg-1。秸秆高温静态厌氧消化合适的温度范围为51~54℃。51℃下玉米秸和麦秸原料TS产气率分别为0.572 m3·kg-1和0.576 m3·kg-1;54℃下分别为0.528 m3·kg-1和0.530 m3·kg-1。(2)秸秆中温动态厌氧发酵合适的发酵温度首选40℃,在SRT 17~18d,发酵温度40℃下,理想状态的池容产气率2.3~2.4m3·m-3·d-1,原料TS产气率0.41m3·kg-1;高温动态厌氧发酵合适的发酵温度为51~54℃。在原料滞留期17~20d,发酵温度51℃下,理想状态的池容产气率2.3~2.7 m3·m-3·d-1,原料TS产气率0.46 m3·kg-1;在原料滞留期14~15d,发酵温度54℃下,理想状态的池容产气率2.8~3.0 m3·m-3·d-1,原料TS产气率0.42 m3·kg-1。(3)秸秆动态厌氧反应器内物料呈“上部秸秆浮渣-下部发酵液”两相分布,设计底部进料反应器在上部出料;顶部进料反应器在下部出料,出料口在原料浮渣和发酵液接触面附近。(4)对于顶部进料反应器,适当搅拌可以显著增加产气量,平均池容产气率比不搅拌反应器提高了65%。(5)相对于底部进料,顶部进料方式并没有表现出运行优势,在施加搅拌下,其池容产气率仅提高了2%,并且表现出出渣困难。建议秸秆动态厌氧发酵采用“底部进料-上部出料”方式,无需搅拌。(6)在原料滞留期17d左右,秸秆高温(52±1℃)和中温(39±1℃)动态厌氧消化运行的最高有机负荷均为4.71kgTS/(m3·d)左右,最高池容产气率分别为1.92 m3·m-3·d-1和1.63 m3·m-3·d-1,原料TS产气率分别为0.41 m3·kg-1和0.35 m3·kg-1。高温厌氧消化的最高池容产气率和相应原料产气率比中温提高了17%。从升温保温的代价进行考察,认为大型秸秆沼气工程经济可行的发酵温度首选40℃。
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