论文部分内容阅读
厌氧发酵过程是由多种微生物菌群组成的极其复杂的生态系统。降解有机物质和产生可燃性气体（CH4）是厌氧发酵技术的两个基本功能。因此，其在生活污水、农林残余物、工业废水和禽畜粪便等有机废弃物的处理上具有显著的优势。影响厌氧发酵性能包含诸多因素，发酵体系温度、水力停留时间（HRT，hydraulic retention time）、有机负荷率（OLR，organic loading rate）是其中主要的几个因素。这些因素之间相互关联，如随着发酵温度的不同，HRT与OLR等都将随之发生相应的改变。目前，我国在厌氧发酵工程上基本采用的都是中温厌氧发酵工艺，而高温厌氧发酵工艺主要还处在实验室研究阶段。本论文实验分两个阶段进行考察。第一阶段内，同时进行两组中温厌氧发酵实验：其中一组发酵实验是在35℃的发酵温度，6%的起始发酵总固体（TS,totalsolid）浓度下，以猪粪为发酵原料，运行良好的中温猪粪厌氧发酵罐的流出液为接种物启动厌氧发酵，并于10d后，考察HRT=20d，OLR=3.125gTS·L-1d-1的半连续厌氧发酵情况。另一组实验，则是以10%的起始总固体浓度启动厌氧发酵，并于10d后，考察HRT=20d，OLR=5.208gTS·L-1d-1的发酵情况。第二阶段，取上一阶段两组发酵实验中最为合适的发酵条件，通过缓慢升温的方式（发酵温度最终停留在50℃）对菌种进行为期49d的高温驯化，然后逐步改变HRT与OLR，以筛选出高温猪粪厌氧发酵最优的工艺条件。通过实验可得出以下结论：（1）在20d，甚至更短的HRT下，中温厌氧消化工艺并不适用于较高OLR下的猪粪发酵，且进行批次厌氧发酵时，发酵的起始总固体浓度不宜超过10%。当OLR从3.125gTS·L-1d-1提高到5.208gTS·L-1d-1时：（a）日产气量的波动幅度更加显著，虽然最终的日产气量从31.14L/d上升到34.49L/d，但甲烷含量却由67.53%降低到39.13%；甲烷TS产气率从280.20mLCH4·g-1TS-1降至106.63mLCH4·g-1TS-1；CH4容积产气率则从0.700LCH4·L-1d-1减少到0.450CH4·L-1d-1。（b）最终氨氮浓度从454.051mg/L升高到848.527mg/L。根据相关的报道，在此氨氮浓度下并不会发生氨氮抑制现象。（c）发酵系统中的挥发性脂肪酸（VFA，volatile fatty acids）浓度（以乙酸计）由3579.833mg/L上升到6525.635mg/L，此时的挥发性脂肪酸含量对产甲烷菌造成抑制，这也是甲烷含量下降的主要原因之一。（d）从pH值上看，发酵起始TS浓度为10%时，出现了明显的酸化现象，pH值在6.7左右持续8d，才出现上升的趋势。（e）由于中温发酵的降解率较慢，因此两组发酵实验中TS和挥发性物质（VS，volatile substances）去除率也都不高，仅为32.12～41.06%。（2）高温菌种驯化中，37～43℃温度范围内，CH4含量、VFA浓度和日产气量的变化相对于43～50℃来说，相对显著的多。因此，在37～43℃的温度范围内，厌氧发酵菌群对温度的变化较为敏感，不建议在这个温度范围内进行猪粪厌氧发酵。（3）高温厌氧发酵在产气量、水力停留时间、降解速率等发面具有十分突出的优势。与中温HRT=20d，OLR=3.125和5.208gTS·L-1d-1下的厌氧发酵相比，高温厌氧发酵日产气量分别比中温厌氧发酵高出16.67%和78.66%；甲烷含量则分别高出5.73%和30.54%；TS去除率分别高出12.22%，27.41%；VS去除率分别高出15.30%和31.81%。但氨氮浓度也比中温厌氧发酵分别高出38.30%和50.50%，因此高温厌氧发酵较中温厌氧发酵更容易发生氨氮抑制现象。在高温厌氧发酵的实验中，当HRT=5d，OLR=10.650gTS·L-1d-1时，高温厌氧发酵达到最优的CH4容积产气率，为2.552LCH4·L-1d-1，此时TS甲烷产气率为299.33mLCH4·g-1TS-1；HRT=20d，OLR=3.125gTS·L-1d-1时，TS甲烷产气率达到最高，为354.87mLCH4·g-1TS-1，此时CH4容积产气量最低，为0.888LCH4·L-1d-1。（4）通过能量盈余的比较可得，高温厌氧发酵较中温厌氧发酵更具优势。当OLR=3.125gTS·L-1d-1和5.208gTS·L-1d-1时，高温厌氧发酵的能量盈余比中温厌氧发酵分别高出198881.6kJ和1052973.4kJ，能够产生更高的经济效益。从原料利用率和能量盈余上综合考虑，HRT=5d，OLR=10.567gTS·L-1d-1时，能量的盈余最优，为2716753kJ。