温度对厌氧消化产气特性影响研究

【摘要】： 厌氧消化技术具有显著的能源、经济、生态和社会效益,在农作物秸秆和人畜粪便等废弃物的无害化处理及资源化利用中已得到广泛应用。影响厌氧消化过程的因素很多,反应机理非常复杂。温度是影响厌氧消化的主要因素之一。早在20世纪30年代开始,Buswell和其他学者对厌氧微生物和产气条件之间的关系进行了系统研究,发现在厌氧消化过程中,温度对其影响尤为重要。温度的适宜与否直接决定了厌氧消化的成败。目前为止,温度对厌氧消化产气量和对原料发酵时间长短的影响没有确定的数据和记录。理论上,10～60℃的范围内,沼气均能正常发酵产气。在实际操作中,很多地区根据理论值指导生产,却没有收到显著的成效,结果造成人力、物力和财力的浪费。所以研究和探索厌氧消化过程中,不同发酵温度对厌氧消化产气量、产气速率的变化规律,寻求最优的发酵温度很有必要,本研究旨为实现沼气发酵的可控化及我国沼气发酵适宜区的评价提供科学依据,同时也为解决农业废弃物不合理利用而造成的环境污染问题和农业环境污染源头治理对策提供理论依据和技术支撑。 该试验通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置,以作物秸秆(麦秆、稻秆、玉米秸秆)和粪便(猪粪、牛粪、鸡粪和人粪)作为发酵原料,以常温厌氧发酵池的底物为接种物,在总固体TS(Total Solid)质量分数为8%的条件下进行批量试验,在25～40℃温度范围内,每5℃设一个温度梯度,研究了不同发酵温度对厌氧消化产气速率、产气量及发酵时间的影响,并用SAS软件对试验结果进行多元回归分析,建立最优回归方程,得出不同发酵原料的最优发酵温度及相应的消化时间和最大干物质累积产气量。得出以下主要结论: (1)由SAS软件对试验结果进行多元回归分析,得出厌氧消化累积产气量( f )与发酵温度( )xT和发酵时间( )xd的回归方程:从逐步回归的方差分析结果看,回归模型均达到显著水平,得出了不同发酵原料的最优发酵温度及相应的消化时间和最大干物质累积产气量。 (2)由回归分析结果得知,猪粪、牛粪和鸡粪作为单一发酵原料时的厌氧消化的最优温度在32℃以上,发酵周期为75d左右;作物秸秆厌氧消化的最优发酵温度均在52℃以上,相应的消化时间在100d左右;粪便(猪粪、牛粪)与作物秸秆(麦秆、稻秆、玉米秸秆)混合厌氧消化所需的最优温度均在30℃以上,且60d左右发酵原料就可以发酵充分。 (3)由试验结果得知不同发酵原料在4个温度组下均能正常产气。在发酵初期,30℃、35℃两个温度组的累积产气量及产气速率都呈现明显的增长趋势;25℃、40℃两个温度组需经过短暂的停滞期后才能正常产气。 (4)在本试验设置的温度温度范围内(25～40℃),以作物秸秆作为单一发酵原料时的累积产气量是随着温度的升高而增大,但以粪便作为单一发酵原料和粪便—作物秸秆配比的累积产气量并不是随着温度的升高而增大。 (5)在一定的温度范围内(以该原料最优发酵温度为界),厌氧发酵的产气速率的峰值出现的时间和发酵周期是随着温度的升高而缩短,其峰值和产气量是随温度的升高而增加。但是当温度超过该原料最优发酵温度值后其产气速率和产气量反而随着温度的升高而下降。 (6)由试验结果和回归分析结果得知,消化时间不总是随着温度的升高而缩短。影响厌氧发酵的因素很多,每个影响因素都可能对厌氧发酵的发酵时间长短有影响,所以单一以温度来断定厌氧发酵时间的长短是不可行的。 (7)由回归分析结果得出,影响麦秆、稻秆和玉米秸秆厌氧发酵的最优发酵温度超过本实验范围,仍需要进一步试验验证。