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猪场粪污沼气发酵产气动力学研究

杨红男  
【摘要】:温度、进料浓度、有机负荷和发酵工艺是影响猪场粪污沼气发酵处理效果和产气速率的重要因素,目前针对猪场粪污沼气发酵效率影响因素的研究多数只停留在定性的描述,缺少定量的表征。为此,开展了不同温度、进料浓度、有机负荷和发酵工艺条件下的猪场粪污沼气发酵试验,获得了各因素与沼气发酵产气效率之间的动力学关系。主要结论如下:(1)在进料浓度不变的情况下,通过提高进料量逐渐增加有机负荷,获得了15、20、25、30和35oC条件下的最大容积产气率分别为0.136、0.796、1.294、1.527和1.952 LCH4 L-1 d-1,对应的有机负荷分别为1.2、3.6、5.6、5.6和7.2 gVS L-1 d-1,对应的水力停留时间分别是6.7、2.2、1.4、1.4和1.1 d;(2)建立了定量描述容积产气率和有机负荷之间关系的新模型,基于模型适应性统计指标决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和赤池信息量准则(AIC)判断,新模型比以往模型更能准确地描述有机负荷对容积产气率的影响。采用其它研究者公开报道的沼气发酵实验数据验证新模型,结果显示出好的拟合效果,证明了新模型的通用性和适用性。(3)用温度活性系数(θ)表征温度对沼气效率的影响,15~20 oC温度区间的最大容积产气率(Rpmax)、半饱和常数(KLR)和动力学常数(KD)的θ值最大,分别为1.451、1.299和1.322。这表明猪场粪污沼气发酵对对15~20 oC范围的温度变化比20~35 oC范围的温度变化更敏感;根据能量输出~输入比和反应器投资以及加热的总成本分析,将发酵温度从15oC升温到20oC为最佳加热策略。(4)在相同有机负荷条件下(3.2 gVS L-1d-1),不同进料浓度(TS 1~8%,即8~64 gVS L-1)会对产气效率产生影响,表现为中间进料浓度的有机物去除效果和产气效率要高于低和高的进料浓度。(5)ASBR和UBF在猪场粪污沼气发酵上表现出相似的性能,且明显优于USR;ASBR和UBF能很好地截留污泥,而USR中污泥冲刷较严重;粒径大的污泥主要分布在距离反应器底部20~30cm位置;由于严重冲刷,USR上部存留的污泥粒径比其他两反应器要大。(6)除了USR最下层,ASBR,UBF和USR不同高度的古菌种群结构无较大差异,且三个反应器同一高度也无较大差别;ASBR,UBF和USR在古菌种群结构上差异主要体现在反应器最下端;Woesearchaeota_DHVEG~6_norank(Woesearchaeota)和Candidatus Nitrosopumilus(奇古菌门)主要分布在USR底部,分别占61%和23%。


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