發(fā)布時間：2020-11-09 12:58

　　 沼氣作為生物質厭氧發(fā)酵后的產物,在為人類提供清潔能源的同時還可以將有機質廢物通過其厭氧過程降解而達到無害化處理的目的。隨著我國小城鎮(zhèn)近年來建設的迅猛發(fā)展,小城鎮(zhèn)有機垃圾的沼氣工程處理方式越來越受到人們的重視。本研究結合“十二五”國家科技支撐項目“寒冷地區(qū)中小型城市垃圾干法連續(xù)發(fā)酵技術集成與示范”,針對北方地區(qū)沼氣發(fā)酵過程的存在的能量投入大、干法發(fā)酵過程發(fā)酵原料的傳質性差等問題,對北方地區(qū)有機垃圾沼氣干法發(fā)酵過程的能量損失和有效增保溫措施、以及原料的發(fā)酵特性、厭氧菌群分布和改善發(fā)酵原料的流動性等關鍵問題進行了深入地研究。本研究將為北方地區(qū)干法厭氧發(fā)酵沼氣工程的推廣應用提供了技術支撐。為了研究我國北方寒冷地區(qū)條件下沼氣工程運行過程的能量投入產出及能量效益情況,本文針對北方寒冷地區(qū)的氣候特點,以哈爾濱雙城市建立的沼氣工程為例,通過對其運行過程中發(fā)酵罐體散熱、進出料過程能量損失、加溫循環(huán)管路散熱等熱量損失計算,得出冬季和全年平均每天的熱能損耗分別為14694.4MJ、12185.7MJ；通過分析其采用沼氣鍋爐、太陽能集熱、發(fā)電機組余熱回收利用等不同增溫方式的熱利用效率,得出該工程要實現全年平均和冬季每天維持工程正常運轉還需增加的能量投入分別為1377.4MJ、3887.2MJ。通過分析其運行過程中能量消耗與產生沼氣獲得的熱能,得出該工程在冬季和全年產生沼氣的能量效益分別為48.79%、57.54%。為實現北方寒冷地區(qū)沼氣工程的穩(wěn)定運行,研究構建了1套太陽能一發(fā)電余熱中溫厭氧發(fā)酵增溫系統(tǒng),并分別對沼氣發(fā)酵熱負荷、發(fā)電機組余熱回收利用率、太陽能集熱裝置熱效率等關鍵參數進行了分析,分析表明：該沼氣工程全年平均每日熱能損耗為6659.2MJ,太陽能—發(fā)電余熱中溫厭氧發(fā)酵增溫系統(tǒng)全年平均每日集熱量為7017.6MJ,全年中只有1、2月份系統(tǒng)需沼氣發(fā)電機組額外提供378.6kW·h和286kW·h電量增溫,該系統(tǒng)可以對全年平均熱損耗進行補充并維持工程穩(wěn)定運行。通過沼氣發(fā)電機組和太陽能熱水系統(tǒng)的結合,既可減小投入,又可根據所需要的增溫能量進行適當的調控,在實際應用中具有可操作性和應用的可行性,具有經濟性和實用性雙重效益。為寒冷氣候條件下沼氣工程的常年穩(wěn)定運行提供保障。本文還以城市有機垃圾為發(fā)酵原料,研究了厭氧發(fā)酵啟動階段與產氣階段微生物菌群結構、數量變化情況與沼氣產量之間的關系,測定了在發(fā)酵過程中pH值、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、氧化還原電位等相關指標。結果表明,啟動階段初期好氧和兼性厭氧細菌屬優(yōu)勢菌,其中產酸菌增殖速率高于氨化細菌,是啟動階段降解有機質的主要菌群。隨后厭氧細菌快速增殖,日增殖速率由不足20%增長到近100%并保持穩(wěn)定。厭氧纖維素降解菌在啟動階段增殖較慢,原料中纖維素降解在厭氧發(fā)酵后期。原料液VFA中丁酸含量最多,最高濃度4.7mg·mL-1以上,占有機酸總量總量的46%以上,厭氧發(fā)酵類型為丁酸發(fā)酵型。產甲烷菌在啟動階段初期基本沒有增殖,第25d左右達到最大值3.24×1010個/ml,隨后產甲烷菌在整個盛產期數量維持在這一數量級上。厭氧纖維素降解菌菌數呈現緩慢增長的趨勢,直到投料的第45d才增加到106個/ml�？臻g上厭氧產酸菌和甲烷菌的數量均是中心部分比邊緣部分多,底部比頂部多；厭氧氨化菌數量較多的為中部邊緣和中部中心位置；厭氧纖維素降解菌也是底部的菌數較多。另外,揮發(fā)性脂肪酸、氨氮濃度的變化趨勢在空間上和菌數的變化一致,菌數多的部位,產物也相對較多。為改善厭氧干法發(fā)酵的流動性,本文對城市有機垃圾與市政污泥混合固態(tài)發(fā)酵粘度的前后變化進行了分析。結果表明,原料的配比濃度對粘度有較大影響,污泥濃度越大其粘度也越大,成正比關系,而且發(fā)酵前的粘度是發(fā)酵后的1-3倍；混合物料在較低溫度條件下,溫度下降對粘度值的影響較大,而溫度較高時,溫度變化對粘度值的影響相對變緩；不同含量的有機垃圾與污泥的表觀粘度不同,發(fā)酵前污泥每增加一份后,物料的粘度增加15,41%,而增加一份的有機物后,物料粘度則降低12.79%；經發(fā)酵后的物料中,每增加一份污泥,物料的粘度增加10.26%,而在增加一份有機物后,物料的粘度則降低6.92%;且隨著剪切速率的增加表觀粘度逐漸降低至最后趨于穩(wěn)定。
【學位單位】：沈陽農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2014
【中圖分類】：S216.4
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 城市生活垃圾資源與沼氣化發(fā)展現狀概述
    1.2 厭氧技術處理有機生活垃圾的應用意義
    1.3 國外厭氧固態(tài)發(fā)酵技術與工程增溫保溫發(fā)展現狀
        1.3.1 國外厭氧固態(tài)發(fā)酵技術現狀
        1.3.2 國外固態(tài)發(fā)酵反應器研究現狀
        1.3.3 國外沼氣工程增溫保溫工藝發(fā)展現狀
    1.4 我國厭氧固態(tài)發(fā)酵技術與工程增溫保溫發(fā)展現狀
        1.4.1 我國厭氧固態(tài)發(fā)酵現狀
        1.4.2 我國沼氣工程增溫保溫發(fā)展現狀
    1.5 我國厭氧發(fā)酵制取生物質燃氣工藝發(fā)展趨勢分析
    1.6 課題的提出
第二章 北方寒冷地區(qū)沼氣工程增溫保溫能量效益分析
    2.1 引言
    2.2 沼氣工程能量消耗分析
        2.2.1 沼氣罐體散出熱量
        2.2.2 進出料熱量損失
        2.2.3 加熱循環(huán)管的熱損失
    2.3 沼氣工程增溫能量分析
        2.3.1 太陽能增溫
        2.3.2 鍋爐增溫
        2.3.3 發(fā)電余熱利用增溫
    2.4 實例分析
        2.4.1 工程熱能耗計算
        2.4.2 工程采用的增溫方式分析
        2.4.3 工程能量平衡模型構建與效益分析
    2.5 本章小結
第三章 太陽能與發(fā)電余熱復合沼氣增溫系統(tǒng)設計與應用
    3.1 引言
    3.2 復合沼氣增溫系統(tǒng)設計
        3.2.1 中溫厭氧發(fā)酵增溫系統(tǒng)工作原理分析
        3.2.2 太陽能—發(fā)電余熱中溫厭氧發(fā)酵增溫系統(tǒng)設計
    3.3 增溫系統(tǒng)能量計算
        3.3.1 中溫厭氧發(fā)酵罐熱負荷理論計算
        3.3.2 太陽能集熱系統(tǒng)熱負荷計算
        3.3.3 沼氣發(fā)電余熱回收系統(tǒng)熱負荷計算
    3.4 太陽能—發(fā)電余熱系統(tǒng)增溫應用試驗
    3.5 本章小結
第四章 城市生活垃圾物料特性及固態(tài)發(fā)酵產氣特性分析
    4.1 引言
    4.2 材料和方法
        4.2.1 試驗材料
        4.2.2 發(fā)酵裝置及操作
        4.2.3 分析方法
    4.3 結果與分析
        4.3.1 城市生活垃圾含量的季節(jié)性變化
        4.3.2 城市生活垃圾厭氧發(fā)酵pH趨勢
        4.3.3 日產氣量及產氣率趨勢
        4.3.4 甲烷積累量及含量變化
        4.3.5 總有機酸（VFAs）含量變化趨勢
        4.3.6 氧化還原電位（OPR）變化趨勢
    4.4 本章小結
第五章 有機生活垃圾固態(tài)發(fā)酵厭氧菌群分布模型構建與研究
    5.1 引言
    5.2 材料和方法
        5.2.1 試驗材料
        5.2.2 試驗裝置
        5.2.3 分析方法
        5.2.4 試驗試劑和培養(yǎng)基配置
    5.3 結果與分析
        5.3.1 日產氣量、甲烷含量變化
        5.3.2 發(fā)酵過程中厭氧微生物菌群時空上的變化
    5.4 菌群分布模型的構建
        5.4.1 產酸、產甲烷、產氨之間的相互關系
        5.4.2 產酸菌與產甲烷菌群分布模型的構建
    5.5 本章小結
第六章 有機生活垃圾與污泥混合厭氧固態(tài)發(fā)酵的流動特性研究
    6.1 引言
    6.2 試驗方法
        6.2.1 含水率及揮發(fā)性固體的測定
        6.2.2 原料粘度的測定
    6.3 試驗結果與分析
        6.3.1 試驗原料特性分析
        6.3.2 不同混合比例物料粘度分析
        6.3.3 不同混合比例物料粘度分析
        6.3.4 剪切速率對粘度的影響分析
    6.4 本章小結
第七章 結論和創(chuàng)新點
    7.1 主要結論
    7.2 論文的創(chuàng)新點
    7.3 對下一步工作的建議
參考文獻
致謝
攻讀學位論文期間科發(fā)表文章

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