高有机负荷下的稻草两级_单级CSTR厌氧消化工艺性能研究

收稿日期院2019-01-19遥基金项目院国家重点研发计划项目渊2018YFC1900903冤遥通讯作者院李秀金(1965-)袁男袁博士袁教授袁研究方向为固体废物处理与资源化遥E-mail院xjli@mail.buct.edu.cn高有机负荷下的稻草两级/单级CSTR厌氧消化工艺性能研究闫香霖袁袁海荣袁李秀金渊北京化工大学环境科学与工程系袁北京100029冤摘要院文章以稻草为原料袁采用两级和单级厌氧消化工艺袁在较高有机负荷渊100袁120袁140g/L冤下对稻草的消化性能进行了研究遥研究结果表明院当有机负荷分别为100袁120袁140g/L时袁两级厌氧消化系统的产甲烷效率分别比单级厌氧消化系统提高了8.8%袁11.5%袁11.8%曰两级厌氧消化系统的产甲烷量主要集中在第一级袁随着有机负荷的提高袁第二级的产甲烷量占比逐渐增加曰两级厌氧消化系统的物质转化率比单级厌氧消化系统更高袁并且两级厌氧消化系统中的大部分物质在第一级去除袁与产气效率的结果相一致曰两级和单级厌氧消化系统在3个高有机负荷条件下均可以稳定运行遥关键词院两级曰高有机负荷曰厌氧消化曰稻草曰沼气中图分类号院TK6曰S216.2文献标志码院A文章编号院1671-5292渊2020冤02-0143-070引言随着环境污染和能源短缺问题的日趋严重袁利用厌氧消化技术将农业废弃物转化为清洁的生物质能源具有重要的现实意义[1]遥目前袁大多数沼气工程通常采用不同规模的全混合式反应器渊CompletelyStirredTankReactors袁CSTR冤袁传统的厌氧消化工艺在同一个CSTR中进行袁虽然易于操作袁但由于反应器中的物料完全混合袁部分原料的实际水力停留时间渊HydraulicRetentionTime袁HRT冤会比理论HRT要短袁这种现象被称为野物料短路冶袁野物料短路冶会导致原料的利用率变低[2]袁[3]遥为了解决野物料短路冶问题袁有研究采用两相厌氧消化渊TwoPhaseAnaerobicDigestion袁TPAD冤工艺袁将酸化阶段和甲烷化阶段在不同的反应器中进行袁并分别优化两个阶段以提高水解速率和产甲烷效率[4]~[6]遥但是袁两相厌氧消化工艺的运行和控制比较复杂袁产酸反应器中容易发生产物抑制袁产酸相的出料在进入产甲烷反应器之前需要调节相关性质袁如pH值尧挥发性脂肪酸渊VFAs冤或营养成分的含量等[7]遥近年来袁有学者提出串联厌氧消化渊SerialAnaerobicDigestion冤的概念袁也被称为两级厌氧消化袁即将两个产甲烷反应器串联袁第一级反应器的出料进入第二级反应器中继续厌氧消化[8]遥在污泥高温厌氧消化的研究中袁BoeK将反应器的体积比分别设置为90颐10和80颐20袁研究结果表明袁两级CSTR工艺的产气效率比单级CSTR工艺提高了11%[3]遥PrasadKaparaju研究了反应器体积比分别为70颐30袁50颐50袁30颐70和13颐87下的两级厌氧消化工艺袁得到最优体积比为70颐30和50颐50[9]遥LiY将数个体积相同的CSTR串联构建HRT不同的两级厌氧消化系统袁以玉米秸秆为原料袁在有机负荷分别为50袁70袁90g/L的条件下进行中温厌氧消化袁研究结果表明袁与单级厌氧消化系统相比袁两级厌氧消化系统的甲烷产量提高了8.3%~14.6%袁且有机负荷越高袁产气效率提高得越明显[10]遥由此可见袁在高有机负荷下袁两级厌氧消化系统更能发挥其产气优势遥为了提高稻草的利用率袁本文在高有机负荷的条件下袁分析两级与单级厌氧消化系统的产气性能袁并在各阶段的稳定期对反应器内的物料进行理化性质分析袁对比两种工艺的物质转化率和系统稳定性袁从而为稻草厌氧消化工艺的优化和改进提供理论依据遥1材料与方法可再生能源RenewableEnergyResources第38卷第2期2020年2月Vol.38No.2Feb.2020窑143窑1.1试验材料稻草取自天津某郊区田地袁将稻草自然风干后用铡刀切成10cm左右的小段儿袁然后通过WN-30B1型粉碎机渊北京锟捷玉诚设备有限公司冤粉碎至20目大小袁收集至自封袋袁储存在阴凉干燥处备用遥试验所用的厌氧消化接种物取自顺义区某猪粪中温厌氧消化沼气厂的出料袁取回后静置一周袁倒去上清液袁置于阴凉处备用遥稻草和接种物的基本性质如表1所示遥为了提高稻草的可降解性袁厌氧消化前采用KOH溶液对稻草进行常温预处理[KOH尧稻草的总固体渊TS冤以及水的质量比为4颐100颐600]袁处理时间为3d[11]遥1.2试验设计本文采用的CSTR的总体积为25L袁工作体积为20L袁温度保持在35依1益袁每2h以60r/min的转速搅拌10min遥基于前期的研究成果袁将两级厌氧消化系统中第一级的HRT设置为33d袁第二级的HRT设置为17d遥两级厌氧消化系统包括3个CSTR袁