利用沼液回流提升稻秸厭氧消化床傳質(zhì)與發(fā)酵性能研究

1、利用沼液回流提升稻秸厭氧消化床傳質(zhì)與發(fā)酵性能研究中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó), 農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量巨大, 將其沼氣利用被認(rèn)為是環(huán)境經(jīng)濟(jì)最可行的方式之一。然而 , 現(xiàn)有秸稈沼氣發(fā)酵工藝存在易結(jié)殼、運(yùn)行不暢等問(wèn)題,嚴(yán)重限制能源化轉(zhuǎn)化效率。本研究基于現(xiàn)有秸稈沼氣發(fā)酵工藝, 優(yōu)化設(shè)計(jì)床式發(fā)酵試驗(yàn)裝置; 假定稻秸發(fā)酵床為多孔介質(zhì), 分析回流沼液在厭氧消化床內(nèi)稻秸間傳質(zhì)過(guò)程。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合傳質(zhì)過(guò)程理論分析, 開(kāi)展不同梯度發(fā)酵濃度和回流率的批次試驗(yàn), 探究沼液回流對(duì)稻秸物質(zhì)降解和產(chǎn)氣性能的影響。最后 , 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了優(yōu)化裝置和工藝的運(yùn)行能耗及凈能產(chǎn)出, 主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下: （ 1）改進(jìn)設(shè)計(jì)了床式秸稈沼氣發(fā)酵反

2、應(yīng)器, 處理富含疏松多孔的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)。設(shè)置網(wǎng)框?qū)⒌窘展潭ㄗ鳛榘l(fā)酵床, 通過(guò)水力循環(huán)攪拌,實(shí)現(xiàn)床內(nèi)的有效傳質(zhì)。以此為對(duì)象, 理論分析該反應(yīng)器的傳質(zhì)過(guò)程, 并研究回流過(guò)程對(duì)厭氧消化性能的影響。（ 2）假定稻秸發(fā)酵床為多孔介質(zhì), 構(gòu)建理論分析物理模型, 利用流速 -壓降測(cè)定裝置, 進(jìn)行了粘性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)的測(cè)試, 結(jié)果表明, 稻秸發(fā)酵床的堆積密度越大, 其內(nèi)部液體的有效遷移和物質(zhì)傳遞就越難。稻秸密度為0.12g/cm³的粘性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)分別為31060.99、 113.36，較 0.075g/cm<sup>3<

3、/sup> 增力口了 76.40咐口 56.53%,呈現(xiàn)粘性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)急速增加。試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)Ergun 模型方程計(jì)算結(jié)果相差較大, 對(duì)結(jié)果數(shù)學(xué)擬合后得到方程系數(shù)a=787.32,b=0.21, 可有效指導(dǎo)沼液回流過(guò)程試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。3）以稻秸為發(fā)酵原料, 以 30 L 優(yōu)化設(shè)計(jì)的床式發(fā)酵試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn) 設(shè)計(jì)發(fā)酵周期為50 d,發(fā)酵床的發(fā)酵TS濃度分別為10% 12% 14% 16%進(jìn)行中溫試驗(yàn)。回流率為50%（回流率為15 L/d） , 發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定, 產(chǎn)氣平均甲烷含量超過(guò) 50%。發(fā)酵床表層與內(nèi)部稻秸的纖維素與半纖維素降解率最高為TS=12%分別為58.57%、62.23

4、%?口 49.29%、46.73%,而原料產(chǎn)氣量最高為 TS=10%為 200.03 mLCH₄/g VS, 表明回流率對(duì)不同負(fù)荷發(fā)酵床物質(zhì)遷移影響明顯,50%回流率條件下,TS 為 10%的發(fā)酵濃度產(chǎn)氣最優(yōu)。（ 4） 設(shè)計(jì)不同回流率發(fā)酵試驗(yàn), 探究回流對(duì)稻秸厭氧消化性能的影響。發(fā)酵床的發(fā)酵TS濃度為11%,整個(gè)過(guò)程穩(wěn)定，發(fā)酵液總VFA勻低于500mg/L,pH在6.90⁷.23問(wèn)，回流率為100班150%發(fā)酵床內(nèi)稻秸的木質(zhì)纖維素降解量較為相近, 但回流率為100%的原料產(chǎn)氣率較高, 為 119.88

5、mLCH₄/g VS。提升發(fā)酵內(nèi)稻秸的發(fā)酵濃度至TS=13%半均甲烷含量超過(guò) 50%,回流率為150%時(shí) , 發(fā)酵床表層與內(nèi)部稻秸的纖維素與半纖維素降解量最高為56.01%、 36.31%和 74.51%、 63.68%,此時(shí), 原料產(chǎn)氣率也最佳, 為 130.82 mLCH₄/g VS。因此 , 以處理稻秸為目的, 可根據(jù)工程設(shè)計(jì)的發(fā)酵濃度, 采用合適的回流率,促進(jìn)高發(fā)酵濃度下發(fā)酵床稻秸的物質(zhì)降解和產(chǎn)氣性能提升。（ 5）綜上試驗(yàn)結(jié)果,以處理秸稈為目的，發(fā)酵容積為500m³勺秸稈沼氣工程為例，發(fā)酵濃度是13%,發(fā)酵周期設(shè)定以50 d, 分析計(jì)算工程運(yùn)行得能耗及凈能產(chǎn)出。計(jì)算結(jié)果表明回流率分別為50%、 100%、 150%和 200%條件下, 稻