地黃渣半連續(xù)式厭氧處理試驗(yàn)研究.pdf

1、全球面臨來自環(huán)境污染與能源緊缺的壓力，將厭氧生物技術(shù)用于有機(jī)固廢的處理，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)治理污染與生產(chǎn)能源。傳統(tǒng)的固相或半固相厭氧反應(yīng)器效率很低，為拓展厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，急切需要進(jìn)行與之相應(yīng)的高效厭氧反應(yīng)器的開發(fā)研究，而其厭氧動(dòng)力學(xué)研究是高效厭氧器的設(shè)計(jì)及其反應(yīng)過程控制的關(guān)鍵。
　　國內(nèi)的中成藥六味地黃丸生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的地黃渣，該藥渣含豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，相比餐廚垃圾的高油脂高鹽分和市政污泥的高無機(jī)物含量及重金屬，地黃渣更適宜

2、通過厭氧消化進(jìn)行處理。對(duì)于厭氧消化過程而言，地黃有效成分提取過程中的蒸煮及減壓蒸餾，可視為厭氧消化中的熱水解預(yù)處理，促進(jìn)其植物細(xì)胞溶解，也提高厭氧消化效率。顯然，將地黃藥渣經(jīng)厭氧處理不僅可以無害化處理此類生物質(zhì)固體廢棄物，而且獲得清潔能源。本文以中成藥六味地黃丸生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生的地黃渣為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)其進(jìn)行厭氧消化特性研究，根據(jù)地黃渣產(chǎn)甲烷勢(shì)、最佳含固率及排泥量的影響，確定最佳反應(yīng)條件以進(jìn)行序批式和半連續(xù)式厭氧消化實(shí)驗(yàn)，對(duì)序

3、批式和半連續(xù)式厭氧消化反應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)分析。由于厭氧代謝過程由多種菌群聯(lián)合協(xié)同完成，其中間產(chǎn)物較為復(fù)雜，但對(duì)于馴化完成的厭氧菌群，其最終目標(biāo)產(chǎn)物為甲烷。顯然，在零級(jí)反應(yīng)階段，厭氧菌群的增殖不受底物濃度的限制，單位時(shí)間甲烷產(chǎn)量僅與厭氧菌群生物量相關(guān)。因此，本文首次提出以零級(jí)反應(yīng)期間單位時(shí)間內(nèi)表觀的甲烷體積增量ΔV表征厭氧微生物增量Δx，并根據(jù)地黃渣厭氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性推導(dǎo)得出其厭氧菌群表觀增殖動(dòng)力學(xué)規(guī)律。并且，文中以上述的研究結(jié)果為依據(jù)

4、設(shè)計(jì)了半連續(xù)式厭氧處理操作方式，以單次進(jìn)出料周期為研究對(duì)象，對(duì)半連續(xù)式厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)行物料平衡分析，進(jìn)而得出以地黃渣為底物時(shí)半連續(xù)式厭氧消化反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率、容積負(fù)荷率、產(chǎn)沼氣量與反應(yīng)器有效容積的關(guān)系式和進(jìn)出料量關(guān)系等相關(guān)參數(shù)模型，為厭氧微生物量及其增殖速率的表征提供新的思路，為半連續(xù)式厭氧消化處理類似有機(jī)固體廢棄物的過程控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　本文的主要研究結(jié)果如下：
　　1．地黃渣的厭氧處理特性
　　

5、通過序批式進(jìn)料的厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)確定地黃渣甲烷產(chǎn)率為92.8mL/g?VS，表明地黃渣是一種優(yōu)質(zhì)的厭氧消化原料適宜進(jìn)行厭氧消化處理；分別設(shè)置消化混合物的TS為10％、15%、20%和25%，對(duì)比各發(fā)酵罐的產(chǎn)氣情況，并確定了地黃渣厭氧發(fā)酵的最佳TS為15%；設(shè)置排泥周期為3天，并分別設(shè)置發(fā)酵罐的排泥量為總泥量的1/4、1/6和1/8，，對(duì)比分析各厭氧反應(yīng)器零級(jí)反應(yīng)階段累計(jì)產(chǎn)甲烷量、產(chǎn)甲烷速率，確定地黃渣厭氧消化排泥量及排泥周期應(yīng)根據(jù)厭氧菌群增

6、殖量的變化而變化。
　　2．序批式與半連續(xù)式進(jìn)料的厭氧消化實(shí)驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)特性
　?。?）按最佳泥藥TS比為2:1進(jìn)行序批式進(jìn)料混合發(fā)酵，進(jìn)料周期為7天并連續(xù)運(yùn)行四個(gè)周期，結(jié)果表明四個(gè)周期內(nèi)累計(jì)產(chǎn)甲烷量變化不大，但周期內(nèi)第一天產(chǎn)甲烷量占總產(chǎn)甲烷量的比例由52.88%提高到63.95%，厭氧菌群生物量的增加使相同進(jìn)料的轉(zhuǎn)化速率明顯增大，其0級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)k分別為：143.1ml/h、150.2mL/h、159.5mL/h和170

7、.7mL/h。
　?。?）對(duì)序批式地黃渣厭氧發(fā)酵進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模型分析，結(jié)果表明，在序批式發(fā)酵的一個(gè)進(jìn)料周期內(nèi)產(chǎn)甲烷過程可分為兩個(gè)階段：第一階段為0~20h，在此期間，累計(jì)甲烷產(chǎn)量處于零級(jí)反應(yīng)，有益菌群無底物競爭，處于穩(wěn)定增殖階段，甲烷累積產(chǎn)量呈線性增長，其線性方程為：y1=106.88t1+81.667，其中y1為在時(shí)間t1（h，0

8、反應(yīng)，無VFA累積并處于水解酸化限速階段，其方程為：y2=3140[1-exp（-0.0337t2）]，其中y2為在時(shí)間 t2（h，20< t2<168）時(shí)累計(jì)產(chǎn)甲烷量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合曲線相關(guān)性分別為R2=0.9901和R2=0.9921。
　?。?）以10小時(shí)為周期對(duì)地黃渣厭氧處理進(jìn)行半連續(xù)式操作，對(duì)其中四個(gè)連續(xù)周期進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，其零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù) k分別為：240.47mL/h、254.39mL/h、264.45mL/h和

9、279.75mL/h。半連續(xù)式操作實(shí)驗(yàn)持續(xù)160小時(shí)，共產(chǎn)生甲烷36833mL，處理地黃渣1173g。10小時(shí)內(nèi)產(chǎn)甲烷量隨著生物量的增加而逐漸增加，從第一個(gè)周期的1527mL到本輪實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)上升至3093mL。
　　3．厭氧菌群表觀增殖動(dòng)力學(xué)分析及半連續(xù)式厭氧處理相關(guān)參數(shù)的確定
　　通過公式推導(dǎo)，確定零級(jí)反應(yīng)期間單位時(shí)間內(nèi)甲烷體積增量ΔV與厭氧微生物增量Δx成正比關(guān)系，對(duì)微生物比增殖速率定義方程 xt=x0eμt及 Mono

10、d方程μ=dX dt=μmaxX?S KS+S等方程進(jìn)行推導(dǎo)及修改，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)半連續(xù)式厭氧反應(yīng)過程中周期內(nèi)產(chǎn)甲烷量的自然對(duì)數(shù)進(jìn)行作圖，得出厭氧菌群的表觀比增殖速率為0.121d-1，世代期為5.7d。通過產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)模型分別預(yù)測(cè)對(duì)比序批式與半連續(xù)式厭氧消化反應(yīng)器在相同有效容積及相同累計(jì)進(jìn)料量條件下的處理效率優(yōu)劣。以單次進(jìn)出料周期為研究對(duì)象，對(duì)半連續(xù)式厭氧消化體系進(jìn)行物料平衡分析，并推導(dǎo)得出以地黃渣為底物時(shí)半連續(xù)式厭氧消化反應(yīng)器的容積