干清猪粪半干法厌氧发酵关键技术参数优化

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厌氧发酵技术是解决畜禽粪污处理的一种很好的技术途径,目前应用比较普遍的是湿法厌氧发酵技术(浓度6~10%),因其控制的发酵浓度低,存在处理效率低、耗能高、沼液的利用和消纳难等缺点。然而,对于当前广泛存在的畜禽干清粪便的处理,如果能够基于干清粪便的原始状态,不做浓度调节,直接进入厌氧池,采取半干法厌氧发酵(浓度13~25%)的方式进行处理,可显著提高畜禽粪污处理的效率,节约用水和耗能,能够很好地克服上述缺点,使沼气工程产业化运营具有良好的经济、环境、社会效益。据查阅文献,干清猪粪在半干法厌氧发酵工程实践中的关键技术参数研究较少,本论文以干清猪粪为原料对其厌氧发酵模式、接种率、搅拌参数、连续运行试验等进行研究,得出合理的运行参数为干清猪粪半干法厌氧发酵处理的工程应用提供技术支撑。主要结论如下:(1)在中温(35℃)条件下,固定发酵料液总质量不变,对干清猪粪湿法厌氧发酵与半干法厌氧发酵分别进行接种率优化,然后对比各自适宜接种率条件下湿法厌氧发酵与半干法厌氧发酵的效果。结果表明:干清猪粪湿法厌氧发酵适宜接种率为40%;半干法厌氧发酵适宜接种率为50%;半干法的总产气量远高于湿法厌氧发酵总产气量,而VS降解率与湿法相差无几,说明干清猪粪半干法厌氧发酵对比湿法厌氧发酵具有更高的发酵效率和沼气产率以及基本相同的VS降解率。所以,半干法厌氧发酵更适合干清猪粪的处理,其适宜接种率为50%。(2)在中温(35℃)、接种率50%的条件下,进行干清猪粪半干法厌氧发酵搅拌参数优化试验,通过搅拌观察试验,确定适宜搅拌时长为4 min;在固定搅拌间隔和搅拌时长不变的情况下,试验得到30 r/min的搅拌转速对干清猪粪半干法厌氧发酵的产气效果有明显的促进作用,较15 r/min与45 r/min搅拌转速下的累积产气量分别高出14.7%、20%;在固定搅拌转速和搅拌时长不变的情况下,得到搅拌间隔2h,对干清猪粪半干法厌氧发酵产气效果有明显的促进作用,较1 h与3 h累积产气量分别能够提高20.6%、25.3%。因此,干清猪粪半干法厌氧发酵适宜的搅拌参数为:搅拌转速30 r/min、搅拌间隔2 h、搅拌时长4 min。(3)固定温度、搅拌参数、发酵料液浓度等条件不变,研究HRT=25、20、15、10d时,对干清猪粪半干法连续厌氧发酵的影响,得到在一定范围内HRT越长,降解效果越好,缩短HRT,日产气量会有所提高,但降解效果有所下降,HRT过短时会引起发酵系统酸化,形成病态池,因此在干清猪粪半干法连续厌氧发酵中HRT控制在20 d较为合适。(4)通过采用Design Expert 8.0.6的Box-Behnken中心组合设计原理,在发酵温度、料液浓度等其他因素一致的条件下,以HRT、搅拌间隔和搅拌转速3个因素对干清猪粪半干法连续厌氧发酵的平均日产气量和VS降解率进行分析,得到以下结论:三因素对平均日产气量和VS降解率的影响重要性排序均为:HRT>搅拌间隔>搅拌转速;通过模型寻优与验证,得到最优参数组合为:HRT为19 d、搅拌间隔为2 h、搅拌转速为30 r/min,实际平均日产气量为23.48 L,VS降解率为56.47%,平均容积产气率为2.35 L/(L·d)。(5)通过利用优化出的干清猪粪半干法连续厌氧发酵关键技术参数进行工程试验,得到干清猪粪半干法连续厌氧发酵平均容积产气率达到2.53 m~3/(m~3·d),VS降解率可达到53.4%,同时干清猪粪半干法厌氧发酵具有节水节能、高效环保、利于减排等优点,适合广泛推广应用。
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