秸秆-牛粪混合原料厌氧干发酵关键工艺研究

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厌氧干发酵技术能够处理总固体含量(TS)在20%-40%之间的有机废弃物,相比厌氧湿发酵具有用水量少、产气率高、沼液排放量少等优势,是目前我国农业废弃物资源化利用的主要研究方向之一。但由于物料含固率高,厌氧干发酵技术还存在搅拌困难、传热传质差、工艺调控难等问题。为了解决上述问题,提高产气效率,本课题以玉米秸秆(CS)和牛粪(CD)为发酵原料,研究了沼渣混合液回流比例、原料混配比例、TS等工艺参数对厌氧干发酵产气性能和微生物群落特性的影响。提出了秸秆-牛粪混合原料厌氧干发酵优化工艺参数,揭示了厌氧干发酵过程中微生物动态变化规律。取得的主要成果如下:1)探究沼渣混合液回流比例对厌氧干发酵的影响及作用机制,试验结果表明,在中温38℃、CD/CS(干物质质量)为1:1、TS为20%、停留时间(HRT)为30 d的条件下,沼渣混合液回流比例为60%时产气量最大,反应器运行稳定后容积产气率最高可达1.6 L·L-1d-1,相比回流比例为50%时提高了45.9%。沼渣混合液回流比例的提高有利于Vadin BC27_wastewater-sludge_group、Methanobacterium等菌属丰度的增加,以减少挥发酸的积累,提高厌氧干发酵产气率。2)通过正交试验[L9(34)]优化沼渣混合液回流比例、原料混配比例(CD/CS)、TS三个工艺参数,以累积甲烷产量为评价指标时,三个因素对产气的影响程度为TS>原料混配比例>沼渣混合液回流比例,最优工艺参数组合为TS 30%、CD/CS 1:3、沼渣混合液回流比例40%。在此条件下反应器容积产气率最高达到3.0 L·L-1d-1。在厌氧干发酵过程中,既存在产乙酸型产甲烷菌又存在氢营养型产甲烷菌,且产乙酸型产甲烷菌在该发酵系统中占主导地位。3)采用横推流式连续厌氧干发酵试验装置(180 L)进行原料混配比例的优化,试验结果表明,在中温38℃、TS为20%、HRT为30 d条件下,CD/CS(干物质质量)为1:2时产气量最大,反应器容积产气率最高达到2.78 L·L-1d-1,相比CD/CS为1:1时提高了31.13%,相比CD/CS为1:3时提高了71.78%。
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