混合原料发酵反应器优化及产气特性和发酵动力学研究

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1、ByLiuMingPengADissertationSubmittedtoGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesForthedegreeofMasterofBiologicalEngineeringChengduInstituteofBiology,TheUniversityofChineseAcadmyofSciencesMay,2013摘要为提高混合原料沼气发酵效率，设计了三种不同高径比的反应器，以玉米秸秆和猪粪混合作为发酵原料，采用批次和连续两种

2、工艺进行35℃中温、TS浓度7％的沼气发酵实验，同时分析实验中各因素在混合发酵过程中对各指标的影响，结合数据建立混合发酵产沼气动力学模型，并考察发酵系统微生物变化情况。采用高径比分别为1：1、2：1和3：1(分别用R1、R2和R3表示)、容积为20L的反应器，玉米秸秆进行生物预处理后和猪粪按l：1(产气最优干物质配比)混合，进行单因素混合厌氧发酵产沼气放大实验。60天批次发酵R1、R2和R3总TS产气率分别是0．3916m3／l(g、0．3909m3／l(g和O．3429m3／kg，分别达到了理论产气

3、量的85％、85％和75％。采用SPSS软件对产气量数据进行分析发现，R1和R2的产气效果比R3更好，产甲烷量R1、R2最多可比R3高17％以上。以猪粪为原料的验证实验同样表现出R3产气最差。相比混合发酵，猪粪发酵原料消化利用率较低。发酵过程各指标监测结果分析表明：高径比较小的反应器，相同时间内，原料消化快，产气量高；发酵过程料液分层，物料沉降性随反应进行而改变，R3发酵前后上浮秸秆体积减少最多，而产气效果最差；各反应器VFA变化一致，其中乙酸含量和产气量的变化趋势吻合，有较大的相关性，丙酸含量对产气

4、系统有抑制作用，有机负荷2．93kgVS·m。3·d’1条件下连续发酵VFA稳定在400～600mg·L一，其中乙酸浓度占70％～85％；发酵过程pH在7．0～8．0之间。转速对高径比不同的反应器产气影响不同，120r·min‘1产气效果最好。基于CSTR反应器，结合实验数据进行建模，得到各反应器产气过程动力学模型方程和反应速率常数k，同时求得达到最大原料产气率的70％矛180％各反应器的HRT和OLR值。批次发酵建立一级动力学方程，有机负荷2．93kgVS·m"3-d_的连续发酵采用准二级动力学方程

5、。各反应器拟合程度均达到高度拟合，其中R3拟合度更高。采用MPN计数方法和古菌DGGE技术分析混合发酵系统微生物变化发现：各反应器之间及上中下层料液微生物比较，厌氧产酸菌、厌氧纤维素降解菌和产甲烷菌三种菌群在数量上无明显差异，古菌类群结构相似；而在不同发酵阶段，各类厌氧菌群数量随着原料消化利用而发生变化，古菌群落结构也发生显著的变化。关键词：混合厌氧发酵；反应器；沼气；动力学；微生物混合原料发酵反应器优化及产气特性和发酵动力学研究IIAbstractTheself-designedreactorswi

6、thdifferentratiosofheighttodiameterwereappliedtoruntheanaerobicCO-digestionwithcornstrawandpigdungbybatchandsemi-continuousmodeat35。Candconcentrationof7％．Inordertoimprovetheefficiencyofthereaction，themaininfluentialfactorswereanalysed，dynamicmodelofanae

7、robicfermentationwithcornstrawandpigdungwasestablishedcombiningthedata，andthechangesofmicrobialsystemwereobservedandstudiedinthispaper．Thescale-·upsingle·-factorexperimentsoftheCO·-digestionwithpretreatedcornstrawandpigdungmixedin1：1(optimumproportionof

8、TSfromgasrate)wascarriedoutinthereactorswhichtheheight-diameterratiois1：1．2：1and3：1respectively,andthevolumeis20L．Gasproductionrateof60daysfermentationwithreactorswere0．3916，0．3909and0．3429cubicmeterperkgTSrespectively，achievedth