高效一體化生物反應(yīng)器利用農(nóng)作物秸稈產(chǎn)能研究.pdf

1、傳統(tǒng)能源的儲量日益減少，為了尋求可持續(xù)發(fā)展道路，可再生能源的開發(fā)和利用已成為各國的重要任務(wù)。生物法厭氧發(fā)酵制氫、制甲烷這一可持續(xù)化生產(chǎn)道路備受矚目。如果將此方法推廣到工業(yè)規(guī)模對解決能源問題具有很大的現(xiàn)實意義。秸稈類生物質(zhì)產(chǎn)能存在糖化預(yù)處理困難、底物利用率低和有效容積產(chǎn)氣量少等問題，致使秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)能成本高。基于此本文研究農(nóng)作物秸稈糖化水解方法，運行小試和中試一體化生物反應(yīng)器（Integration Bioreactor，簡稱IBR）研

2、究影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣因子的變化規(guī)律和各影響因子與產(chǎn)氣量的關(guān)系。
　　選擇低廉、高效的農(nóng)作物秸稈預(yù)處理方法是降低厭氧發(fā)酵成本的方法之一。進而比較了酸和堿加熱預(yù)處理方法對小麥秸稈預(yù)處理效果的影響。得出最優(yōu)預(yù)處理方法：固液比1:15（g:ml）、預(yù)處理溫度25℃、氫氧化鈉濃度0.2 mol/L、預(yù)處理時間24 h。
　　提高產(chǎn)氣率是降低厭氧發(fā)酵成本的另一個有效途徑。通過運行小試 IBR產(chǎn)能試驗，得到最高有效容積產(chǎn)氣量1.2 L/(L

3、·d)。在整個運行期，產(chǎn)酸區(qū)和產(chǎn)甲烷區(qū)的堿度與產(chǎn)氣量成正比，產(chǎn)甲烷相的ORP（Oxidation-Reduction Potential，簡稱ORP）與產(chǎn)氣量成反比。
　　運用計算流體力學技術(shù)模擬中試IBR產(chǎn)甲烷相污泥流動狀態(tài)，調(diào)節(jié)循環(huán)流速防止IBR產(chǎn)甲烷相底端出現(xiàn)死區(qū)和促進污泥顆粒均勻分布。模擬結(jié)果表明，流域內(nèi)污泥濃度在10~15 g/L范圍內(nèi)較為合適。污泥顆粒濃度越高所需循環(huán)流速越大，污泥顆粒沉積越多、不均勻程度越大，污泥顆粒

4、上浮越嚴重。循環(huán)流速7 m/s，出口處無污泥顆粒流出；循環(huán)流速11 m/s，出口處污泥顆粒大量流出。
　　運行中試IBR產(chǎn)能試驗，驗證小試實驗得到的數(shù)據(jù)和規(guī)律，進而為工業(yè)規(guī)模厭氧發(fā)酵產(chǎn)能提供運行經(jīng)驗和理論參考。利用糖蜜啟動IBR，產(chǎn)甲烷區(qū)和產(chǎn)酸區(qū)分別在第8天和第15天開始大量產(chǎn)氣。產(chǎn)酸相的最大有效容積產(chǎn)氣量18 L/(L·d)，氫氣含量29％、無甲烷。產(chǎn)甲烷相平均有效容積產(chǎn)氣量3.0L/(L·d)，對應(yīng)每克秸稈產(chǎn)氣量為132 ml

5、/g，甲烷平均含量65%。產(chǎn)甲烷相適宜pH是6.5~7.5、ORP適宜區(qū)間-300~-350 mV。產(chǎn)酸相適宜pH范圍是4.0~4.5。
　　為了進一步判斷影響因子對氣體產(chǎn)量和COD去除率的重要性，將進水COD濃度、pH值和產(chǎn)甲烷區(qū)的ORP和堿度作為系統(tǒng)的輸入因子，建立輸入層神經(jīng)元數(shù)為4、中間隱含層神經(jīng)元數(shù)為6和輸出層神經(jīng)元數(shù)為2的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果，預(yù)測值和實測值較為接近，兩者之間最大偏差9.7%、最小偏差0.1%。并采用分