地黃渣半連續(xù)式厭氧處理試驗研究.pdf

1、全球面臨來自環(huán)境污染與能源緊缺的壓力，將厭氧生物技術用于有機固廢的處理，可同時實現(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器效率很低，為拓展厭氧消化技術的應用與發(fā)展，急切需要進行與之相應的高效厭氧反應器的開發(fā)研究，而其厭氧動力學研究是高效厭氧器的設計及其反應過程控制的關鍵。
　　國內(nèi)的中成藥六味地黃丸生產(chǎn)過程中會產(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物含量及重金屬，地黃渣更適宜

2、通過厭氧消化進行處理。對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處理，促進其植物細胞溶解，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)過程中會產(chǎn)生的地黃渣為研究對象，在實驗室條件下對其進行厭氧消化特性研究，根據(jù)地黃渣產(chǎn)甲烷勢、最佳含固率及排泥量的影響，確定最佳反應條件以進行序批式和半連續(xù)式厭氧消化實驗，對序

3、批式和半連續(xù)式厭氧消化反應進行產(chǎn)甲烷動力學分析。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)物較為復雜，但對于馴化完成的厭氧菌群，其最終目標產(chǎn)物為甲烷。顯然，在零級反應階段，厭氧菌群的增殖不受底物濃度的限制，單位時間甲烷產(chǎn)量僅與厭氧菌群生物量相關。因此，本文首次提出以零級反應期間單位時間內(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)地黃渣厭氧反應動力學特性推導得出其厭氧菌群表觀增殖動力學規(guī)律。并且，文中以上述的研究結果為依據(jù)

4、設計了半連續(xù)式厭氧處理操作方式，以單次進出料周期為研究對象，對半連續(xù)式厭氧消化反應器進行物料平衡分析，進而得出以地黃渣為底物時半連續(xù)式厭氧消化反應器的容積產(chǎn)氣率、容積負荷率、產(chǎn)沼氣量與反應器有效容積的關系式和進出料量關系等相關參數(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固體廢棄物的過程控制和優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。
　　本文的主要研究結果如下：
　　1．地黃渣的厭氧處理特性
　　

5、通過序批式進料的厭氧發(fā)酵實驗確定地黃渣甲烷產(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行厭氧消化處理；分別設置消化混合物的TS為10％、15%、20%和25%，對比各發(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%；設置排泥周期為3天，并分別設置發(fā)酵罐的排泥量為總泥量的1/4、1/6和1/8，，對比分析各厭氧反應器零級反應階段累計產(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)式進料的厭氧消化實驗及動力學特性
　　（1）按最佳泥藥TS比為2:1進行序批式進料混合發(fā)酵，進料周期為7天并連續(xù)運行四個周期，結果表明四個周期內(nèi)累計產(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料的轉化速率明顯增大，其0級反應動力學常數(shù)k分別為：143.1ml/h、150.2mL/h、159.5mL/h和170

7、.7mL/h。
　　（2）對序批式地黃渣厭氧發(fā)酵進行了動力學模型分析，結果表明，在序批式發(fā)酵的一個進料周期內(nèi)產(chǎn)甲烷過程可分為兩個階段：第一階段為0~20h，在此期間，累計甲烷產(chǎn)量處于零級反應，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為在時間t1（h，0

8、反應，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為在時間 t2（h，20< t2<168）時累計產(chǎn)甲烷量，實測數(shù)據(jù)與擬合曲線相關性分別為R2=0.9901和R2=0.9921。
　?。?）以10小時為周期對地黃渣厭氧處理進行半連續(xù)式操作，對其中四個連續(xù)周期進行動力學分析，其零級反應動力學常數(shù) k分別為：240.47mL/h、254.39mL/h、264.45mL/h和

9、279.75mL/h。半連續(xù)式操作實驗持續(xù)160小時，共產(chǎn)生甲烷36833mL，處理地黃渣1173g。10小時內(nèi)產(chǎn)甲烷量隨著生物量的增加而逐漸增加，從第一個周期的1527mL到本輪實驗結束時上升至3093mL。
　　3．厭氧菌群表觀增殖動力學分析及半連續(xù)式厭氧處理相關參數(shù)的確定
　　通過公式推導，確定零級反應期間單位時間內(nèi)甲烷體積增量ΔV與厭氧微生物增量Δx成正比關系，對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等方程進行推導及修改，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對半連續(xù)式厭氧反應過程中周期內(nèi)產(chǎn)甲烷量的自然對數(shù)進行作圖，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)甲烷動力學模型分別預測對比序批式與半連續(xù)式厭氧消化反應器在相同有效容積及相同累計進料量條件下的處理效率優(yōu)劣。以單次進出料周期為研究對象，對半連續(xù)式厭氧消化體系進行物料平衡分析，并推導得出以地黃渣為底物時半連續(xù)式厭氧消化反應器的容積