一种通过水力停留时间和进料浓度耦合提高秸秆厌氧消化产气效率的方法技术

一种通过水力停留时间和进料浓度耦合提高秸秆厌氧消化产气效率的方法，通过延长HRT和提高进料浓度的耦合方式提高秸秆在CSTR中厌氧消化产气效率的方法。本发明专利技术技术方案主要包括三个步骤：(1)如何延长HRT减少物质损失、提高转化率；(2)如何提高进料浓度，提高系统产气能力；(3)如何将两者耦合，以消除二者单独使用带来的弊端，实现高效的物质转化和厌氧消化系统产气能力的提高。该方法可以解决因CSTR的短流导致的秸秆类物料损失大、物质转化率低和难消化的问题，为秸秆厌氧消化工程产气效率提高提供新的方法。高提供新的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种通过水力停留时间和进料浓度耦合提高秸秆厌氧消化产气效率的方法


[0001]本专利技术属于有机固体废弃物处理与资源化
，具体涉及一种通过延长水力停留时间(HRT)和提高进料浓度耦合的方式提高秸秆在CSTR中厌氧消化产气效率的方法。

技术介绍

[0002]通过厌氧消化可以把各种秸秆转化成清洁能源
‑
沼气，其中厌氧消化反应器是最重要的转化装置。厌氧消化反应器有多种，如全混合厌氧反应器CSTR(Continuously
‑
stirred tank reactor)、升流式厌氧污泥床UASB(Up
‑
flow anaerobic sludge bed)、序批式厌氧反应器ASBR(Anaerobic sequencing batch reactor)等。对于高含固有机废物来说，CSTR使用最为广泛。但是，CSTR存在“短流”问题，即CSTR中每天进料和出料时，由于物料的全混合状态，导致每天投入的原料第二天可能会随着出料而离开反应器，导致物料损失大、转化效率低、产气效率不高。并且这一弊端在木质纤维素类原料高浓度厌氧消化中表现得更为明显。
[0003]用于厌氧消化的常用原料主要有秸秆类原料、畜禽粪便、餐厨垃圾和果蔬垃圾等。和畜禽粪便、餐厨垃圾和果蔬垃圾相比，秸秆类原料因其特殊的木质纤维素结构导致其与畜禽粪便等原料的理化特性完全不同，主要表现在木质纤维素含量高、不易生物降解、易漂浮和传热传质效果差等方面。因此，适用于易降解、流动性较好的畜禽粪便等原料的提高厌氧消化效率的方法，不能适用于秸秆类原料。
[0004]江志坚以果蔬与餐厨垃圾混合为原料，将系统有机负荷从30gTS
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L
‑1提高到60gTS
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L
‑1，获得了较好的厌氧消化效率(江志坚.果蔬与餐厨垃圾混合两相厌氧消化性能的试验研究[D].北京化工大学,2013.)。但是由于果蔬餐厨垃圾与秸秆类原料的理化特性差异大，无法适用于秸秆原料。中国专利CN106929538利用沼液回流和改变有机负荷的方法来改善秸秆的厌氧发酵，在有机负荷为4.0g
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(L
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d)
‑1时，厌氧消化效果最佳时平均甲烷产率为192mL
·
g
‑1，但当有机负荷继续升高时，甲烷产率下降了30.8％以上，这说明仅仅通过提高系统的进料浓度无法提升秸秆类原料厌氧消化的产甲烷量。
[0005]因此，针对以上问题并结合秸秆类原料的特殊理化特性，本专利技术提出了一种通过延长HRT和提高进料浓度耦合的方式提高秸秆在CSTR中厌氧消化产气效率的方法，该方法不需要引入其它任何手段(如添加微量元素、提高消化温度等)，仅通过优化两种系统参数，即：通过延长HRT，让物料在反应器内停留更长的时间，从而让物料能够充分地被厌氧消化转化，并减少物料的损失；同时，通过提高进料浓度，保证系统的生产能力不会因延长HRT而降低；通过两者的耦合，实现秸秆的高效能源化转化。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对秸秆类物料特殊的理化特性，提供一种通过延长HRT和提高进料浓度的耦合方式提高秸秆在CSTR中厌氧消化产气效率的方法。该方法可以解决因
CSTR的短流导致的秸秆类物料损失大、物质转化率低和难消化的问题，为秸秆厌氧消化工程产气效率提高提供新的方法。
[0007]本专利技术技术方案主要包括三个步骤：(1)如何延长HRT减少物质损失、提高转化率；(2)如何提高进料浓度，提高系统产气能力；(3)如何将两者耦合，以消除二者单独使用带来的弊端，实现高效的物质转化和厌氧消化系统产气能力的提高。
[0008]具体
技术实现思路
如下：
[0009]本专利技术主要是针对秸秆类原料，实施例以稻草为例，但不仅限于稻草，还可以是玉米秸秆、麦秸、油菜秆等其它秸秆类原料。
[0010]1)延长HRT的方法
[0011]在CSTR中的初始HRT设定为40天，将秸秆原料投入到CSTR厌氧反应器中，每天的加料量按计算按公式(1)计算得出；同一个HRT范围内每天的加料量相等，至少经过一个HRT后，当CSTR系统的日产气量、pH、VFA、氨氮和碱度指标趋于稳定时，开始延长HRT到50天；
[0012]系统稳定的判断标准为：在5天以内，CSTR系统每天的日产气量变化幅度在20％之间、pH在6.8
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7.8之间、VFA小于1000mg
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‑1、氨氮小于1500mg
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L
‑1和碱度大于4000mg
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‑1时视为系统稳定，必须5项指标都在正常范围内变化时才满足要求，方可延长HRT至50天；
[0013]延长HRT是由调整每日进料量来实现的，同样根据公式(1)进行计算，在有效容积和进料浓度固定不变的条件下，延长了HRT也就是公式(1)的分母增大了，随之每日的进料量就相应地减少了；
[0014][0015]2)提高进料浓度的方法
[0016]首先在反应器有效容积和HRT不变的条件下，初始进料浓度设定为60gTS
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L
‑1，HRT为50d，加入一定质量的秸秆，CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天测定一次单位TS、VS和各项系统稳定性指标如pH、氨氮、碱度、VFA；经过一个HRT后，5天以内CSTR系统的日产气量变化不超过20％，pH在6.8
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7.8范围内、VFA浓度小于1000mg
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L
‑1、氨氮浓度小于1500mg
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‑1和碱度大于4000mg
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‑1，都在正常范围内变化时，开始从60gTS
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‑1逐步提高至80、100、120和140gTS
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L
‑1，每提高到一个新的浓度时均需要监测系统稳定性指标是否在正常范围，当系统稳定后方可再提高至下一个浓度，同一个浓度条件下每日的加料量相同；
[0017]秸秆的投加量根据公式(2)计算：
[0018][0019]3)将延长HRT与提高进料浓度耦合
[0020]在CSTR反应器中，将HRT从50天延长至60天；然后在CSTR有效容积不变的条件下，将进料浓度从140gTS
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‑1提高至160gTS
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‑1，每日进料量为有效体积乘以进料浓度再除以HRT，即按公式(2)进行计算；在系统稳定的条件下，HRT的延长按照每次延长10天进行，进料浓度的提高按照每次提高20gTS
·
L
‑1进行；
[0021]终止系统继续延长HRT和提高进料浓度的标准为系统稳定性变差，pH值低于6.9时不再继续延长HRT和提高进料浓度；CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天
测定一次单位T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过水力停留时间和进料浓度耦合提高秸秆厌氧消化产气效率的方法，其特征在于：1)延长HRT的方法在CSTR中的初始HRT设定为40天，将秸秆原料投入到CSTR厌氧反应器中，每天的加料量按计算按公式(1)计算得出；同一个HRT范围内每天的加料量相等，至少经过一个HRT后，当CSTR系统的日产气量、pH、VFA、氨氮和碱度指标趋于稳定时，开始延长HRT到50天；系统稳定的判断标准为：在5天以内，CSTR系统每天的日产气量变化幅度在20％之间、pH在6.8
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7.8之间、VFA小于1000mg
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‑1、氨氮小于1500mg
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‑1和碱度大于4000mg
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‑1时视为系统稳定，必须5项指标都在正常范围内变化时才满足要求，方可延长HRT至50天；延长HRT是由调整每日进料量来实现的，同样根据公式(1)进行计算，在有效容积和进料浓度固定不变的条件下，延长了HRT也就是公式(1)的分母增大了，随之每日的进料量就相应地减少了；2)提高进料浓度的方法首先在反应器有效容积和HRT不变的条件下，初始进料浓度设定为60gTS
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‑1，HRT为50d，加入一定质量的秸秆，CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天测定一次单位TS、VS和各项系统稳定性指标如pH、氨氮、碱度、VFA；经过一个HRT后，5天以内CSTR系统的日产气量变化不超过20％，pH在6.8
‑
7.8范围内、V...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀金，袁海荣，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：