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分段擬全分析溫度對沼氣池垃圾發酵的影響
時間 : 2019-03-03 瀏覽量 : 227

隨著我國城市化進程的逐步推進,城市生活垃圾產量逐年增加。生活垃圾會引起一系列的環境和社會問題,如氣味、污染等。城市生活垃圾衛生填埋場是一種常用的垃圾處理方法,它采取必要的防護措施,以達到最大限度地隔離處置廢物與環境生態系統的目的。是原始廢物的最終處置。據統計,2015年我國城市固體廢物去除量達到1.91億噸,其中1.15億噸采用衛生填埋場處理,占垃圾處理總量的百分比。碳排放是最重要的排放源之一。


許多學者對垃圾填埋場的CH排放進行了大量觀察。  劉鴻霆研討某填埋場后,得出夜間到清晨排放率最低,午時最高,下晝隨時候遞加的紀律;楊雪等,則經由過程試驗得出了排放通量下晝大于午時大于上午的結論,且釋放通量變化較小;馬占云等,通過長期觀測封場區甲烷排放情況得出了甲烷日變化不存在規律性的結論。這些結論完全不同。同時,影響采樣點垃圾產氣量和氣體遷移過程的因素很多。以往對垃圾沼氣池發酵過程的研究成果難以解釋。


在以往的研究中,一般認為垃圾沼氣池發酵產氣的最適溫度分別為37℃和55℃3。。一些研究表明,溫度對垃圾沼氣池發酵的不同階段有不同的影響。李陽等人的研討發明渣滓沼氣池發酵過程當中25℃條件下,乙酸產量最大m;侯貴光等人則依據有機物厭氧發生沼氣的生化機理,創建兩步一級反應耦合模型,認為垃圾沼氣池發酵可分為兩個主要階段。然而,對于溫度對天然氣生產各階段的影響研究較少,因此,在垃圾產氣曲線達到一定程度后,本文采用回歸分析的方法研究了溫度對各階段產氣的影響。


材料與方法


1.1垃圾源和預處理


為了避免垃圾成分的變化對實驗的影響,將垃圾的特定成分按一定比例混合到實驗垃圾中。垃圾利用率及比例見表1。根據垃圾填埋場垃圾樣品的組成,確定垃圾成分的比例。其中以新鮮蘋果、梨、橙子代替廚房垃圾,三種水果的新鮮重量占廚房垃圾成分的三分之一。實驗前將所有垃圾粉碎成1-2厘米的碎片,攪拌均勻備用。以同一組分沼氣池發酵產生的滲濾液為接種劑。


1.2實驗方法


在125克混合廢物和500毫升圓錐瓶中,接種和垃圾的質量比為1:10。

均質后,在恒溫培養箱中培養,通過排水、集氣等方法收集氣體。實驗裝置如圖1所示。分別設置了15℃、25℃、35℃和45℃四種培養溫度,并在每個溫度下設置多個平行樣品。同時,將一組僅含孕育劑的錐形燒瓶作為空白樣品。實驗開始后每小時記錄一次產氣量。同時,用注射器采集氣體樣品,用氣相色譜儀分析CO2和CH4的濃度。


2結果與討論


2.1分段擬合


廢液沼氣池發酵過程可分為水解階段、分解階段和衰變階段。每一階段的反應都要經過一定的時間才能發生變化,這就使得天然氣生產階段難以過渡。通常,沼氣池發酵階段的判斷主要是通過檢測沼氣池發酵液濃度的變化來判斷的,而對沼氣池發酵階段的分割則是粗略的。本實驗通過分析沼氣池發酵階段轉換引起的產氣率變化,對垃圾沼氣池發酵進行了研究,并通過檢測CO2濃度和產氣率,提高了分選的準確性。本文選取了多個平行樣品的平均值,并對不同采氣階段進行了回歸分析。用最小二乘法估計出滿足采氣階段線性關系的線性回歸方程參數,用最小二乘法估計采氣階段線性回歸方程的參數。為了避免沼氣池發酵過程中產氣波動的影響,對滿足產氣階段非線性關系的回歸方程進行了分析。

如下圖所示,圖2至圖5在15°C,25°C,35°C和45°C時顯示了垃圾產生的峰值產氣期,穩定期和衰減期的回歸曲線。 , 分別。


各階段產氣量疊加如圖6所示。為了進一步了解溫度對不同階段天然氣產量的影響,作者對不同階段的天然氣產量進行了分析。

如圖7至10所示,在峰值、穩定和衰減期間產生的氣體累積體積以及總累積體積與溫度之間的關系


擬合結果的p值和R2如表2所示。

根據各產氣階段的P值,各產氣階段的擬合曲線與實際產氣量呈顯著正相關。除15℃峰期擬合曲線(0.0 5>P>0.0 1)外,其它階段擬合曲線p值均小于0.0 1,與實際產氣量高度相關。15℃峰期擬合曲線也與實際產氣量呈顯著正相關。根據擬合曲線R2,擬合曲線與實際產氣量曲線具有良好的相關性,與實際產氣量曲線一致。因此,可以認為擬合效果較好,擬合曲線能夠準確地反映實際產氣量的變化。


2.2不同階段溫度與產氣量的關系


通過對擬合曲線的積分,可以得到不同階段的垃圾沼氣池發酵生產過程。

廢物沼氣池發酵過程可分為:水解酸生產階段、甲烷生產階段和衰減階段。


其中,圖7顯示了不同溫度下峰值期的氣體生產曲線,對應于水解和酸性生產階段。氣體產生量首先隨溫度的升高而減小,在25°c時達到最小值,然后上升,在35°c時達到最大值。當溫度較低時,特別是15°c以下的溫度會影響酸產生階段的開始,即影響整個沼氣池發酵過程的開始。在15°c和25°c的實驗低溫段,雖然25°c的峰值時期的累積氣體生產量比15°c的峰值時期的累積氣體生產量略有下降,與另外兩組實驗相比,兩組實驗在累積產生氣體的高峰期差異不大,因此可以推斷水解階段在低溫階段開始緩慢,而且產量也較少,生產乙酸等甲烷生產階段所需原料較少,不利于后續沼氣池發酵。當氣溫上升時

當溫度高達35℃時,峰值產氣量迅速增加,水解產酸反應強烈,峰值產氣量是峰值15℃和25℃的兩倍。但當溫度升高到45℃時,峰值產氣量雖有所下降,但與15℃和25℃相比仍為高水平,由此推斷,在此溫度范圍內,水解產酸階段即沼氣池發酵高峰期的適宜溫度為35℃-45℃,垃圾沼氣池發酵的水解產酸階段很強,有機分解產生大量的CO2和乙酸等原料,需要后續的產甲烷階段,這有利于沼氣池發酵的持續進行。為了進一步確定溫度與氣體產量之間的關系,作者嘗試用線性回歸和非線性回歸擬合。擬合方程的R2分別為0.526和0.537。該結果表明在峰值期的累積氣體產生與溫度有關,但由于樣品的數量,不能擬合相應的關系函數。相關研究表明,該階段的主要產氣來源是垃圾酸沼氣池發酵產生的二氧化碳。乙酸和二氧化碳中的有機碳占總有機碳的比例為乙酸的2/3和二氧化碳的1/317。李陽31等人的研討發明,溫度控制在25℃~35℃時餐廚渣滓沼氣池發酵可獲得較高乙酸產量;而趙宋敏等人的研討則發明,溫度在20℃~37℃時餐廚渣滓沼氣池發酵發生的CO2隨溫度降低而降低,37℃時廚余渣滓沼氣池發酵產酸量最大,跨越37℃后CO2及乙酸產量敏捷下降。以上結果與實驗結果吻合。但是,由于樣本數較少,有必要通過進一步縮小實驗組之間的溫度差來確定溫度與產氣量峰值之間的關系函數。


圖8是穩定相在不同溫度條件下的產氣曲線,對應于甲烷生產階段,隨著溫度的升高,產氣量先增加后減小,在25℃時達到最大值。方程r2為0.816,表明溫度與穩定期累積產氣量有很強的相關性。通過對該方程的擬合,可以得出在穩定期31℃時累積產氣量的最大值。在這一階段,天然氣的產生主要是由于再分配和二氧化碳,這是營養物質的極限。

該因子可以假設為一階反應。實驗結果表明,醋酸產量最低的實驗組在25℃時的產氣量最高,擬合結果也表明,最高產氣點在31℃左右,這不是上一階段的最高產氣溫度。趙宋敏等人及馬宗虎等人的研討效果注解,在全部厭氧沼氣池發酵階段,pH值并無隨溫度變遷發生較大波動0,由此可排除pH值對產氣量的影響。因此,可以認為這一階段的最佳氣體生產溫度應在31°C左右。


圖9顯示了不同溫度下衰變周期的產氣量曲線。與峰值期相反,產氣量隨溫度的升高而增加,在5℃時達到最大值,在35℃時達到最小值后迅速下降,然后迅速增加。線性和非線性回歸擬合表明,擬合方程的R2分別為0.255和0.141。結果表明,在衰變過程中,溫度與產氣量的相關性較弱。此外,通過對比同一溫度下平行樣品衰減期的產氣量,發現樣品間衰減期產氣量波動較大,標準偏差是峰值期和穩定期的5倍,不確定度較大。總之,在衰變期間,累積產氣量與溫度之間沒有顯著的相關性。原因是衰減期的產氣量是以前兩個階段產氣量的剩余物質和細菌種類為基礎的,前兩個產氣期的產氣率雖無顯著差異,但各組平行樣品的產氣率仍有差異。這些差異在衰減期、產氣后期被放大,導致衰減期產氣量的波動。

隨著溫度的升高,產氣量先增加后下降,在35℃時達到極坐標。


巨大的價值。通過多項式擬合得到的擬合方程的r2為0.937,擬合結果非常接近觀測值。通過擬合方程,可以推斷累積氣體產量在38.37°C達到最大值。該結果與實際觀察結果一致,與以前的文科,YCSong2)和吳是滿昌3相同。

結果表明,溫度對垃圾沼氣池發酵產氣階段的影響不同。


該段具有不同的作用,不同時期的最大氣體生產溫度與不同地區不同。其中,穩定的生產量與溫度的關系最為顯著,最大的生產量在31°c。峰值產量與溫度的關系有待進一步研究。衰退期體積與溫度的相關性較弱,不確定性較大

這一結果在一定程度上解釋了國內外垃圾填埋場氣體排放觀測結果的差異。以往許多學者對311垃圾填埋場氣體排放進行了觀測和研究,但結果差異很大,特別是在溫度對垃圾填埋場氣體排放的影響方面。實驗結果表明,溫度對垃圾填埋氣排放的影響取決于填埋場垃圾的產氣階段。垃圾填埋體的最佳產氣溫度在不同的產氣階段有很大的差異,但填埋場中的垃圾往往處于不同的產氣階段,其產氣時間跨度大,成分復雜。而且填埋場的溫度條件也有很大的差異,導致填埋場的產氣率也有很大的不同。不過,在觀察堆填區時,他們只能在一段時間內觀察堆填區的表面氣體排放情況。在這短時間內,垃圾填埋場內部的垃圾同時處于不同的產氣階段,但相對穩定。因此,觀測溫度對垃圾填埋氣排放的影響是不同的。


2.3不同階段產氣時間與溫度的關系

溫度變化對廢物沼氣池發酵產氣時間的影響比較明顯,即隨著溫度的升高,廢物沼氣池發酵和產氣過程可以大大加快,提高了沼氣池發酵產氣的效率。基于擬合曲線的氣體產生曲線的峰值和峰值時間示于表3中。

表3表明,隨著溫度的升高,各組達到產氣峰值的時間迅速縮短。可以推測,隨著溫度的升高,峰值期水解產酸階段細菌的活性迅速增加,各組的峰高隨溫度的升高而迅速增加,這也說明了峰值期水解產酸階段細菌的活性。隨著溫度的升高,周期迅速增加。這一推論與圖7中的先前結論一致,但略有不同。由此推斷,在不同的溫度條件下,在整個產氣過程中,各產氣階段的產氣時間比例在不同的溫度下存在。各產氣階段占總產氣時間的比例如圖11-13所示,如圖11所示。雖然峰值期的產氣時間隨溫度的升高而迅速減少。高峰期產氣時間短,但產氣時間在整個沼氣池發酵過程中所占比例不同。一般來說,在四個實驗溫度下,峰值時間約占整個沼氣池發酵過程的30%,而峰值時間所占比例最小,僅占25℃下總沼氣池發酵過程的13%。考慮到這一階段累積產氣量占總產氣量的比例,有一個峰期時間比與累計產氣量比的相關性。其中,在25℃時,實驗組的峰期時間比最低,峰期累計產氣量僅為35%。實驗組峰值累積產氣率略高于實驗組,15、45時略低于實驗組。結果表明,在15(?)的低溫下,微生物活性受到抑制,酸水解過程開始緩慢。C,所以高峰時段在15(?)時占最大比例。C.但是,在25(?)C,雖然酸水解過程開始緩慢,但產甲烷菌在這個溫度下可以正常生長和繁殖,因此沼氣池發酵過程是在水解生產中進行的。酸法開始后不久,進入了穩定的產甲烷階段1-71。因此,在這兩種條件下,峰值產氣時間在整個沼氣池發酵過程中所占的時間較多,而35℃更接近峰值最佳溫度,因此該階段產氣率在35℃和45℃條件下也是最大的。e總產氣量。


圖12進一步驗證了前一個推論,即在25°C時,在4個實驗溫度和25°C條件下,穩定周期的氣體生產時間最高達到405<unk;GT;,在穩定期內,累積氣體產量與總氣體產量的比率也比其他三個實驗溫度大得多。

49.9%;但是,在15℃和45℃時,甲烷細菌的活性在太低和太高的溫度下都受到抑制,因為在這兩個溫度條件下,穩定階段的產氣時間相對較短,只有21.4%和22.6%,但這兩個溫度下的累計產氣量占總產氣量的比例也很低,只有23.2%和23.3%;在35℃時,雖然穩定期產氣時間比25℃時低,但仍保持在高水平,為35.9%。在此溫度下,穩定期累計產氣量占總產氣量的30%。

根據圖13,在四種溫度條件下,衰變期產氣時間約占沼氣池發酵產氣時間的40%,且無顯著性差異。在25℃條件下,產氣時間占沼氣池發酵總產氣時間的比例達到%,35℃時產氣時間占沼氣池發酵總產氣時間的比例最小(%),35℃時產氣時間占沼氣池發酵總產氣時間的比例最低。產氣時間占沼氣池發酵總產氣時間的比例為1%。在25℃和35℃時,25℃和35℃累積產氣量占總產氣量的比例分別為4.2%和4.2%,這是衰變期間累積產氣率的最大值和最小值。結合前兩個沼氣池發酵階段,我們可以看出,在35℃時,水解峰和產酸反應比其他階段更豐富,試驗樣品中殘留有機物含量低于其它階段。因此,與其它三種溫度條件相比,產氣時間較短,產氣量較小。

通過分析不同溫度條件下不同階段的產氣時間比和產氣率,進一步驗證了以前的結論,即不同的溫度條件對不同產氣階段的產氣時間和累積產氣量有不同的影響。隨著溫度的升高,各實驗組的總沼氣池發酵時間迅速減少,但總產氣量總體增加。在不同的溫度條件下,每個產氣階段的產氣時間也與總產氣時間的比例有很大差異,其中峰值產氣時間比率在25°C時最小,而穩定的產氣時間是最長的;在25°C時,高峰期累計產氣量與總產氣量之比也最小,而固定相累積產氣量與總產氣量之比也最大;可以認為水解在該溫度下產生酸。菌株的活性與產甲烷菌的活性之間存在顯著差異。該溫度條件對水解產酸菌株有明顯的抑制作用,但對產甲烷菌的活性有顯著影響。


3結論


(1)通過改變產氣率對垃圾產氣曲線進行分段回歸擬合,結果能準確反映實際產氣變化,相關性高,擬合效果好。

(2)氣體生產的不同階段受溫度的影響。穩定的生產量與溫度的關系最為明確,發現在31°C時穩定的生產量最大。需要通過實驗進一步探討峰值產量與溫度的關系。產量與溫度的相關性較弱,且存在較大的不確定性。

(3)不同產氣階段的產氣時間也受溫度的影響,25℃時最低產氣高峰時間占總產氣時間的13%,最高穩定產氣時間占總產氣時間的40.5%,最大穩定產氣時間占總產氣時間的40.5%,最大穩定產氣時間占總產氣時間的40.5%。在25℃時,最低產氣高峰時間占總產氣時間的13%,最高穩定產氣時間占總產氣時間的40.5%。在35℃時,產氣時間占總產氣時間的最小比例為38.5%。

(4)溫度對不同產氣階段細菌活性和產氣時間的影響主要體現在溫度對不同產氣階段主菌活性的影響和不同產氣階段產氣時間的影響上。


摘自《中國沼氣》2018第1期 劉盛濤 鄭有飛


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