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分段拟全分析温度对沼气池垃圾发酵的影响
时间 : 2019-03-03 浏览量 : 68

随着我国城市化进程的逐步推进,城市生活垃圾产量逐年增加。生活垃圾会引起一系列的环境和社会问题,如气味、污染等。城市生活垃圾卫生填埋场是一种常用的垃圾处理方法,它采取必要的防护措施,以达到最大限度地隔离处置废物与环境生态系统的目的。是原始废物的最终处置。据统计,2015年我国城市固体废物去除量达到1.91亿吨,其中1.15亿吨采用卫生填埋场处理,占垃圾处理总量的百分比。碳排放是最重要的排放源之一。


许多学者对垃圾填埋场的CH排放进行了大量观察。  刘鸿霆研讨某填埋场后,得出夜间到清晨排放率最低,午时最高,下昼随时候递加的纪律;杨雪等,则经由过程试验得出了排放通量下昼大于午时大于上午的结论,且释放通量变化较小;马占云等,通过长期观测封场区甲烷排放情况得出了甲烷日变化不存在规律性的结论。这些结论完全不同。同时,影响采样点垃圾产气量和气体迁移过程的因素很多。以往对垃圾沼气池发酵过程的研究成果难以解释。


在以往的研究中,一般认为垃圾沼气池发酵产气的最适温度分别为37℃和55℃3。。一些研究表明,温度对垃圾沼气池发酵的不同阶段有不同的影响。李阳等人的研讨发明渣滓沼气池发酵过程当中25℃条件下,乙酸产量最大m;侯贵光等人则依据有机物厌氧发生沼气的生化机理,创建两步一级反应耦合模型,认为垃圾沼气池发酵可分为两个主要阶段。然而,对于温度对天然气生产各阶段的影响研究较少,因此,在垃圾产气曲线达到一定程度后,本文采用回归分析的方法研究了温度对各阶段产气的影响。


材料与方法


1.1垃圾源和预处理


为了避免垃圾成分的变化对实验的影响,将垃圾的特定成分按一定比例混合到实验垃圾中。垃圾利用率及比例见表1。根据垃圾填埋场垃圾样品的组成,确定垃圾成分的比例。其中以新鲜苹果、梨、橙子代替厨房垃圾,三种水果的新鲜重量占厨房垃圾成分的三分之一。实验前将所有垃圾粉碎成1-2厘米的碎片,搅拌均匀备用。以同一组分沼气池发酵产生的渗滤液为接种剂。


1.2实验方法


在125克混合废物和500毫升圆锥瓶中,接种和垃圾的质量比为1:10。

均质后,在恒温培养箱中培养,通过排水、集气等方法收集气体。实验装置如图1所示。分别设置了15℃、25℃、35℃和45℃四种培养温度,并在每个温度下设置多个平行样品。同时,将一组仅含孕育剂的锥形烧瓶作为空白样品。实验开始后每小时记录一次产气量。同时,用注射器采集气体样品,用气相色谱仪分析CO2和CH4的浓度。


2结果与讨论


2.1分段拟合


废液沼气池发酵过程可分为水解阶段、分解阶段和衰变阶段。每一阶段的反应都要经过一定的时间才能发生变化,这就使得天然气生产阶段难以过渡。通常,沼气池发酵阶段的判断主要是通过检测沼气池发酵液浓度的变化来判断的,而对沼气池发酵阶段的分割则是粗略的。本实验通过分析沼气池发酵阶段转换引起的产气率变化,对垃圾沼气池发酵进行了研究,并通过检测CO2浓度和产气率,提高了分选的准确性。本文选取了多个平行样品的平均值,并对不同采气阶段进行了回归分析。用最小二乘法估计出满足采气阶段线性关系的线性回归方程参数,用最小二乘法估计采气阶段线性回归方程的参数。为了避免沼气池发酵过程中产气波动的影响,对满足产气阶段非线性关系的回归方程进行了分析。

如下图所示,图2至图5在15°C,25°C,35°C和45°C时显示了垃圾产生的峰值产气期,稳定期和衰减期的回归曲线。 , 分别。


各阶段产气量叠加如图6所示。为了进一步了解温度对不同阶段天然气产量的影响,作者对不同阶段的天然气产量进行了分析。

如图7至10所示,在峰值、稳定和衰减期间产生的气体累积体积以及总累积体积与温度之间的关系


拟合结果的p值和R2如表2所示。

根据各产气阶段的P值,各产气阶段的拟合曲线与实际产气量呈显著正相关。除15℃峰期拟合曲线(0.0 5>P>0.0 1)外,其它阶段拟合曲线p值均小于0.0 1,与实际产气量高度相关。15℃峰期拟合曲线也与实际产气量呈显著正相关。根据拟合曲线R2,拟合曲线与实际产气量曲线具有良好的相关性,与实际产气量曲线一致。因此,可以认为拟合效果较好,拟合曲线能够准确地反映实际产气量的变化。


2.2不同阶段温度与产气量的关系


通过对拟合曲线的积分,可以得到不同阶段的垃圾沼气池发酵生产过程。

废物沼气池发酵过程可分为:水解酸生产阶段、甲烷生产阶段和衰减阶段。


其中,图7显示了不同温度下峰值期的气体生产曲线,对应于水解和酸性生产阶段。气体产生量首先随温度的升高而减小,在25°c时达到最小值,然后上升,在35°c时达到最大值。当温度较低时,特别是15°c以下的温度会影响酸产生阶段的开始,即影响整个沼气池发酵过程的开始。在15°c和25°c的实验低温段,虽然25°c的峰值时期的累积气体生产量比15°c的峰值时期的累积气体生产量略有下降,与另外两组实验相比,两组实验在累积产生气体的高峰期差异不大,因此可以推断水解阶段在低温阶段开始缓慢,而且产量也较少,生产乙酸等甲烷生产阶段所需原料较少,不利于后续沼气池发酵。当气温上升时

当温度高达35℃时,峰值产气量迅速增加,水解产酸反应强烈,峰值产气量是峰值15℃和25℃的两倍。但当温度升高到45℃时,峰值产气量虽有所下降,但与15℃和25℃相比仍为高水平,由此推断,在此温度范围内,水解产酸阶段即沼气池发酵高峰期的适宜温度为35℃-45℃,垃圾沼气池发酵的水解产酸阶段很强,有机分解产生大量的CO2和乙酸等原料,需要后续的产甲烷阶段,这有利于沼气池发酵的持续进行。为了进一步确定温度与气体产量之间的关系,作者尝试用线性回归和非线性回归拟合。拟合方程的R2分别为0.526和0.537。该结果表明在峰值期的累积气体产生与温度有关,但由于样品的数量,不能拟合相应的关系函数。相关研究表明,该阶段的主要产气来源是垃圾酸沼气池发酵产生的二氧化碳。乙酸和二氧化碳中的有机碳占总有机碳的比例为乙酸的2/3和二氧化碳的1/317。李阳31等人的研讨发明,温度控制在25℃~35℃时餐厨渣滓沼气池发酵可获得较高乙酸产量;而赵宋敏等人的研讨则发明,温度在20℃~37℃时餐厨渣滓沼气池发酵发生的CO2随温度降低而降低,37℃时厨余渣滓沼气池发酵产酸量最大,跨越37℃后CO2及乙酸产量敏捷下降。以上结果与实验结果吻合。但是,由于样本数较少,有必要通过进一步缩小实验组之间的温度差来确定温度与产气量峰值之间的关系函数。


图8是稳定相在不同温度条件下的产气曲线,对应于甲烷生产阶段,随着温度的升高,产气量先增加后减小,在25℃时达到最大值。方程r2为0.816,表明温度与稳定期累积产气量有很强的相关性。通过对该方程的拟合,可以得出在稳定期31℃时累积产气量的最大值。在这一阶段,天然气的产生主要是由于再分配和二氧化碳,这是营养物质的极限。

该因子可以假设为一阶反应。实验结果表明,醋酸产量最低的实验组在25℃时的产气量最高,拟合结果也表明,最高产气点在31℃左右,这不是上一阶段的最高产气温度。赵宋敏等人及马宗虎等人的研讨效果注解,在全部厌氧沼气池发酵阶段,pH值并无随温度变迁发生较大波动0,由此可排除pH值对产气量的影响。因此,可以认为这一阶段的最佳气体生产温度应在31°C左右。


图9显示了不同温度下衰变周期的产气量曲线。与峰值期相反,产气量随温度的升高而增加,在5℃时达到最大值,在35℃时达到最小值后迅速下降,然后迅速增加。线性和非线性回归拟合表明,拟合方程的R2分别为0.255和0.141。结果表明,在衰变过程中,温度与产气量的相关性较弱。此外,通过对比同一温度下平行样品衰减期的产气量,发现样品间衰减期产气量波动较大,标准偏差是峰值期和稳定期的5倍,不确定度较大。总之,在衰变期间,累积产气量与温度之间没有显著的相关性。原因是衰减期的产气量是以前两个阶段产气量的剩余物质和细菌种类为基础的,前两个产气期的产气率虽无显著差异,但各组平行样品的产气率仍有差异。这些差异在衰减期、产气后期被放大,导致衰减期产气量的波动。

随着温度的升高,产气量先增加后下降,在35℃时达到极坐标。


巨大的价值。通过多项式拟合得到的拟合方程的r2为0.937,拟合结果非常接近观测值。通过拟合方程,可以推断累积气体产量在38.37°C达到最大值。该结果与实际观察结果一致,与以前的文科,YCSong2)和吴是满昌3相同。

结果表明,温度对垃圾沼气池发酵产气阶段的影响不同。


该段具有不同的作用,不同时期的最大气体生产温度与不同地区不同。其中,稳定的生产量与温度的关系最为显著,最大的生产量在31°c。峰值产量与温度的关系有待进一步研究。衰退期体积与温度的相关性较弱,不确定性较大

这一结果在一定程度上解释了国内外垃圾填埋场气体排放观测结果的差异。以往许多学者对311垃圾填埋场气体排放进行了观测和研究,但结果差异很大,特别是在温度对垃圾填埋场气体排放的影响方面。实验结果表明,温度对垃圾填埋气排放的影响取决于填埋场垃圾的产气阶段。垃圾填埋体的最佳产气温度在不同的产气阶段有很大的差异,但填埋场中的垃圾往往处于不同的产气阶段,其产气时间跨度大,成分复杂。而且填埋场的温度条件也有很大的差异,导致填埋场的产气率也有很大的不同。不过,在观察堆填区时,他们只能在一段时间内观察堆填区的表面气体排放情况。在这短时间内,垃圾填埋场内部的垃圾同时处于不同的产气阶段,但相对稳定。因此,观测温度对垃圾填埋气排放的影响是不同的。


2.3不同阶段产气时间与温度的关系

温度变化对废物沼气池发酵产气时间的影响比较明显,即随着温度的升高,废物沼气池发酵和产气过程可以大大加快,提高了沼气池发酵产气的效率。基于拟合曲线的气体产生曲线的峰值和峰值时间示于表3中。

表3表明,随着温度的升高,各组达到产气峰值的时间迅速缩短。可以推测,随着温度的升高,峰值期水解产酸阶段细菌的活性迅速增加,各组的峰高随温度的升高而迅速增加,这也说明了峰值期水解产酸阶段细菌的活性。随着温度的升高,周期迅速增加。这一推论与图7中的先前结论一致,但略有不同。由此推断,在不同的温度条件下,在整个产气过程中,各产气阶段的产气时间比例在不同的温度下存在。各产气阶段占总产气时间的比例如图11-13所示,如图11所示。虽然峰值期的产气时间随温度的升高而迅速减少。高峰期产气时间短,但产气时间在整个沼气池发酵过程中所占比例不同。一般来说,在四个实验温度下,峰值时间约占整个沼气池发酵过程的30%,而峰值时间所占比例最小,仅占25℃下总沼气池发酵过程的13%。考虑到这一阶段累积产气量占总产气量的比例,有一个峰期时间比与累计产气量比的相关性。其中,在25℃时,实验组的峰期时间比最低,峰期累计产气量仅为35%。实验组峰值累积产气率略高于实验组,15、45时略低于实验组。结果表明,在15(?)的低温下,微生物活性受到抑制,酸水解过程开始缓慢。C,所以高峰时段在15(?)时占最大比例。C.但是,在25(?)C,虽然酸水解过程开始缓慢,但产甲烷菌在这个温度下可以正常生长和繁殖,因此沼气池发酵过程是在水解生产中进行的。酸法开始后不久,进入了稳定的产甲烷阶段1-71。因此,在这两种条件下,峰值产气时间在整个沼气池发酵过程中所占的时间较多,而35℃更接近峰值最佳温度,因此该阶段产气率在35℃和45℃条件下也是最大的。e总产气量。


图12进一步验证了前一个推论,即在25°C时,在4个实验温度和25°C条件下,稳定周期的气体生产时间最高达到405<unk;GT;,在稳定期内,累积气体产量与总气体产量的比率也比其他三个实验温度大得多。

49.9%;但是,在15℃和45℃时,甲烷细菌的活性在太低和太高的温度下都受到抑制,因为在这两个温度条件下,稳定阶段的产气时间相对较短,只有21.4%和22.6%,但这两个温度下的累计产气量占总产气量的比例也很低,只有23.2%和23.3%;在35℃时,虽然稳定期产气时间比25℃时低,但仍保持在高水平,为35.9%。在此温度下,稳定期累计产气量占总产气量的30%。

根据图13,在四种温度条件下,衰变期产气时间约占沼气池发酵产气时间的40%,且无显着性差异。在25℃条件下,产气时间占沼气池发酵总产气时间的比例达到%,35℃时产气时间占沼气池发酵总产气时间的比例最小(%),35℃时产气时间占沼气池发酵总产气时间的比例最低。产气时间占沼气池发酵总产气时间的比例为1%。在25℃和35℃时,25℃和35℃累积产气量占总产气量的比例分别为4.2%和4.2%,这是衰变期间累积产气率的最大值和最小值。结合前两个沼气池发酵阶段,我们可以看出,在35℃时,水解峰和产酸反应比其他阶段更丰富,试验样品中残留有机物含量低于其它阶段。因此,与其它三种温度条件相比,产气时间较短,产气量较小。

通过分析不同温度条件下不同阶段的产气时间比和产气率,进一步验证了以前的结论,即不同的温度条件对不同产气阶段的产气时间和累积产气量有不同的影响。随着温度的升高,各实验组的总沼气池发酵时间迅速减少,但总产气量总体增加。在不同的温度条件下,每个产气阶段的产气时间也与总产气时间的比例有很大差异,其中峰值产气时间比率在25°C时最小,而稳定的产气时间是最长的;在25°C时,高峰期累计产气量与总产气量之比也最小,而固定相累积产气量与总产气量之比也最大;可以认为水解在该温度下产生酸。菌株的活性与产甲烷菌的活性之间存在显着差异。该温度条件对水解产酸菌株有明显的抑制作用,但对产甲烷菌的活性有显着影响。


3结论


(1)通过改变产气率对垃圾产气曲线进行分段回归拟合,结果能准确反映实际产气变化,相关性高,拟合效果好。

(2)气体生产的不同阶段受温度的影响。稳定的生产量与温度的关系最为明确,发现在31°C时稳定的生产量最大。需要通过实验进一步探讨峰值产量与温度的关系。产量与温度的相关性较弱,且存在较大的不确定性。

(3)不同产气阶段的产气时间也受温度的影响,25℃时最低产气高峰时间占总产气时间的13%,最高稳定产气时间占总产气时间的40.5%,最大稳定产气时间占总产气时间的40.5%,最大稳定产气时间占总产气时间的40.5%。在25℃时,最低产气高峰时间占总产气时间的13%,最高稳定产气时间占总产气时间的40.5%。在35℃时,产气时间占总产气时间的最小比例为38.5%。

(4)温度对不同产气阶段细菌活性和产气时间的影响主要体现在温度对不同产气阶段主菌活性的影响和不同产气阶段产气时间的影响上。


摘自《中国沼气》2018第1期 刘盛涛 郑有飞


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