物质和能量非均衡分配提升猪场粪污沼气发酵效率的机制及模型

Swine wastewater was currently treated by biogas fermentation process. However, it is hard to heat the waste water due to its large quantity and relative low concentration, which will lead to low efficiency of biogas fermentation. In order to solve these problems, we plan to theoretically analysis the mechanism of fermentative temperature and biogas fermentative efficiency increased by the method of non-balanced distribution of substance (substrates and water) and energy according to the previous achievement of “biogas fermentation based on the separation of swine wastewater into concentrated slurry and dilute liquid”, and on account of the thermodynamics, gravity settling model, kinetics of biogas fermentative temperature and microorganisms. Then the experiment of gravity settling, temperature increases and biogas fermentation will verify the reliability of the theoretical analysis. Afterwards, effect of the proportion of substance and energy distribution on biogas fermentative efficiency will be tested, and its mechanism will be analyzed. Finally, quantitative model of the method of non-balanced distribution of substance and energy which can provide universal guidance to the application of biogas plants, will be built.

猪场粪污通常采用沼气发酵进行处理利用，由于猪场粪污体积大、浓度不高、因此升温困难、冬季处理效率低。针对这一问题，在前期开发“基于浓稀分流的猪场粪污沼气发酵方法”的基础上，以热力学、重力沉降模型、沼气发酵微生物动力学以及温度影响动力学模型为依据，从理论上解析浓稀分流方法的物质（底物与水）非均衡分配、加热能量非均衡分配提升发酵温度以及最终提升沼气发酵效率机制。然后进行相应的重力沉降、温度提升和沼气发酵试验，验证理论分析的可靠性。进而通过不同物质分配比例以及能量分配比例对沼气发酵效率提升影响的研究，探索影响机制，最终建立物质和能量非均衡分配与沼气发酵效率提升之间的定量关系模型，为工程实践提供普适性的理论指导。

猪场废水体积大、浓度低，相对于其它畜禽粪污，在利用沼气发酵技术进行处理利用时加热困难，发酵效率较低，处理效果不好。针对这一问题，现已有“浓稀分流”和“分步加热”等在能量输入不变的条件下提升沼气发酵效率的策略。但以上两种策略仍然存在物料热量损失、高温发酵装置负荷不高，能量利用不够的缺点，同时在发酵体系中化学平衡、污泥微生物特征、提升效率影响因素机制模型等方面还缺少基础理论的支撑。基于以上问题，本项目提出物质能量非均衡分配的沼气发酵加热策略，将“浓稀分流”和“分步加热”结合，解决能量利用不够的问题，以进一步提升猪场废水沼气发酵效率，并探索效率提升机制和理论模型。本项目首先开展物质能量非均衡分配提升效率的理论分析，得出分配比例对效率提升影响较小，环境温度为5℃时的理论提升效率接近20倍，在不同环境温度条件下，容积负荷提升沼气发酵效率的变化趋势不同。在效率提升验证试验中得出，整体沼气发酵效率提升率最高158.81%，相对于前期的分步加热策略可以获得更高的沼气发酵效率，试验值仍然远小于理论值。在影响因素及模型研究中得出，甲烷产率与传统加热相比提高19.15%~35.48%。发酵体系的最佳运行负荷为4.62 kgCOD·m-3·d-1。组合策略对有机物质的去除效果强于传统加热。组合工艺中间产物转化成甲烷的速率快，表现出较强的系统稳定性。微生物群落特征表明，相对于传统工艺组合工艺的互营氧化作用较强。