强化厌氧产沼气的微观机理研究

沼气产业化是我国发展替代能源的需要,而沼气转化率低是沼气生产的主要瓶颈.有机负荷和水力条件是沼气转化的主要影响因素．我课题组在"升流式生物反应器中水力剪切力的定量化方法和影响机理"等两个NSFC课题的基础上,发展出一套全新的微型反应器技术结合显微测量技术的动态厌氧过程的微观定量研究方法(精度至500nm).本课题将完善该方法,并以之研究强化有机物厌氧转化沼气的微观机理.颗粒污泥是目前高效反应器中最常用的类型之一,故本课题拟在微型反应器中以颗粒污泥为对象进行如下研究:①厌氧污泥产气的基本规律;②有机负荷对厌氧产气的影响;③污泥附近的剪切力场及其对厌氧产气的影响;④强化厌氧产沼气的有机负荷、剪切力的范围;⑤在①至④的成果上,研究调控机制和优化反应器内有机负荷和水力状况的工程措施.该方法可清晰展示气液固三相的相互作用,可以用精确控制水力条件来精确控制反应过程,是定量研究动态复杂过程的新途径.

针对沼气生产的主要瓶颈沼气转化率低的问题，本课题对关键因子有机负荷和水力剪切力对沼气转化率的影响规律和机理在微反应器和摇瓶中进行了系统研究，取得以下主要成果： .（1）研发了以微反应器和为核心的厌氧动态过程的微观定量在线研究系统并优化，该系统由三部分组成，包括：微反应器、在线定量测量系统和恒温系统。配套的在线测量手段包括数码相机、高速摄像仪、粒子图像速度仪和微观粒子图像速度仪。在硬件系统的基础上，摸索出一套相应的实验操作方法，确保微反应器中的厌氧反应能持续稳定地进行。.（2）掌握了厌氧颗粒污泥的产气特征，包括产气速率、产生的沼气气泡的直径分布和上升速率等统计物理特征。得到了气泡直径与上升速率的方程。.（3）通过MPIV和PIV获得了反应区和颗粒污泥的流场和剪切速率场，进而掌握了污泥承受的剪切速率与产气速率的定量关系。微观研究揭示，气泡直径分布和个数是颗粒污泥受到的水力剪切速率的主要影响因素，因此成为影响厌氧反应的过程传质和传热效率的关键，而液相流速是气泡直径分布的主要影响因素。.（4）有机负荷和水力条件在对厌氧产气上存在耦合效应。与液相流速产生的水力剪切速率相比，厌氧产生的沼气引起的水力剪切速率可能更大，因此有机负荷对厌氧产气通过两条途径产生作用，即改变有机物的浓度梯度和水力剪切速率。剪切速率增大可以提高传质，但增大到一定程度后，反而造成污泥变形，污泥内部传质的阻力增加，传质减缓。.（5）掌握了水力条件对厌氧产气的影响规律。随着水力剪切速率的增加，沼气产率先增后减。试验条件下取得最大沼气产率的剪切速率范围28-50s-1。在处理葡萄糖配水，进水COD在3000mgL-1左右时，液相上升流速3mh-1左右，沼气产率达到最大。.（6）掌握了有机负荷对厌氧产气的影响规律。在固定液相流速下，随着有机物浓度的增加，沼气产率增加，当大于一定数值后，就稳定不增了。有机负荷在0.2 kgCOD•kgVSS-1•d-1左右获得了最大沼气转化率。.（7）推荐工程上采用有机负荷采用0.2 kgCOD•kg-1VSS•d-1，污泥浓度40gSSL-1以上，水力剪切速率范围采用28-50s-1。进水COD在3000mgL-1左右时，液相上升流速可用3mh-1左右。进水浓度高，液相上升流速可以降低；而浓度低，可以增加液相上升流速。