耐高温厌氧胶研究

耐高温厌氧胶研究（精选4篇）

耐高温厌氧胶研究 篇1

0 引言

厌氧消化液是指有机废物/水经厌氧微生物作用后从厌氧反应器中排出的液体[1]。有机底物经过高温水解、酸化、甲烷化阶段后，从固相转移到液相且不断被降解，转变为高温厌氧消化液。高温厌氧消化液以挥发性脂肪酸(VFA)、氨氮、硫化物为主要成分，而且产气量大，所以在消化系统连续运行时，厌氧消化液不断外排以保证消化器有足够的容积接纳下一批入料[2]。

温度是影响厌氧消化的重要因素之一，厌氧消化反应在10℃～65℃之内都能进行[3]。但在一定温度范围内，随着温度的升高，厌氧消化反应速度加快，产气量随之增多，与温度低时的厌氧消化反应相比，提高了产气效率，缩短了反应周期[4,5]，但并不呈线性关系[6]。一般工艺上常将厌氧发酵按温度分为高温厌氧发酵(50℃～60℃)、中温厌氧发酵(30℃～40℃)和常温厌氧发酵(自然温度)[7]。

本研究选取自高温厌氧发酵后经过滤的消化液，在自制的厌氧消化反应瓶中，研究了中温对消化液二次厌氧发酵产气特性的影响，以期为大中型沼气工程的消化液后处理发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 厌氧消化液

实验所采用的厌氧消化液取自黑龙江省科学院科技孵化中心生物质能源实验室的高温厌氧发酵反应器，消化液按高温连续厌氧发酵的不同天数取出，分别为发酵6d、10d、14d和18d，消化液的各项指标如表1所示。

1.1.2 接种物

中温厌氧消化所采用的接种物取自正在运行中的厌氧消化器。

1.1.3 实验装置

实验装置为实验室自制的小型厌氧消化反应瓶。反应瓶材质为透明聚碳酸酯，可以观察到发酵原料在瓶内的物态状态变化，瓶口采用橡胶密封，发酵瓶容积1 000ml，有效容积300ml。

1.2 方法

1.2.1 产气量测定

厌氧消化过程温度设定为35±2℃，实验共设4组。考虑到有机底物随发酵时间的增加，其厌氧消化液各项指标也会随之变化，所以分别采用发酵6d、10d、14d和18d的样品，每组设3个平行样品，每个样品中加入接种物100g，其它实验条件相同。配料完毕后，反应瓶中充氮气5min，除去瓶内氧气，密闭，置于35℃恒温培养箱中，发酵天数为30d。根据理想气体方程:P1V1/T1=P2V2/T2，计算产气量，其中压力由高精度压力表进行测量。

1.2.2 甲烷(CH4)含量测定

甲烷(CH4)含量使用武汉四方光电沼气分析仪Gasboard测定。

1.2.3 消化液COD值测定

COD值由德国LOVIBOND ET99722 COD快速测定仪测定。

1.3 仪器设备

鼓风干燥箱(101-IBS)、箱式电阻炉(4-10)，上海博讯实业有限公司;电子天平(FA2004)，上海良平仪器仪表有限公司;p H计(PHS-3C)，上海精密科学仪器有限公司;立式恒温振荡培养箱(HZQ-X100)，哈尔滨市东联试验设备厂;通风厨(TFG-1200S)，哈尔滨市东联试验设备厂;台式离心机(TD25)，湘仪离心机有限公司;超声波清洗器(KQ-200KDB)，昆山禾创超声仪器有限公司;红外沼气分析仪(Gas-board3200)，武汉四方光电科技有限公司;COD快速测定仪(ET99722)，德国LOVIBOND公司。

2 结果与分析

2.1 厌氧消化过程中产气量的变化趋势

中温发酵条件下，不同高温厌氧发酵时间的厌氧消化液产气量见图1所示。

从图1可知，随着高温厌氧发酵天数的不断增加，厌氧消化液中有机质含量的不断减少，导致在中温厌氧发酵开始阶段，高温厌氧发酵天数越少的试验组其在中温厌氧发酵过程中产气量越高，发酵第9d，高温发酵6d的试验组的产气量达到产气高峰54.2ml/d，随后趋于平稳，发酵10d、14d和18d的试验组在中温厌氧发酵第12d时达到高温，分别是53.7ml/d、53.1ml/d和53.6ml/d。

2.2 厌氧消化过程中沼气甲烷含量的变化趋势

厌氧发酵过程中产生的沼气是一种混合气体，其成分主要是CH4和CO2，此外，还有少量的CO、H2S、O2和N2等气体。但在厌氧消化的不同反应阶段，CH4和CO2的相对含量也会不同，本试验结果主要测量沼气成分中甲烷所占百分含量的变化趋势。

图2显示的是中温厌氧消化反应过程中沼气甲烷(CH4)含量的变化，4个试验组的甲烷含量都呈明显上升趋势。在发酵初期，高温厌氧发酵6d的试验组的甲烷含量较高温发酵10d、14d和18d的试验组高，在发酵第6d，甲烷含量分别为:35.8%、29.4%、28.4%和25.7%。在试验进行到第9d时，各试验组的甲烷含量趋于稳定，分别为51.5%、50.8%、48.2%和48.9%，各试验组的产甲烷菌都适应了所处的环境，开始了正常的新陈代谢。比较整个试验过程中，高温厌氧发酵6d的试验组甲烷含量都较其它3组相对较高，说明高温厌氧发酵时间越短，其厌氧消化液中的有机质含量高，所以其甲烷含量较其它3组偏高。

2.3 厌氧消化液中COD的变化趋势

图3显示了消化过程中消化液COD的变化趋势，各试验组的COD值都在最初的3d下降很快，随后趋于稳定。在中温厌氧发酵前由于随着高温厌氧发酵天数的增加，COD值出现逐渐下降的趋势，测得各实验组的COD值分别为:发酵6d 91500mg/L、发酵10d 82 200mg/L、发酵14d 78 000mg/L和发酵18d 76 500mg/L，在中温厌氧发酵第3d，由于温度从原有高温55±2℃转换到中温35±2℃，中温菌大量生长繁殖，消耗厌氧消化液中的有机底物，使得各试验组COD迅速降低，分别为发酵6d 59 500mg/L、发酵10d 55 400mg/L、发酵14d 55300mg/L和发酵18d 52 900mg/L,COD平均降幅达26 275mg/L，从第3d开始直到发酵第30d，各试验组COD一直保持平稳状态，分别是发酵6d 63 500mg/L、发酵10d 51 500 mg/L、发酵14d 51 100mg/L和发酵18d 49 500mg/L。

3 讨论

对于大型沼气工程中产生的消化液，目前国内普遍采用的处理方法是生物法、化学法和物理法相结合的方法，这些方法的缺点是成本高，工艺繁琐，而本实验根据厌氧发酵机理，对高温厌氧发酵后的消化液进行二次中温厌氧发酵处理，使成本降低、工艺简化的同时，提高了原料的利用率，为消化液的后处理奠定了基础。

本实验就产气特性而言，在规定的时间内，经高温厌氧发酵后的消化液经中温厌氧二次发酵，高温厌氧发酵天数越少，产气量和产甲烷率越高，总体变化规律一致，只是出现变化的时间段不一致。

综合试验中产气特性各指标和消化液指标可知，高温厌氧发酵条件下不同发酵时间的消化液，在中温35±2℃的实验条件下，可继续发酵，经30d发酵后，消化液中的COD平均降幅达28 150mg/L，说明高温厌氧发酵后的消化液可继续在中温条件下继续发酵，从产气特性各指标可以看出，300g的消化液在中温条件下发酵30d后的总产气量平均为523ml，沼气中甲烷含量达到55%，产气量虽不大，但沼气中的甲烷含量达55%，说明沼气质量好，可以继续回收利用。

参考文献

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[2]史红钻.消化液回用的两段厌氧法处理厨余垃圾及其酸化相的研究[D].上海:上海交通大学,2005.

[3]林聪.沼气技术理论与工程[M].北京:化学工业出版社,2007.

[4]刘荣厚,郝元元,武丽娟.温度条件对猪粪厌氧发酵沼气产气特性的影响[J].可再生能源,2006,129(5):32-35.

[5]Song H Y,Dague R R.Temperature phased anaerobic digestion ofwastewater sludge[J].Water Sci.Technol.,1997(36):367-374.

[6]郝元元.猪粪厌氧发酵工艺条件对产气特性及沼液营养成分的影响[D].沈阳:沈阳农业大学,2006.

[7]郭亮,马传杰,花日茂.温度对畜禽粪便厌氧发酵影响的研究现状[J].当代畜牧,2008,(9):45-46.

耐高温厌氧胶研究 篇2

禽类粪便产量巨大,成分复杂,具有高含固率、高有机物含量、高氮磷含量、含有大量的病原微生物和寄生虫虫卵等特点,若处理不当会对环境和人类健康产生危害。据悉,2007年畜禽养殖业排放的COD高达1.27×107t,另外,TN,TP的含量分别达到102.48 t和1.60×105t[1]。因此,禽畜粪便的处理与处置问题日益严峻。

厌氧消化技术为禽畜粪便稳定化、资源化处理提供了技术支撑。厌氧发酵中间产物含有大量的脂肪酸,生成的VFAs可作为液体燃料[2]、聚羟基脂肪酸酯合成的前驱体[3]或水处理过程中脱氮的外加碳源加以利用[4],起到一定的经济效应。目前,以废水、污泥、餐厨垃圾、牛粪为底物发酵产酸的研究受到广泛关注[5,6,7]。禽畜粪便,特别是鸡粪中含有大量的碳水化合物和蛋白质,是VFAs合成的重要底物,具有相当的产酸潜能。然而,以鸡粪为原料,通过厌氧发酵技术合成VFAs的相关报道较少。

因此,该研究,以鸡粪为厌氧消化产酸原料,在高温条件下(60℃),通过单因子批式实验,研究发酵时间、原料TS和起始pH值对于鸡粪发酵产酸总量和种类分布的影响(主要是C2-C5的短链脂肪酸),探讨鸡粪发酵产酸的可行性,为其扩大化应用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用鸡粪取自上海某蛋鸡养殖场,于-20℃下冷藏待用。理化性质包括:TS=20%±2%湿基,VS=67%±3%干基。C,N和O元素分别占VS质量的30.45%±1.75%、5.86±1.21和4.24±0.21。接种污泥取自上海某工厂颗粒污泥,MLSS=54 g/L,MLVSS=38.75 g/L。

1.2 试验设备

实验采用120 m L血清瓶为反应器,以预留导气管的橡胶塞封口。导气管与250 m L集气袋相连,收集产生的生物气,通过恒温水浴锅控制反应到所需温度。实验以批式实验为主,整个过程不进行搅拌。

1.3 实验方法

1.3.1 发酵时间对产酸的影响

按照湿基比,鸡粪∶水∶污泥=2∶1∶1,将物料混合,取混合之后的物料分别装与120 m L血清瓶中,每个血清瓶进料总量为80 g。填料后N2吹脱1 min后封口。反应在60℃下进行。设计的发酵时间为0.50天、0.75天、1.00天、1.50天、1.67天、1.83天、2.00天、3.00天和4.00天,以发酵时间等于0天为对照组。

1.3.2 原料TS对产酸的影响

根据鸡粪原料的TS,添加自来水调制TS=2%,5%,7%,10%和15%的混合液装于血清瓶中。每个血清瓶接种20 g污泥,使总进料量为80 g。填料后N2吹脱1 min后封口。在60℃下反应。反应时间选用1.3.1实验确立的结果。

1.3.3 起始pH值对产酸的影响

物料配比与添加同1.3.1。用HCl(2 mol/L)调节各反应器pH为4.5,5.0,5.5和6.0。以pH不调为对照组。填料后N2吹脱1 min后封口。反应在60℃下进行。反应时间选用1.3.1实验确立的结果。

1.4 分析方法

根据实验设计的发酵时间定时取样。样品经4 000r/min离心15 min后,取其上层清液过0.45μm滤膜,测量液相TOC,TN,VFAs和NH4+-N的含量。

TS,VS,NH4+-N和SP采用标准方法测得[8]。pH值采用620型pH计(上海英格仪器有限公司)测定,VFAs采用N6890型气相色谱仪测定(FID检测器)(Agilent,USA),TOC,TN采用TOC-VCPN测定仪(Shimadu,Japan)测定,元素分析采用Vario EL III型有机元素测定仪。

2 结果与讨论

2.1 发酵时间对产酸的影响

表1为发酵时间对产酸效果的影响。从表1中看出,随反应时间的增加,液相VFAs浓度变化明显。由最初的1 300 mg/L(0天)增长到24 000 mg/L(1.83天)。随后,在2天多的发酵时间里VFAs含量出现一定的波动,并于第四天重新回到23 000 mg/L左右。在产酸的分布上面,乙酸含量占总VFAs含量的68.9%～78.4%,最高浓度出现在1.83天,成为VFAs中含量最多的酸,研究结果与其他报道相符合[5]。丙酸和正丁酸的含量相对于乙酸较少,分列总VFAs含量的2,3位。丙酸浓度的最大值出现在第1.83天,可能来源于乳酸的降解。正丁酸浓度变化相对缓慢,于实验的第四天出现最大值,使得其含量略微高于丙酸含量。异丁酸、正戊酸和异戊酸(其他部分)的含量在整个发酵过程中相对较少,仅占总VFAs含量的0.5%～5.0%,含量在反应的4天时间里逐渐积累升高。

整个实验反应期间,pH值在7.55～6.74范围内变化,1.67天后基本稳定在6.9左右,pH基本维持在产甲烷范围内。产酸与产甲烷的动态平衡可能是造成实验后期VFAs含量变化的主要原因。实验第1.83天时,液相TOC的浓度为10 782 mg/L,酸化效率(表示为VFA-C/TOC,%)达到93%,为各种反应时间中最高(其余未列出)。因此,认为RT=1.83天为较合适的发酵产酸反应时间。

2.2 TS对发酵产酸的影响

图1为不同含固率原料在1.83天发酵时间里产物液相VFAs含量。物料TS含量对厌氧发酵产物中VFAs含量的影响较大(见图1),最大液相VFAs浓度出现在10%TS情况下,发酵产物液相VFAs浓度为8 600 mg/L左右,其余实验条件下液相VFAs浓度都有不同程度的减小,可能的原因是底物不足(2%,5%和7%的情况)和料液过于黏稠阻碍了水解产物向微生物体内的扩散从而抑制了产酸活动(15%的情况)。在10%TS情况下,物料的产酸率达到1.77 g-VFA(以乙酸计)/g VS added,同样高于其他含固率的情况。

在不同的TS条件下,乙酸都是产量最多的1种酸,占总VFAs的60%以上。其余为丙酸和正丁酸,说明实验范围内初始物料TS含量对产酸分布影响较小。一般认为,p H是影响发酵产酸分布的主要因素[6]。虽然不同进料TS对于反应pH值有影响,但是影响较小,整个发酵过程结束时pH在6.59～6.97范围内,反应产物最低p H值出现在15%TS的情况下。各实验情况反应过程中p H变化差距不大,使得各种TS情况下产酸酸的种类分布几乎一致。

2.3 初始pH值对发酵产酸的影响

pH对厌氧消化产酸的影响较大,许多报道详细的研究了pH对于厌氧发酵产酸的影响[6,7]。图2为各种设定p H情况下反应前后(发酵时间为1.83天)p H的变化情况。从图2中看出,通过设定起始pH值的不同对于发酵结束时的p H影响较为明显。其中,pH=4.5反应结束后p H值有一定程度的升高;pH=5.0,5.5和6.0的情况下p H变化不大。最大下降幅度出现在空白组,即初始p H不调的情况下(约为6.7)。

表2描述了不同初始pH值条件下VFAs含量和组成情况。从表2中看出,VFAs在酸性情况下的产量普遍多于中性环境(pH=6.7)条件。其中,在起始pH=5.5时,发酵后液相产物VFAs含量最多,达到18 579 mg/L,明显高于pH不调的情况,产酸率为3.47 g-VFA/g VS added。在pH=5.0和pH=6.0时,反应后VFAs的含量比较接近。在pH=4.5下,生成的VFAs量比其他3种调节pH情况下产生量略少。在所生成的VFAs中,乙酸的含量最多,占总VFA的50%以上,其次为丙酸、异戊酸和正丁酸,VFAs的组成并没有明显不同。可以看出p H在4.5～6.0范围内,产酸菌活性要高于pH=6.7的情况,并且pH=4.5并未对产酸活动造成抑制,说明产酸菌的pH适应范围较广。

单位为毫克/升

3 结语

以鸡粪为厌氧发酵原料,在高温条件下通过单因子批次实验,探讨鸡粪厌氧发酵产酸的可行性。特别是,研究了发酵时间、物料TS含量和初始pH值对其产酸效果的影响,以期为鸡粪的稳定化处理和资源化利用提供新思路。

鸡粪在厌氧发酵过程中产生大量的VFAs,其中,发酵产物VFAs浓度的最大值在发酵时间为1.83天,TS=10%和初始pH=5.5的情况下得到。在所有实验设计的条件下,生成的VFAs中乙酸的含量最多,一般占总VFAs的50%以上,其次为丙酸和正丁酸。异丁酸和正戊酸的含量在整个发酵过程中一直处于较低水平。在各实验条件下生成VFAs的组成并没有明显的不同。鸡粪的高温厌氧发酵产酸,不仅能对鸡粪进行了稳定化处理。同时,如果对生成的大量VFAs加以利用,会起到显著的经济效益。

参考文献

[1]中华人民共和国环境保护部,中华人民共和国国家统计局,中华人民共和国农业部.第一次全国污染源普查公报[EB/OL].[2010-02-10].http://www.gov.cn/jrzg/2010-02/10/con-tent_1532174.htm.

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[5]E R Coats,M Gregg,R L Crawford.Effect of organic loa-ding and retention time on dairy manure fermentation[J].Biore-source Technology,2011,102(3):2572-2577.

[6]张波,史红钻,张丽丽,等.pH对厨余废物两相厌氧消化中水解和酸化过程的影响[J].环境科学学报,2005,25(5):665-669.

[7]Wu H Y,Gao J Y,Yang D H,et al.Alkaline fermentation of primary sludge for shortchain fatty acids accumu-lation and mechanism[J].Chemical Engineering Journal,2010,160(1):1-7.

耐高温厌氧胶研究 篇3

农业废弃物引发的环境问题日益严重,有效地处理农业废弃物已成为当务之急。实际上,农业废弃物也是物质和能量的载体,是一种特殊形态的农业资源,具有巨大的开发潜力。

厌氧发酵产沼气是农业废弃物资源化利用技术的一个重要方向,本应在解决农业废弃物环境污染问题上发挥重要的作用,但由于湿法厌氧发酵技术在处理农业固体废弃物时,存在消耗大量清洁水、发酵后的产物浓度低、脱水处理相对困难、发酵产物难以有效利用等问题,制约了该项技术的广泛推广和使用。干法厌氧发酵技术的成熟和发展为我国农业废弃物发酵的处理与资源化利用带来了新的希望,其原料浓度一般在17%以上,培养基呈固态,虽然含水丰富,但没有或有少量自由流动水,是固体有机物的理想处理方法[3,4,5]。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

试验所用厌氧发酵装置是自制的栓塞流卧式厌氧发酵系统。由卧式发酵罐、搅拌装置、强制加料装置、换热装置、测温装置、控温与保温装置、沼气收集装置构成。

1.2 试验原料及其预处理

试验所用发酵原料主要为昆明某绿色食品有限公司收集的废弃娃娃菜,通过鸡粪调节发酵物料的C/N比,用农村沼气池的沼渣底泥作为接种物,其组成为:废弃娃娃菜1 100 kg;鸡粪100 kg;沼渣底泥200 kg。

将收集来的废弃娃娃菜用破碎机进行破碎预处理,使其粒径≤30 mm,然后将其与鸡粪、沼渣底泥混合均匀后,自然堆沤3 d。

1.3 试验设计

试验自2009年9月11日接种开始至2009年10月24日结束,试验运行了45 d,其中自然堆沤时间为3 d,有效发酵过程为42 d,运行过程良好,温度运行正常。

试验的接种量(指接种污泥占全部反应物料的比率)为15%,采用一次进料(经过预处理);发酵温度为55±3℃,发酵液总固体含量为20%,发酵原料粒度为≤30 mm;每天搅拌1次,时间为1 h,搅拌转速为2 r/min。试验每天取1次液样和气样,进行各项参数测试。

1.4 测定项目与方法

总固体浓度(TS),真空干燥箱中105℃下烘4~6 h;VS测定;马弗炉中600℃下烘3~4 h;氨态氮,凯式定氮仪(KDN-04C)测定;p H值与氧化还原电位(ORP),通过便携式数值p H计(PHT-P)测定;产气量,采用排水法测定;气体成分,便携式沼气成分分析仪(Gasboard-3200),在沼气分析仪前端,接一个预处理装置进行脱水以及脱硫。

2 结果与讨论

厌氧发酵是一个连续的过程,其关键参数如发酵温度、p H值、ORP、产气量等随时间不断变化。在试验过程中,每天分别从3个取样口取样进行检测,以此判定厌氧发酵过程的变化与进度。

2.1 发酵过程p H值的变化

厌氧发酵的适合p H值为6.8~7.4,6.4以下或7.6以上都对产气有抑止作用,p H值在5.5以下,产甲烷菌的活动则完全受到抑制[6]。在发酵系统中,如果水解阶段与产酸阶段的反应速度超过产甲烷阶段,则p H值会降低,影响甲烷菌的生活环境,在启动过程中,原料浓度较高时常有这种现象发生,即酸中毒,这往往是造成发酵启动失败的原因。

图1为厌氧发酵过程中p H值的变化图。由图1可看出,p H值在发酵过程中的规律比较明显,变化幅度在6.2~8.2之间。这表明反应系统的碱度对挥发性酸积累有足够的缓冲能力,没有造成系统的酸化。发酵开始后p H值逐渐下降,当反应进行了18 d左右,p H值开始缓慢回升并稳定,保持到试验结束。

厌氧发酵包括产酸阶段和产甲烷阶段,在反应的前18 d是产酸阶段,p H值降低,最低时达到6.3左右。随后,产甲烷菌利用这些有机酸、醇、二氧化碳形成甲烷和二氧化碳为主的混合气体——沼气。有机酸被利用了,p H值逐渐升高,这也为甲烷菌的生长创造了一个有利的环境。

试验表明,发酵罐内p H值有一个相似的变化过程,变化的速度与发酵温度等各种因素有关,发酵速度快,变化过程的时间短;发酵速度越慢,变化的时间越长。接种物浓度对p H值的有一定影响,系统的碱度对挥发性酸的积累有足够的缓冲。

2.2 发酵过程ORP的变化

厌氧发酵时起主导作用的细菌是厌氧细菌,其中包括各种分解细菌和产甲烷菌。严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的先决条件,常用氧化还原电位来表示。一般高温厌氧发酵适宜的氧化还原电位平均值为-560~-600 m V,中温厌氧发酵为-300~-350 m V[7]。

不同的厌氧发酵系统要求的氧化还原电位值不尽相同、同一系统中,不同菌群要求的氧化还原电位也不尽相同。在本次试验中,由于发酵装置的进料口以及轴端位置密封不够严密,氧化还原电位在-310~-450 m V之间,距高温厌氧发酵的理想氧化还原电位有一定的差距,但较中温厌氧发酵的理想氧化还原电位状态更好,为甲烷菌适宜的氧化还原电位。

厌氧发酵过程中,氧化还原电位相差不大,也是发酵过程稳定性的一个重要表现。

2.3 发酵过程沼气产气率及压差的变化

厌氧发酵的产气量和接种物的配比有很大关系。合适的配比能调节微生物量和生物厌氧发酵的营养源,接种量过大或者过小都对产气量有明显影响[8]。本次试验中,从发酵开始第5 d开始用排水法检测产气速率及发酵罐与大气之间的压差。结果如图2、图3所示。

由图2、图3可见,在发酵的前10 d出现一个产气小高峰,这是由于前期产酸作用占据优势,在开始发酵较短的时间内,便开始大量产气。在25 d的时候,产气速率最大,然后缓慢下降,逐渐趋于平缓。发酵罐中沼气与大气之间的压差同样是在发酵第25 d的时候最大,然后缓慢下降,渐渐趋于平衡。

由此可见,产气速率越大,发酵罐中沼气与大气之间的压差也越大,随着发酵过程的继续进行,物料由产酸阶段向产甲烷阶段转化,产气速率以及沼气与大气之间的压差都是先出现一个小高峰值,然后达到最大值;当发酵过程进入到产甲烷后期,产气速率及压差则越来越小,最后趋于平衡。

2.4 发酵过程沼气成分的变化

沼气的成分比较复杂,其中最主要的成分是甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)。其中甲烷60%~70%,二氧化碳30%~40%,此外还含有少量的硫化氢(H2S)气体、氧气(O2)等,总量不超过5%。由此可见,甲烷的性质决定了沼气的性质。

CH4的含量随时间的变化见图4。由图4可见,进料后的25 d内,甲烷含量从0升到73.1%,这说明发酵前期主要是产酸作用占优势。第25 d以后,甲烷含量稳定了一段时间后开始慢慢下滑,表明发酵反应开始慢慢进入结束期,产甲烷菌开始衰竭。李冬[9]等通过第2次接种污泥使甲烷含量达到62%以上,证明了再接种可能提高产甲烷菌数量进而提高甲烷产量。

厌氧发酵包括产酸阶段和产甲烷阶段,在反应的前18 d是产酸阶段,在产酸微生物的作用下,单糖、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等转化为简单的有机酸、醇、二氧化碳、氢气、硫化氢等,因此二氧化碳与硫化氢的含量较高。且产酸阶段也是好氧的过程,发酵装置中的氧气也在产酸阶段逐渐减少,慢慢形成产甲烷菌所需要的厌氧环境。

随后,进入产甲烷阶段,产甲烷菌利用这些有机酸、醇、二氧化碳形成甲烷和二氧化碳为主的混合气体———沼气,二氧化碳的含量开始降低,但降低到一定程度时不再继续降低。甲烷的含量开始持续升高,直到厌氧发酵后期。

从数据显示,在产气量较为集中的时间段,甲烷的含量也较高,沼气的利用价值较大。

3 结论

试验通过将废弃娃娃菜进行简单的预处理后,采用高温干式厌氧发酵的方法对其进行处理。通过对整个发酵过程中各种生化指标、产气量及气体成分进行检测,得出了以下结论:

(1)在厌氧发酵试验过程中,p H值、ORP值都在正常范围内,符合农业废弃物的厌氧发酵特性,可保证系统的顺利运行;

(2)随着消化过程的进行,p H值出现先下降后上升趋势;

(3)ORP值在消化初期迅速下降,在中后期一直维持在-430 m V左右,在高温条件下为产甲烷菌的生长提供良好的环境;

(4)整个发酵过程经历了很长的酸化期,产气量在后期才开始升高,生物气的甲烷品质也显示了较好的潜力,下一步可通过预处理或加大接种量来缩短反应的酸化期。

参考文献

[1]高志坚.玉米秸秆厌氧发酵试验[D].北京:北京化工大学,2004.

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[3]李想,赵立欣,韩捷,等.农业废弃物资源化利用新方向——干法厌氧发酵技术[J].中国沼气,2006,24(4):23-27.

[4]De baere L.Anaerobic digestion of solid waste:State-of-the art[J].Water Science and technology,2000,41(3):283-290

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[8]曹伟华.水葫芦厌氧发酵工艺和现场中试研究[D].上海:同济大学环境科学与工程学院,2005.

耐高温厌氧胶研究 篇4

本文在研究以发酵温度为控制对象的大时滞、时变不确定对象的控制问题基础上,以80C51F410为核心处理器,实际设计一种能够实现对发酵罐的高温厌氧发酵过程的温度监控系统。不仅具有控制方便、灵活和组态简单的优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而可以显著提高高温厌氧发酵的质量。

1 系统工作原理及硬件设计

温控系统以单片机80C51F410为主控制核心,配以温度传感器、驱动电路、电伴热带、液晶显示、键盘输入、报警电路构成,如图1所示。通过键盘输入设定温度,由温度传感器将发酵罐温度数据实时传给单片机,由单片机对信号进行处理判断,如果检测温度偏离设定温度,单片机控制电伴热带启闭实现对发酵罐温度的控制。

1.1 微处理器系统

80C51F410单片机为主控制器件,由Intel公司开发的低功耗、高性能单片机,它除正常工作外还可工作于低功耗的闲置和掉电模式,进一步减少了芯片的功耗,其内有128个RAM单元及4K的ROM,两个16位定时计数器,两个外中断,两个定时计数中断及一个串行中断,并有4个8位并行输入口。

80C51F410还负责按键、液晶以及通信等工作。本系统采用存储芯片24C512,它是电擦除可编程串行存储器,具有体积小、专用I/O口少、价格低廉、电路简单等优点,广泛使用于各种仪表设备中。它支持I2C总线数据传送协议,可编程自定时写周期,有字节写入方式和页写入方式两种,除此之外,24C512具有噪声保护施密特触发输入技术,保证芯片在极强的干扰下数据不丢失[1]。显示采用OCMJ4X8C液晶模块,模块集成中文字库,提供4行8列16×16大小汉字显示,使用串行接口与CPU连接,方便易操作。

1.2 数据采集模块

温度检测模块采用美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器DS18820。DS18820体积小,电压适用范围宽,可以直接读取被测物体的温度值。该温度传感器不仅能像传统的热敏电阻一样直接读出被测温度,而且还可以通过一定的编程实现数字值读数[2]。DS18820通过一个单线接口发送或接收信息,因此在中央微处理器和DS18820之间仅需一条连接线,不需要经过其他转换电路,直接输出被测温度值[3]。测温范围为-55℃～125℃,分辨率为0.0625℃;每个DS18820都有一个独特的片序列号,所以多只DS18820可以同时连接在一根单线总线上。

在硬件上,DS18820与单片机的连接有两种方法:一种是用寄生电源供电,此时VCC与GND接地,I/O接单片机I/O;另一种是VCC接外部电源,GND接地,1/0与单片机的I/O线相连。但是,无论是内部寄生电源,还是外部供电,I/O口线要接5 kΩ左右的上拉电阻。

1.3 驱动控制模块

驱动控制电路模块采用过流触发性交流固态继电器(SSR)以及电伴热带。通过对电压进行通断的方法进行控制,以实现温度控制的目的。对电伴热带通断的控制采用固态继电器,其使用非常简单,只要控制电平,即可实现对继电器的启闭。加热的具体过程是:当发酵罐温度值低于52.6℃时,单片机发出信号,使固态继电器导通,此时电伴热带中有电流通过,从而产生热量,对发酵罐进行加热;当发酵罐温度值超过53.2℃时,单片机发出信号,使固态继电器断开,从而停止加热。

2 系统软件设计

本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法,便于功能扩展,程序可采用C语言进行编程。程序模块主要包括:主程序、PID数据处理、按键处理、温度采样、越限报警等子程序。

2.1 主程序

控制系统主程序的流程图如图2所示。本系统利用定时循环轮流对2个温度进行实时采样,为了能够实现温度的巡回测量,必须有相应的程序来选择温度输入通道。用户可以通过键盘设定温度的上限值和下限值、偏差值、PID控制系数等参数,实现温度数据的处理与反馈。

2.2 数据处理算法

通常,温度控制大多数采用PID控制方案,所谓PID控制,就是按设定值与测量值之间偏差的比例偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。在工业上,PID控制又称偏差控制,这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式,一般都能收到令人满意的效果[4]。

本温控系统采用的数字PID算法由软件实现,增量PID控制算法的优点是编程简单,数据可以递推使用,占用存储空间少,运算快。但是对于温度这种响应缓慢、滞后性大的过程,不能用标准的PID算法进行控制。当扰动较大或者给定的温度值大幅度变化时,由于产生较大的偏差,加上温控本身的惯性及滞后,在积分作用下,系统往往产生较大的超调和长时间的振荡。因此,为克服这种不良的影响,采用积分分离法对增量PID算法进行改进。当偏差e(k)绝对值较大时,暂时取消积分作用;当偏差e (k)绝对值小于某一设定值M时,才将积分作用投入,以下为3个PID参数对控制性能的影响。

2.2.1 比例作用对控制性能的影响

比例增益的引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号,一旦系统出现了偏差,比例调节作用立即产生调节作用,使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例增益较大的时候,PID控制器可以加快调节,但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量,从而降低系统的稳定性,在某些严重的情况下,甚至可能造成系统不稳定[5]。

2.2.2 积分作用对控制性能的影响

积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差,提高系统的无差度,以保证实现对设定值的跟踪,从原理上看,只要控制系统存在动态误差,积分调节就产生作用,直至无差,积分作用就停止,此时积分调节输出为一常数。积分作用的强弱取决于积分时间常数的大小,积分时间越小积分作用越强,反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降,动态响应变慢。

2.2.3 微分作用对控制性能的影响

微分作用的引入,主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分能反映系统偏差的变化律,预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用。微分作用的强弱取决于微分时间的大小,微分时间越大,微分作用越强,反之则越弱。在微分作用合适的情况下,系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。

3 结束语

本研究以80C51F410单片机为核心,设计了生物质高温厌氧发酵温度调节系统,不但实现了现场温度液晶显示和按键控制,还实现了温度的自动调节以及声光报警,通过对PID算法中各控制参数的调整和采用积分分离方法,消除了系统的震荡和超调现象,经过实验验证,该温度控制系统结构简单、稳定性好,测温精确,具有一定实用价值。

摘要：温度是生物质高温厌氧发酵过程中非常重要的参数之一。为此,以80C51 F410单片机为核心,采用DSl8820温度传感器、电伴热带等,设计了生物质高温厌氧发酵过程中的温度控制系统。该系统可实现温度的调节、报警及显示等功能。在实际应用过程中,该系统确实能实现发酵罐温度恒定增温,确保了产生沼气的连续性,提高产气率。

关键词：温度控制,80C51 F410单片机,高温厌氧发酵

参考文献

[1]康惠燕.AT89C52单片机大棚温度控制系统设计[J].科技资讯,2010,(26):98-100.

[2]张伟.基于8051单片机的无线温控系统设[J].中国高新技术企业,2010,(34):8-10.

[3]张建民,杨旭.利用单片机实现温度监测系统[J].微计算机信息,2007,(2):98-100.

[4]赵新民.智能仪器设计基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2009:120-138.