CN112708639A - 一种通过水力停留时间和进料浓度耦合提高秸秆厌氧消化产气效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过水力停留时间和进料浓度耦合提高秸秆厌氧消化产气效率的方法，通过延长HRT和提高进料浓度的耦合方式提高秸秆在CSTR中厌氧消化产气效率的方法。本发明技术方案主要包括三个步骤：(1)如何延长HRT减少物质损失、提高转化率；(2)如何提高进料浓度，提高系统产气能力；(3)如何将两者耦合，以消除二者单独使用带来的弊端，实现高效的物质转化和厌氧消化系统产气能力的提高。该方法可以解决因CSTR的短流导致的秸秆类物料损失大、物质转化率低和难消化的问题，为秸秆厌氧消化工程产气效率提高提供新的方法。

Description

一种通过水力停留时间和进料浓度耦合提高秸秆厌氧消化产 气效率的方法

技术领域

本发明属于有机固体废弃物处理与资源化技术领域，具体涉及一种通过延长水力停留时间(HRT)和提高进料浓度耦合的方式提高秸秆在CSTR中厌氧消化产气效率的方法。

背景技术

通过厌氧消化可以把各种秸秆转化成清洁能源-沼气，其中厌氧消化反应器是最重要的转化装置。厌氧消化反应器有多种，如全混合厌氧反应器CSTR(Continuously-stirred tank reactor)、升流式厌氧污泥床UASB(Up-flow anaerobic sludge bed)、序批式厌氧反应器ASBR(Anaerobic sequencing batch reactor)等。对于高含固有机废物来说，CSTR使用最为广泛。但是，CSTR存在“短流”问题，即CSTR中每天进料和出料时，由于物料的全混合状态，导致每天投入的原料第二天可能会随着出料而离开反应器，导致物料损失大、转化效率低、产气效率不高。并且这一弊端在木质纤维素类原料高浓度厌氧消化中表现得更为明显。

用于厌氧消化的常用原料主要有秸秆类原料、畜禽粪便、餐厨垃圾和果蔬垃圾等。和畜禽粪便、餐厨垃圾和果蔬垃圾相比，秸秆类原料因其特殊的木质纤维素结构导致其与畜禽粪便等原料的理化特性完全不同，主要表现在木质纤维素含量高、不易生物降解、易漂浮和传热传质效果差等方面。因此，适用于易降解、流动性较好的畜禽粪便等原料的提高厌氧消化效率的方法，不能适用于秸秆类原料。

江志坚以果蔬与餐厨垃圾混合为原料，将系统有机负荷从30gTS·L^-1提高到60gTS·L^-1，获得了较好的厌氧消化效率(江志坚.果蔬与餐厨垃圾混合两相厌氧消化性能的试验研究[D].北京化工大学,2013.)。但是由于果蔬餐厨垃圾与秸秆类原料的理化特性差异大，无法适用于秸秆原料。中国专利CN106929538利用沼液回流和改变有机负荷的方法来改善秸秆的厌氧发酵，在有机负荷为4.0g·(L·d)^-1时，厌氧消化效果最佳时平均甲烷产率为192mL·g^-1，但当有机负荷继续升高时，甲烷产率下降了30.8％以上，这说明仅仅通过提高系统的进料浓度无法提升秸秆类原料厌氧消化的产甲烷量。

因此，针对以上问题并结合秸秆类原料的特殊理化特性，本发明提出了一种通过延长HRT和提高进料浓度耦合的方式提高秸秆在CSTR中厌氧消化产气效率的方法，该方法不需要引入其它任何手段(如添加微量元素、提高消化温度等)，仅通过优化两种系统参数，即：通过延长HRT，让物料在反应器内停留更长的时间，从而让物料能够充分地被厌氧消化转化，并减少物料的损失；同时，通过提高进料浓度，保证系统的生产能力不会因延长HRT而降低；通过两者的耦合，实现秸秆的高效能源化转化。

发明内容

本发明的目的在于针对秸秆类物料特殊的理化特性，提供一种通过延长HRT和提高进料浓度的耦合方式提高秸秆在CSTR中厌氧消化产气效率的方法。该方法可以解决因CSTR的短流导致的秸秆类物料损失大、物质转化率低和难消化的问题，为秸秆厌氧消化工程产气效率提高提供新的方法。

本发明技术方案主要包括三个步骤：(1)如何延长HRT减少物质损失、提高转化率；(2)如何提高进料浓度，提高系统产气能力；(3)如何将两者耦合，以消除二者单独使用带来的弊端，实现高效的物质转化和厌氧消化系统产气能力的提高。

具体发明内容如下：

本发明主要是针对秸秆类原料，实施例以稻草为例，但不仅限于稻草，还可以是玉米秸秆、麦秸、油菜秆等其它秸秆类原料。

1)延长HRT的方法

在CSTR中的初始HRT设定为40天，将秸秆原料投入到CSTR厌氧反应器中，每天的加料量按计算按公式(1)计算得出；同一个HRT范围内每天的加料量相等，至少经过一个HRT后，当CSTR系统的日产气量、pH、VFA、氨氮和碱度指标趋于稳定时，开始延长HRT到50天；

系统稳定的判断标准为：在5天以内，CSTR系统每天的日产气量变化幅度在20％之间、pH在6.8-7.8之间、VFA小于1000mg·L^-1、氨氮小于1500mg·L^-1和碱度大于4000mg·L^-1时视为系统稳定，必须5项指标都在正常范围内变化时才满足要求，方可延长HRT至50天；

延长HRT是由调整每日进料量来实现的，同样根据公式(1)进行计算，在有效容积和进料浓度固定不变的条件下，延长了HRT也就是公式(1)的分母增大了，随之每日的进料量就相应地减少了；

2)提高进料浓度的方法

首先在反应器有效容积和HRT不变的条件下，初始进料浓度设定为60gTS·L^-1，HRT为50d，加入一定质量的秸秆，CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天测定一次单位TS、VS和各项系统稳定性指标如pH、氨氮、碱度、VFA；经过一个HRT后，5天以内CSTR系统的日产气量变化不超过20％，pH在6.8-7.8范围内、VFA浓度小于1000mg·L^-1、氨氮浓度小于1500mg·L^-1和碱度大于4000mg·L^-1，都在正常范围内变化时，开始从60gTS·L^-1逐步提高至80、100、120和140gTS·L^-1，每提高到一个新的浓度时均需要监测系统稳定性指标是否在正常范围，当系统稳定后方可再提高至下一个浓度，同一个浓度条件下每日的加料量相同；

秸秆的投加量根据公式(2)计算：

3)将延长HRT与提高进料浓度耦合

在CSTR反应器中，将HRT从50天延长至60天；然后在CSTR有效容积不变的条件下，将进料浓度从140gTS·L^-1提高至160gTS·L^-1，每日进料量为有效体积乘以进料浓度再除以HRT，即按公式(2)进行计算；在系统稳定的条件下，HRT的延长按照每次延长10天进行，进料浓度的提高按照每次提高20gTS·L^-1进行；

终止系统继续延长HRT和提高进料浓度的标准为系统稳定性变差，pH值低于6.9时不再继续延长HRT和提高进料浓度；CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天测定一次单位TS、VS和各项系统稳定性指标如pH、氨氮、碱度、VFA；稳定时测定单位TS、VS产气率、产甲烷率和系统容积产气率；并在此过程中密切监测日产气量和系统稳定性指标。

1、延长HRT的方法

由于不同的秸秆类原料所需的厌氧消化时间不同，首先通过批式厌氧消化试验确定厌氧消化的HRT时间，以厌氧消化总时间的80％即T₈₀计，在此基础上延长HRT至已确定的HRT的125％作为延长后的HRT；其次，将秸秆原料投入到CSTR厌氧反应器中。

在保持CSTR反应器的有效容积不变的条件下，根据批式实验已确定的HRT范围投放原料，一般情况下，秸秆类原料在CSTR中的初始HRT可以设定为40天，即根据上述批式厌氧消化时间的T₈₀计，每天的加料量按计算按公式(1)计算得出。同一个HRT范围内每天的加料量相等，至少经过一个HRT后，当CSTR系统的日产气量、pH、VFA、氨氮和碱度指标趋于稳定时，开始延长HRT到50天。系统稳定的判断标准为：在一段时间内至少5-7天，CSTR系统每天的日产气量变化幅度在5％之间、pH在6.8-7.8之间、VFA小于1000mg·L^-1、氨氮小于1500mg·L^-1和碱度大于4000mg·L^-1时视为系统稳定，其中有一项指标不符合要求不能视为系统完全稳定，必须5项指标都在正常范围内变化时才满足要求，方可延长HRT。延长HRT是由调整每日进料量来实现的，同样根据公式(1)进行计算，在有效容积和进料浓度固定不变的条件下，延长了HRT也就是公式(1)的分母增大了，随之每日的进料量就相应地减少了。HRT延长的最大值根据实际工程生产需要，一般定为容积产气率下降范围不超过初始HRT条件下容积产气率的10％。CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天测定一次单位TS、VS和各项系统稳定性指标如pH、氨氮、碱度、VFA。稳定时测定单位TS、VS产气率、产甲烷率和系统容积产气率。

2、提高进料浓度的方法

首先在反应器有效容积和HRT不变的条件下，初始进料浓度设定为60gTS·L^-1，HRT为50d，加入一定质量的秸秆，CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天测定一次单位TS、VS和各项系统稳定性指标如pH、氨氮、碱度、VFA。经过一个HRT后，如果一段时间内CSTR系统的日产气量变化不超过5％，系统稳定性指标pH在6.8-7.8范围内、VFA浓度小于1000mg·L^-1、氨氮浓度小于1500mg·L^-1和碱度大于4000mg·L^-1，都在正常范围内变化时，开始从60gTS·L^-1逐步提高至80、100、120和140gTS·L^-1，即逐步提高每个HRT周期内秸秆的投加量至初始加料量的133.3％-233.3％，相对应的进料浓度为80-140gTS·L^-1。提高进料浓度时不宜过快，较低浓度时可以提快点即可以直接从60gTS·L^-1提升至100gTS·L^-1。每提高到一个新的浓度时均需要监测系统稳定性指标是否在正常范围，当系统稳定后方可再提高至下一个浓度，同一个浓度条件下每日的加料量相同。提高进料浓度的终止标准为单位TS或VS产气率降低范围不超过初始浓度条件下单位TS或VS产气率的20％。整个提高进料浓度的全过程中，都要密切关注系统稳定性指标的变化，稳定时测定单位TS、VS产气率、产甲烷率和系统容积产气率。高浓度时需要慢慢地提高浓度。秸秆的投加量根据公式(2)计算：

3、将延长HRT与提高进料浓度耦合，提高系统的物质转化率和产气能力。

将步骤(1)和(2)同时进行，即在延长HRT同时提高进料浓度，把两者耦合起来。在CSTR反应器中，根据步骤1的方法设定HRT，并将HRT从50天延长至60天。然后根据步骤2的方法在CSTR有效容积不变的条件下，将进料浓度从140gTS·L^-1提高至160gTS·L^-1，即从60gTS·L^-1提高到初始设定值的233.3％-266.7％，每日进料量为有效体积乘以进料浓度再除以HRT，即按公式(2)进行计算。这里是从60gTS·L^-1还是从更高浓度如140gTS·L^-1开始提高，可以根据不同原料在系统中的稳定性情况来确定，比如易水解酸化的原料要从较低浓度开始，不易酸化的秸秆类原料可以从较高浓度开始。终止系统继续延长HRT和提高进料浓度的标准为系统稳定性变差，pH值低于6.9时不再继续延长HRT和提高进料浓度。CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天测定一次单位TS、VS和各项系统稳定性指标如pH、氨氮、碱度、VFA。稳定时测定单位TS、VS产气率、产甲烷率和系统容积产气率。并在此过程中密切监测日产气量和系统稳定性指标，如果这些指标均在正常范围内变化，便可实现HRT与进料浓度耦合。

具体实施步骤如下：

首先将风干的秸秆粉碎至20目后，加入接种物进行批式厌氧消化试验，待厌氧消化产气结束后按总产气量的80％即T₈₀设定HRT。在一个有效容积为20L的CSTR反应器中实现延长HRT和提高进料浓度从而实现提高厌氧消化产气效率的目标。(1)根据设定的HRT为40d来设定CSRT厌氧消化系统的HRT，CSTR系统的HRT设定依据为假定HRT的125％，即HRT从40d增加到50d。HRT延长的最大值根据实际工程生产需要，一般定为容积产气率下降范围不超过初始HRT条件下容积产气率的10％。(2)在反应器有效容积和HRT不变的条件下，设定初始进料浓度为60gTS·L^-1，然后逐步提升秸秆的添加量至初始加料量的133.3％-233.3％，即从60gTS·L^-1提高到80-140gTS·L^-1。提高进料浓度的终止标准为单位TS或VS产气率降低范围不超过初始浓度条件下单位TS或VS产气率的20％。(3)将延长HRT与提高进料浓度耦合。在CSTR反应器有效容积不变的条件下，在系统稳定时将HRT由初始的T₈₀从50d延长到60d，进料浓度由233.3％增加至266.7％即从140gTS·L^-1增加至160gTS·L^-1，加料量为有效体积乘以进料浓度再除以HRT，即按公式(2)进行计算，通过调节每日进料量可实现HRT与进料浓度耦合。终止系统继续延长HRT和提高进料浓度的标准为系统稳定性变差，pH值低于6.9时不再继续延长HRT和提高进料浓度。在CSTR厌氧消化过程中，每天记录产气体积，测定沼气中各组分含量。每隔5天测定一次出料的相关性质，包括TS、VS、pH、氨氮、碱度、VFAs，以保证系统运行的稳定性。当CSTR系统各项指标都在正常范围内变化时，方可进一步改变HRT和提高进料浓度。系统稳定的判断标准为：当CSTR系统每天的日产气量变化幅度在5％之间、pH在6.8-7.8之间、VFA小于1000mg·L^-1、氨氮小于1500mg·L^-1和碱度大于4000mg·L^-1时视为系统稳定，其中有一项指标不符合要求不能视为系统稳定，必须5项指标同时满足要求方可延长HRT和提高加料浓度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、甲烷含量明显提高：在进料浓度160gTS·L^-1和HRT60d时，本方法中厌氧消化系统所得沼气中甲烷含量可达54.75％，进料浓度为60gTS·L^-1时甲烷含量为46.18％-49.99％，提高了9.7％-18.6％；传统厌氧消化秸秆沼气中甲烷含量为49.58％-51.67％，比传统厌氧消化的甲烷含量提高了6.0％-10.6％，在本领域序批式厌氧消化状态下，已是非常显著的提升效果了。

2、物质转化率明显提高：采用延长水力停留时间同时提高进料浓度两条件耦合，能够有效解决CSTR的物料损失问题。采用本方法单位VS去除率为59.8％-66.7％，比进料浓度为60gTS·L^-1时提高了0.6％-12.3％，在CSTR厌氧消化中已是非常显著的效果了。

3、甲烷产率明显提高：系统中秸秆单位TS和VS产甲烷量明显提高，进料浓度为160g TS·L^-1的系统比进料浓度为140gTS·L^-1的系统单位TS和VS产甲烷量提高了18.3％和14.4％，容积产气率和产甲烷率提升了8.0％和11.8％，这就意味着多投加1吨干秸秆(TS)可以多产24.4m³的甲烷，系统生产效益明显提高，获得显著的经济效益。与仅延长HRT的情况即进料浓度60gTS·L^-1时HRT40d-50d相比，容积产气率和产甲烷率提升了70.9％-75.6％和101.0％-107.1％。与仅提升进料浓度即进料浓度60-140gTS·L^-1时HRT50d相比，容积产气率和产甲烷率提升了8.0％-75.6％和11.6％-107.1％。在中国专利CN106929538公开的方法中，OLR为4.0g·(L·d)^-1时，厌氧消化效果最佳时平均甲烷产率为192mL·g^-1，但当有机负荷继续升高时，甲烷产率下降了30.8％以上，并且在沼液回流时有机负荷为4.0g·(L·d)^-1的产甲烷量只达到152mL·g^-1。采用本方法可比CN106929538的方法单位TS产甲烷量提高了12.9％-42.6％。

4、本方法没有任何外加其他任何方法，仅通过优化HRT和进料浓度两个参数的耦合，就达到大幅提升秸秆厌氧消化系统的能源转化效率，这在本领域已是非常显著的成果。

附图说明

图1批式厌氧消化稻草累积产气量

图2不同HRT条件下每日产气量变化

图3不同HRT条件下日产气率变化

图4不同HRT条件下系统的氨氮、碱度和VFA变化

图5不同HRT条件下系统的pH变化

图6不同浓度条件下系统的日产气量变化情况

图7不同浓度条件下系统的日产气率变化情况

图8不同浓度条件下系统的pH变化

图9不同浓度条件下系统稳定性指标变化

图10延长HRT和提高进料浓度耦合CSTR系统稳定性指标

(a)pH变化(b)VFA和氨氮变化

图11稳定阶段进料浓度140和160gTS·L^-1下厌氧消化甲烷含量

具体实施方式

本发明主要是针对秸秆类原料，实施例以稻草为例，但不仅限于稻草，还可以是玉米秸秆等其它原料。

1、将风干的秸秆粉碎至20目。批式厌氧消化反应器的工作体积为0.8L，按照进料浓度为60gTS·L^-1计算反应器中应添加稻草的质量，将稻草与接种物混合，加入反应器中，反应温度为35℃，每日记录日产气量并测定气体成分。直到系统不再产气，即视为反应结束。

按总产气量的80％即T₈₀设定HRT(如图1)，稻草厌氧消化的HRT为40d。

根据批式厌氧消化试验设定的HRT设定CSTR厌氧消化系统的HRT(已设定40d)，CSTR系统的HRT设定依据为假定HRT的125％-150％，进行序批式厌氧消化。

装置为25LCSTR反应器(有效体积为20L)；原料为粉碎至20目的稻草。接种物是沼气站猪粪厌氧消化后的沼渣沼液出料。

首先按照HRT为40d、进料浓度为60gTS·L^-1称取相应质量的稻草，根据公式(1)可知，在HRT＝40d时，将30gTS即每日进料量＝(20L×60gTS·L^-1)/40d的稻草加入500g自来水中，混合均匀后加入CSTR反应器，并使反应器排出相应体积的物料，每日在固定时间重复此操作，并记录日产气量测定气体成分，稳定运行一个水力停留时间即40d。每隔5天测定一次出料的相关性质，包括pH、氨氮、碱度、VFAs，以保证系统运行的稳定性。接着按照HRT为50d、进料浓度为60gTS·L^-1称取相应质量的稻草，在HRT＝50d时，每日进料量为400mL。称取24gTS稻草加入400g自来水中，混合均匀后操作同上，稳定运行一个水力停留时间即50d。日产气量及系统稳定性指标如图2-图5所示，表1为系统在60gTS·L^-1进料浓度下HRT为40-50d的厌氧消化性能。

表1相同进料浓度(60gTS·L^-1)下不同HRT条件下系统厌氧消化性能

由上述图表可知：单位TS和VS产气量和产甲烷量随着HRT的延长分别从349.8mL·g^-1TS·d^-1升高至370.8mL·g^-1TS·d^-1、194.5mL·g^-1TS·d^-1升高到216.7mL·g^-1TS·d^-1和380.4mL·g^-1VS·d^-1升到423.9mL·g^-1VS·d^-1、172.4mL·g^-1VS·d^-1升高至192.1mL·g^{- 1}VS·d^-1，但其容积产气率有所下降。HRT从40天延长至50天时，HRT50时的容积产气率比HRT40下降了2.7％。

2、在反应器有效容积和HRT不变的条件下，设定初始进料浓度为60gTS·L^-1，然后逐步提升秸秆的添加量至初始加料量的133.3％-233.3％即从60gTS·L^-1提高到80-140gTS·L^-1。

装置为25LCSTR反应器(有效体积为20L)；原料是粉碎至20目的稻草。接种物是沼气站猪粪厌氧消化后的沼渣沼液出料。

首先按照进料浓度为60gTS·L^-1称取相应质量的稻草，根据公式(2)计算稻草添加量为30gTS，配制预处理溶液，KOH为稻草原料TS的0.04倍，水的质量为稻草原料干重的6倍。将原料加入配好的溶液中，完全混合后在35℃的恒温培养箱中放置3天。向经预处理之后的秸秆中加入一定量的自来水调至60gTS·L^-1，混合均匀后加入CSTR反应器，同时使反应器排出400mL的物料，此处预处理方法不做限定，添加的自来水可根据预处理时使用的水量进行调整，保证反应器出料体积为400mL即可。每日在固定时间重复此操作，并记录日产气量测定气体成分，稳定运行一个水力停留时间即50d。每隔5天测定一次出料的相关性质，包括pH、氨氮、碱度、VFAs，以保证系统运行的稳定性。

接着将进料浓度提升至80gTS·L^-1，即按照进料浓度为80gTS·L^-1称取40gTS质量的稻草并进行预处理，与174g自来水混合后操作同上，稳定运行一个水力停留时间即50d后，继续将进料浓度依次提升至100、120和140gTS·L^-1，即分别称取50、60和70gTS稻草，将稻草预处理之后分别添加5-118g自来水。图6-图9为不同浓度条件下系统的日产气量和系统稳定性指标变化，表2为系统在不同进料浓度下水力停留时间50d的厌氧消化性能。

表2 HRT不变时(50天)不同进料浓度条件下系统厌氧消化性能

从图6-9和表2中可以看出，甲烷含量、容积产气率和产甲烷率随着进料浓度的升高而升高，与初始进料浓度60gTS·L^-1相比，甲烷含量提升了0.2％-4.1％，容积产气率可提高3.4％-62.9％，容积产甲烷率提高了14.0％-85.6％。但是，随着浓度的增加，单位TS和VS产气率和产甲烷率是降低的进料浓度为140gTS·L^-1时的单位VS产甲烷率比60gTS·L^-1时的下降了19.8％，因此，为了保证CSTR的生产效率，停止提高进料浓度。

3、将延长HRT与提高进料浓度耦合。按公式(2)进行计算，实现HRT与进料浓度耦合。

从第一步和第二步可以看出，延长HRT能够提高单位TS和VS产气率，但每天的总产气量是下降的，提高进料浓度总产气量提高了但单位TS和VS产气率降低了，因此将前两步耦合在一起，实现既提高单位TS和VS产气率也能提高总产气量，从而实现厌氧消化系统的高效转化。

装置为25LCSTR反应器；原料为风干粉碎至20目的稻草。接种物是沼气站猪粪厌氧消化后的沼渣沼液出料。

配制预处理溶液，NaOH为稻草原料TS的0.04倍，水的质量为稻草原料干重的6倍。将原料加入配好的溶液中，完全混合后在35℃的培养箱中放置3天。

向经预处理之后的秸秆中加入一定量的自来水调至140gTS·L^-1，混合均匀后加入CSTR反应器，同时使反应器排出400mL的物料，此处预处理方法不做限定，添加的自来水可根据预处理时使用的水量进行调整，保证反应器出料体积为400mL即可。每日在固定时间重复此操作，并记录日产气量测定气体成分，稳定运行一个水力停留时间即50d。在140gTS·L^-1进料浓度下稳定运行一个HRT后，将预处理的稻草中加入自来水调节至160gTS·L^-1，混合均匀后加入反应器中，同时使反应器排出333mL物料，每日在固定时间重复此操作，并记录日产气量测定气体成分，厌氧消化反应运行一个水力停留时间即60d后结束。运行期间，每隔5天测定一次出料的相关性质，包括pH、氨氮、碱度、VFAs，以保证系统运行的稳定性(图10)。当系统稳定性变差，pH值低于6.9时不再继续延长HRT和提高进料浓度。

稳定阶段140gTS·L^-1和160gTS·L^-1进料浓度下甲烷含量变化趋势如图11。

进料浓度由140gTS·L^-1增加到160gTS·L^-1，甲烷含量由48.3-52.8％提高到50.2-55.6％，平均甲烷含量51.32％提高到54.75％。运行期间最高可以提高7.4％。

表3 140、160gTS·L^-1进料浓度下系统的产甲烷性能

进料浓度为160gTS·L^-1HRT60d时与140gTS·L^-1HRT50d相比，厌氧消化系统的单位TS产气率和单位TS产甲烷率分别提升了10.8％和18.3％，容积产气率和产甲烷率提升了8.0％和11.8％；与仅延长HRT的情况相比，即进料浓度60gTS·L^-1、HRT40d-50d时，容积产气率和产甲烷率提升了70.9％-75.6％和101.0％-107.1％。与仅提升进料浓度相比，即进料浓度60-140gTS·L^-1、HRT50d时，容积产气率和产甲烷率提升了7.81％-75.6％和11.6％-107.1％。

该方法下单位VS去除率为59.8％-66.7％，比进料浓度为60gTS·L^-1HRT50d时提高了0.6％-12.3％，可以看出延长HRT同时提高进料浓度能提高秸秆厌氧消化的转化率。

Claims (1)

1.一种通过水力停留时间和进料浓度耦合提高秸秆厌氧消化产气效率的方法，其特征在于：

1)延长HRT的方法

在CSTR中的初始HRT设定为40天，将秸秆原料投入到CSTR厌氧反应器中，每天的加料量按计算按公式(1)计算得出；同一个HRT范围内每天的加料量相等，至少经过一个HRT后，当CSTR系统的日产气量、pH、VFA、氨氮和碱度指标趋于稳定时，开始延长HRT到50天；

系统稳定的判断标准为：在5天以内，CSTR系统每天的日产气量变化幅度在20％之间、pH在6.8-7.8之间、VFA小于1000mg·L^-1、氨氮小于1500mg·L^-1和碱度大于4000mg·L^-1时视为系统稳定，必须5项指标都在正常范围内变化时才满足要求，方可延长HRT至50天；

延长HRT是由调整每日进料量来实现的，同样根据公式(1)进行计算，在有效容积和进料浓度固定不变的条件下，延长了HRT也就是公式(1)的分母增大了，随之每日的进料量就相应地减少了；

2)提高进料浓度的方法

首先在反应器有效容积和HRT不变的条件下，初始进料浓度设定为60gTS·L^-1，HRT为50d，加入一定质量的秸秆，CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天测定一次单位TS、VS和各项系统稳定性指标如pH、氨氮、碱度、VFA；经过一个HRT后，5天以内CSTR系统的日产气量变化不超过20％，pH在6.8-7.8范围内、VFA浓度小于1000mg·L^-1、氨氮浓度小于1500mg·L^-1和碱度大于4000mg·L^-1，都在正常范围内变化时，开始从60gTS·L^-1逐步提高至80、100、120和140gTS·L^-1，每提高到一个新的浓度时均需要监测系统稳定性指标是否在正常范围，当系统稳定后方可再提高至下一个浓度，同一个浓度条件下每日的加料量相同；

秸秆的投加量根据公式(2)计算：

3)将延长HRT与提高进料浓度耦合

在CSTR反应器中，将HRT从50天延长至60天；然后在CSTR有效容积不变的条件下，将进料浓度从140gTS·L^-1提高至160gTS·L^-1，每日进料量为有效体积乘以进料浓度再除以HRT，即按公式(2)进行计算；在系统稳定的条件下，HRT的延长按照每次延长10天进行，进料浓度的提高按照每次提高20gTS·L^-1进行；

终止系统继续延长HRT和提高进料浓度的标准为系统稳定性变差，pH值低于6.9时不再继续延长HRT和提高进料浓度；CSTR运行期间每天记录日产气量和甲烷含量，每隔5天测定一次单位TS、VS和各项系统稳定性指标如pH、氨氮、碱度、VFA；稳定时测定单位TS、VS产气率、产甲烷率和系统容积产气率；并在此过程中密切监测日产气量和系统稳定性指标。

Images