（环境工程专业论文）利用太阳能的污泥高效厌氧消化技术研究.pdf

竹 - 学位论文数据集 中图分类号 x 7 0 5 学科分类号 6 1o 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 1 3 0 密级 否 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名司传海学号 2 0 0 4 0 0 0 1 3 0 获学位专业名称 环境工程获学位专业代码 0 8 3 0 0 2 主管部门固体废物处理处置 课题来源 研究方向 ( 部委级) 项目与资源化工程 论文题目利用太阳能的污泥高效厌氧消化技术研究 关键词厌氧消化，太阳能，温度，沼气，产气量，污泥 论文答辩日期 2 0 0 7 0 6 0 2论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师李秀金 教授北京化工大学环境工程 评阅人1曹云者副研究员中国环境科学研究院环境管理 评阅人2胡翔副教授北京化工大学环境工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员糊席北斗研究员中国环境科学研究院环境工程 答辩委员1 曹云者副研究员中国环境科学研究院环境管理 答辩委员2 胡翔副教授北京化工大学环境工程 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( ( ；b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 6 8删50 mmim 8iii1洲y 1 、 一 q 一 k r 摘要 利用太阳能的污泥高效厌氧消化技术研究 摘要 温度是厌氧消化中最主要的影响因素之一，是实现高效厌氧消化最重 要的控制条件。然而目前的污泥厌氧消化通常需要大量额外供给能量对厌 氧消化反应器进行加热才能有较好的效果。为了合理利用太阳能而不使用 其他外加能源，使厌氧消化反应器在高效温度段下运行，本文对利用太阳 能的高效厌氧消化技术进行了试验研究。 基于温室和太阳能热水器不同的蓄热性能，本文首先设计了温室和太 阳能热水器组合厌氧消化增温装置。然后研究了太阳能利用系统的控制方 法，并编制了温度控制程序。 利用清水进行模拟厌氧消化温度控制试验，为污泥厌氧消化试验提供 稳定的温度，并优化利用太阳能的厌氧消化系统的控制条件。试验结果表 明：通过合理分配利用太阳能，可使厌氧消化反应器温度在高效段附近运 行，实现在春秋季控制反应器温度在3 2 3 6 。c ，夏季在4 4 5 3 。c 。说明 太阳能系统对太阳能的吸收和分配利用状况较好，为进一步厌氧消化试验 奠定了温度基础。 在清水模拟温度控制试验可行的基础上，进行污泥中温厌氧消化试 验。试验结果表明：当污泥t s 负荷6 0 9 l j 时，产气时间缩短了3 天，峰 值出现提前了6 天；累积产气量提高了3 5 ；甲烷累积产量提高了7 1 ； 多转化利用的太阳能1 2 4 9 2k j ，提高了2 4 。说明，由于太阳能的利用， t 北京化工大学硕士学位论文 大大提高了厌氧消化的效率和产气量。 本文试验结果具有实际意义，可以作为进一步利用太阳能的厌氧消化 的实际工程的可行性提供工艺设计上的参考( 试验基础、太阳能吸收和分 配利用的控制方法、厌氧消化的负荷率、水力停留时间等) ，为运行过程 提供经验依据。 关键词：厌氧消化，太阳能，温度，沼气，产气量，污泥 i i o 膏 - 摘要 e f f e c t i v ea n a e r o b i cd i g e s t i o no fs l u d g ew i t hac o m b i n e ds o l a r e n e r syst簟energys y s t e m a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei s o n eo ft h em o s ti n f l u e n t i a lf a c t o r sa n di s t h em o s t i m p o r t a n tc o n t r o lp a r a m e t e ri n a n a e r o b i cd i g e s t i o n h o w e v e r , i no r d e rt o m a i n t a i nr e q u i r e dt e m p e r a t u r eo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n ，l a r g ea m o u n to fe x t r a e n e r g yi sn e e d e d t h es t u d yw a sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t e t h ep o s s i b i l i t yo f u s i n gs o l a re n e r g yt oi n c r e a s ea n a e r o b i ct e m p e r a t u r e g r e e n h o u s ea n ds o l a rc o n v e r t e rw e r ei n t e g r a t e dt oe s t a b l i s hac o m b i n e d s o l a r s y s t e m t o g e t s o l a r e n e r g y f o ri n c r e a s ea n a e r o b i ct e m p e r a t u r e ，a e x p e r i m e n t a ls y s t e mw a ss e tu p f i r s t ，i t i s n e c e s s a r yt o m a k es u r et h e c o n t r o l l i n g m e t h o do fs o l a r e n e r g yh e a t i n gs y s t e m a n dc o m p i l et h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gp r o g r a m s e c o n d ，a ne x p e r i m e n tw i t ht h i ss y s t e m u s i n gt a pw a t e rw a s s t a r t e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mt oi n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mw a sc a p a b l et oo b t a i n t e m p e r a t u r e so f3 2t o3 6 。c i ns p r i n ga n df a l l ，a n d4 4t o5 3 。c i ns u m m e r b a s e do nr e s u l t so fw a t e re x p e r i m e n t ，m e s o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o n e x p e r i m e n tw i t ha c t i v a t e ds l u d g ew a ss t a r t e d c o m p a r i n ga n a e r o b i cd i g e s t i o n w i t hs o l a re n e r g yh e a t e da n dt h a tw i t h o u ts o l a re n e r g yh e a t e d ，i tc o u l d i i i c o n c l u d e dt h a t ，w h e nt sl o a d i n gr a t eo f s l u d g ew a s6 0 9 l ： b i o g a sp r o d u c tp e r i o dd e c r e a s e d3d a y s ； m a x i m a ld a i l yb i o g a sp r o d u c t i o nb e c a m e6d a y s e a r l i e r ； a c c u m u l a t i v eb i o g a sp r o d u c t i o ni n c r e a s e db y35 ； a c c u m u l a t i v ep r o d u c t i o no fm e t h a n ei n c r e a s e d b y71 ； c o n v e r s i o no fs o l a re n e r g yi n c r e a s e d12 4 9 2k ja n di n c r e a s e db y2 4 i ts h o w st h a tt h ee f f i c i e n c yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o na n d b i o g a sp r o d u c t i o n a d v a n c e so b v i o u s l ya f t e ru s i n gs o l a re n e r g y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sc o m b i n e ds o l a r s y s t e mi s a ne f f e c t i v e a p p r o a c ht oi n c r e a s et e m p e r a t u r ef o rh i g hp e r f o r m a n c ea n a e r o b i cd i g e s t i o n a n dc o u l db ep u ti n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，s o l a re n e r g y , t e m p e r a t u r e ，m e t h a n e ， b i o g a sp r o d u c t i o n ，s l u d g e i v 1 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 符号说明吖i x 第一章绪论1 1 1 污泥产生与处理现状1 1 2 厌氧消化技术概论2 1 2 1 厌氧消化技术的特点2 1 2 2 厌氧消化的反应机理3 1 2 3 厌氧消化的影响因素6 1 3 太阳能利用发展概况8 1 3 1 太阳能在能源利用中的优势8 1 3 2 太阳能利用形式9 1 3 3 温室的研究概况1 0 1 4 研究内容1 1 第二章实验设计及分析方法1 3 2 1 材料和仪器1 3 2 1 1 实验原料1 3 2 1 2 实验设备：1 3 2 2 实验装置1 4 2 3 实验方案1 7 2 3 1 清水模拟温度控制试验1 7 2 3 2 污泥厌氧消化试验18 2 4 实验参数的确定1 8 2 4 1 温度控制程序的编制1 8 2 4 2 高效厌氧消化温度的确定1 9 v 北京化工大学硕士学位论文 2 4 3 接种污泥添加量的确定1 9 2 4 4 原料负荷的确定1 9 2 5 实验分析方法2 0 2 5 1 温度的测定2 0 2 5 2 原料和残料t s 和v s 的测量2 0 2 5 2 生物气品质检测2 0 2 6 实验运行与维护2 l 第三章温度控制方法研究2 3 3 1 系统的性能要求及特点2 3 3 1 1 性能要求2 3 3 1 2 系统特点2 3 3 2 温度监控系统的硬件组成2 4 3 3 温度即时监控的软件设计2 5 3 3 1 软件设计思想2 5 3 3 2 程序流程2 6 3 4 本章小结3 4 第四章清水模拟温度控制试验研究j 3 5 4 1 温室蓄热效果及分析3 5 4 1 1 温度时变化规律分析3 5 4 1 2 温度日变化规律分析3 6 4 2 温室与太阳能热水器组合增温效果及分析3 8 4 2 1 温度时变化规律分析3 8 4 2 2 温度同变化规律分析4 0 4 3 太阳能利用状况分析4 2 4 4 本章小结4 3 第五章污泥中温厌氧消化试验研究4 5 5 1 产气量与产气时间分析4 5 5 1 1 日产气量分析4 5 5 1 2 累计产气量分析4 6 5 1 3 产气时间和单位产气量分析4 6 5 2 生物气成分分析4 7 5 3t s 和v s 消化量分析4 8 5 4 太阳能对厌氧消化的作用分析比较4 8 v i _ ， f 。 目录 5 4 1 生物气成分比较4 8 5 4 3 太阳能对厌氧消化提高效果分析4 9 5 5 本章小结5 0 第六章结论和建议5 3 6 1 结论5 3 6 2 建议j 5 3 参考文献5 5 致谢- 5 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 9 v i i l i x l 一 第一章绪论 1 1 污泥产生与处理现状 第一章绪论 废水处理中产生的污泥是一种介于液体和固体之间的浓稠物质，它很难通过沉降 来进行固液分离。废水处理中对污泥的处理是一个重要环节。污泥处理处置与其他固 体废物的处理处置一样，都遵循减量化、稳定化、无害化的原则。为达到此目的，通 过各种装置的组合，构成了种种污泥处理处置的工艺。 污泥中含有大量的有机质、氮、磷、钾等植物需要的养分，其含量高于常用的牛 羊猪粪等农家肥，可以与菜籽饼、棉籽饼等优质的有机农肥相媲美。但是污泥中往往 含有有害成分，因此在土地利用之前，必须对污泥进行稳定化和无害化处理，如好氧、 厌氧消化、堆肥化等。 堆肥化处理一般指好氧堆肥【l 】。堆肥化是利用微生物的作用，将不稳定的有机物 降解和转化成较为稳定的有机质，并使挥发性物质含量降低，减少臭气：物理性状明 显改善( 如含水量降低，呈疏松、分散、粒状) ，便于储存、运输和使用；高温堆肥 还可以杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽，使堆肥产品更适合作为改良剂和植物营养 源。我国农村利用杂草、秸秆等和畜禽粪便混合，制成有机肥料的做法已有很长历史， 但这种堆肥过程主要靠自然通风或表面扩散向堆料供氧，由于供氧小充分，这种堆肥 实际上是厌氧发酵过程，其堆肥时间长，卫生条件差，不能作为污泥大规模处理的手 段。而现代堆肥化大多指好氧快速堆肥过程，污泥堆肥过程的主要技术措施比较复杂， 主要包括：调整堆料的含水率和适当的碳氮比，选择填充料改变污泥的物理性状，建 立合适的通风系统，控制适当的温度和合适的酸碱度等【2 】。污泥好氧堆肥的一般工艺 流程主要分为前处理、一次发酵、二次发酵和三个过程。 污泥厌氧消化1 3 】一般是在密闭的消化反应器内，主要是通过兼性厌氧细菌和厌氧 细菌的作用使有机物分解矿化，最终生成以甲烷为主的沼气。消化后污泥体积明显减 少，呈黑色粒状结构，易脱水，性质稳定。厌氧消化所产生的沼气可用于自身消化系 统的升温、发酵，这样循环使用后，多余的沼气就能使污泥不断趋于能源化利用。这 种利用途径产生的经济效益和环境效益都有广阔的前景。其优点是处理的最终产物恶 臭味减少，产生的甲烷气可以作为能源使用。但一次性投资过大，沼气池长期效果受 温度影响较大，冬季产气量小，使沼气的利用遇到困难。 其他污泥处理方法有：污泥燃料化技术，污泥的建材利用，剩余污泥制可降解塑 料等。 上述几种污泥处理方法中，利用厌氧消化技术将转化出高效、洁净、方便的高品 位能源可 化技术在理论研究 度的控制，目前大 保证反应器在高效 然气或沼气加热等 ( 如在寒冷的冬季 致运行成本的增加 太阳能是目前 是相对比较成熟的 能否仅利用太阳能 1 2 厌氧消化技术概论 1 2 1 厌氧消化技术的特点 厌氧消化技术是指在无氧的环境下，利用专性厌氧菌群或兼性厌氧菌群对底物中 的有机物质进行分解、转化、利用，最终产物为二氧化碳和甲烷，使反应底物稳定化 的技术。 经过多年的发展，厌氧消化技术己经日趋完善。它具有以下一些特点： ( 1 ) 节省动力消耗由于厌氧消化过程中，细菌分解有机物是营无分子氧呼吸， 故不必给系统提供氧气。而好氧菌降解有机物是营分子氧呼吸，必须提供分子氧。理 论上完全氧化1k gb o d 必须提供l 蚝分子氧。一般的曝气设备，充lk g 氧到水中约 需消耗0 5 1 0k w h 电力。如果采用厌氧消化方法处理废水废渣，可以节省大量电 能。环境效益与经济效益十分显著。 ( 2 ) 厌氧生物处理技术可以产生生物能污泥消化和有机废水( 物) 的厌氧发酵 能产生大量沼气。而沼气的热值较高，可作为能源利用。早在2 0 世纪2 0 3 0 年代， 人们已开始有计划地利用有机质生产沼气，作为炊事和供热用。在城市污水处理厂中， 厌氧消化处理初沉池和二沉池的污泥，不仅是为了稳定污泥，而且是为了利用污泥消 化过程产生的沼气，加热消化池污泥和发电，为水泵和鼓风机提供电力。根据资料介 绍，发达国家的城市污水处理厂的污泥厌氧消化所产生的沼气转化的电能可解决处理 时所需电力的3 3 1 0 0 ，其热值一般为2 0 2 4m j m 3 ( 沼气) ，每立方米沼气约可 发电1 5 1 3 8k w h ，并可回收余热约8 9m j 。利用沼气发的电可供本厂使用， 其所产生的余热可作为消化池加热用，也可用于热水供应及采暖。 ( 3 ) 厌氧生物处理的污泥产量少厌氧菌世代期长，如产甲烷菌的倍增时间约4 。 2 一 第一章绪论 6d 。所以厌氧产率系数y 值比好氧小1 5 卅。 有机物在好氧降解时，如碳水化合物，其中约有2 3 被合成细胞，约有1 3 被氧 化分解提供能量。厌氧降解时，只有少量有机物被同化为细胞，而大部分被转化为 c h 4 和c 0 2 。所以好氧处理产泥量高，而厌氧处理产泥量低，且污泥已稳定，可降低 污泥处理费用。 ( 4 ) 采用厌氧生物法不会去除底物中的氮和磷氮和磷等营养物质是组成细胞的 重要元素。采用生物法处理废水，如废水中缺少氮磷元素，必须投加氮和磷，以满足 细菌合成细胞的需要。 由于厌氧生物处理要去除1k gb o d ，所合成细胞量远低于好氧生物处理，因此 可减少n 和p 的需要量，一般情况下只要满足b o d ：n ：p = ( 2 0 0 3 0 0 ) ：5 ：1 。对 于缺乏n 和p 的有机废水采用厌氧生物处理可大大节省n 和p 的投加量，使运行费 用降低。含氮和磷的有机物通过厌氧消化，其所含的氮和磷被转化为氨氮和磷酸盐。 由于只有较少的氮和磷被细胞合成利用，所以绝大部分的氮和磷以氨氮和磷酸盐的形 式存在于剩余物中。氮和磷是营养物质，排入水体可引起湖泊发生富营养化，但同时 又是植物生长必不可少的元素，用作农业有机肥料可以起到较好的作用。 1 2 2 厌氧消化的反应机理 固体废物厌氧消化中的生物反应具有多步骤性，而且有多种微生物参与，包括水 解菌、酸化菌、产乙酸菌、氢甲烷菌和乙酸甲烷菌等几个主要种群。多种微生物共同 作用，将大分子有机物最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨等。在此过程中， 不同微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形成复杂的生态系统。复杂有机物的厌 氧降解过程可以分为4 个典型阶段1 7 ，如图1 1 所示。 ( 1 ) 水解阶段 水解是复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。高 分子有机物因其相对分子质量巨大，不能通过细胞膜，因此不可能为细菌直接利用。 它们首先在细菌胞外酶的水解作用下转变为小分子物质。例如纤维素被纤维素酶水解 为纤维二糖与葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为 短肽与氨基酸等。这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。 水解过程通常较缓慢，因此是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶 段。影响水解速度与水解程度的因素较多，例如：水解程度；有机质在反应器内 的保留时间；有机质的组成( 如木素、碳水化合物、蛋白质与脂肪的质量分数等) ； 有机质颗粒的大小；p h 值；氨的浓度；水解产物( 如挥发性脂肪酸) 的浓 度等。 胞外酶能否有效接触到底物是影响水解速率的关键。因此大颗粒t l 4 , 颗粒底物降 北京化工大学硕士学位论文 解要缓慢得多。许多微生物可以产生胞外酶，其中主要的水解酶有脂肪酶、蛋白酶和 纤维素酶等。它们的作用是将复杂的大分子水解为可被微生物同化的单体。在有机聚 合物占多数的废物厌氧生物处理中，水解作用是整个过程的限速步骤【8 1 。 图1 - 1 有机物厌氧分解过程 f i g 1 - 1t h ep r o c e s so fa n a e r o b i cd i g e s t i o n 1 发酵细菌；2 产氢产乙酸菌；3 同型产乙酸菌： 4 利用h 2 和c 0 2 的产甲烷菌；5 分解乙酸的产甲烷菌 ( 2 ) 发酵阶段 发酵可以被定义为有机化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程。在 此过程中，水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的以挥 发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌到细胞外。因此，这一过程也称为酸化阶段。这 一阶段的末端产物主要有挥发性脂肪酸( v f a ) 、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、 硫化氢等。与此同时，发酵细菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此未酸化废水 ( 物) 厌氧处理时产生更多的剩余污泥。 发酵过程是由大量的、不同种类发酵细菌共同完成的。其中，拟杆菌属( b a c t e r o i d e s ) 4 第一章绪论 和梭状芽抱杆菌属( c l o s t r i d i u m ) 是两大重要的类群。棱状芽抱杆菌是厌氧的、产芽抱 的细菌，因此它们能在恶劣的环境条件下存活。拟杆菌大量存在于有机物丰富的地方， 它们分解糖、氨基酸和有机酸。上述细菌中绝大多数是严格厌氧的，但通常有约1 的兼性厌氧菌存在于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌可以保护产甲烷菌这样的严格厌氧 茵免受氧的损害与抑制。 发酵过程的末端产物组成取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与发酵的微生物 种群。例如，如果发酵过程在一个专门的反应器( 如两相厌氧处理的产酸相) 内进行， 糖类作为主要的底物，则末端产物将主要是丁酸、乙酸、丙酸、乙醇、二氧化碳和氢 气等混合物。如果发酵过程在一个稳定的单相厌氧反应器内进行，则乙酸、二氧化碳 和氢气是酸化细菌最主要的末端产物，其中氢气又能相当有效地被产甲烷菌利用。故 在反应器中往往只能检测到乙酸和二氧化碳。氢气也可以被能利用氢的硫酸盐还原菌 或脱氮菌所利用。 ( 3 ) 产乙酸阶段 发酵阶段的末端产物( 挥发性脂肪酸、醇类、乳酸等) 在产乙酸阶段进一步转化 为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。较高级的脂肪酸遵循氧化机理进行生物降解， 在其降解过程发酵酸化阶段的末端产物在产乙酸阶段被产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢 气和二氧化碳。近1 0 年来的研究所发现的产氢产乙酸菌包括互营单胞菌属 ( s y n t r o p h o m o n a s ) 、互营杆菌属( s y n t r o p h o b a c t e r ) 、梭菌属( c l o s t r i d i u m ) 、暗杆菌 属( p e t o b a c t e r ) 等。这类细菌能把各种挥发性脂肪酸降为乙酸和h 2 。其反应如下： 降解乙醇c h 3 c h 2 0 h + h 2 0 一c h 3 c o o h + 2 h 2 降解丙酸c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 c h 3 c o o h + 3 h 2 + c 0 2 降解丁酸c h 3 c h 2 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 2 c h 3 c o o h + 2 h 2 上述反应只有在乙酸浓度低、液体中氢分压也较低时才能完成。产氢产乙酸细菌 可能是绝对厌氧菌或是兼性厌氧菌。 ( 4 ) 产甲烷阶段 这一阶段，产甲烷细菌通过以下两个途径之一，将乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲 醇等转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。其一是在二氧化碳存在时利用氢气生成 甲烷；其二是利用乙酸生产甲烷。利用乙酸的产甲烷菌有索氏甲烷丝菌 f m e t h a n o t h r i x s o e h n g e n i i ) $ i ：i 巴氏甲烷八叠球菌( m e t h a n o s a r c i n a b a r k e r i ) ，两者的生长速 率差别较大。在一般的厌氧反应器中，约7 0 的甲烷由乙酸分解而来，3 0 由氢气还 原二氧化碳而来。 利用乙酸c h 3 c o o h c h 4 + c 0 2 利用h 2 和c 0 2h 2 + c 0 2 一c h 4 + h 2 0 在厌氧反应器中，甲烷产量的7 0 是由乙酸歧化菌产生的。在反应中，乙酸中 北京化工大学硕上学位论文 的羧基从乙酸分子中分离，甲基最终转化为甲烷，羧基转化为二氧化碳。 1 2 3 厌氧消化的影响因素 长期的研究表明，大多数情况下甲烷发酵阶段是厌氧消化过程的限速步骤，因此， 这里以影响产甲烷菌活性的因素作为影响厌氧消化过程的主要因素。 ( 1 ) 温度 、 在厌氧反应器中，厌氧微生物通过不停地进行代谢活动以维持自身种群发展所需 的能量，同时也产生维持厌氧环境所需的能量，如甲烷。厌氧生物的温度适应范围比 好氧生物宽得多，但是就某一具体的厌氧生物而言，其温度适应范围仍然是较窄的。 厌氧微生物可分为嗜冷微生物、嗜温微生物和嗜热微生物，各类厌氧菌的适宜温度区 间见表1 1 。以这三类微生物为优势种群的厌氧处理工艺分别称为低温厌氧、中温厌 氧和高温厌氧。当温度处于两区之间时，反应速度反而减退，说明消化反应与温度之 间的关系是不连续的。 当厌氧反应器运行在低温区( 1 0 2 5 ) 、中温区( 3 0 4 0 ) 和高温区( 5 0 5 5 ) 时，不是三种情况都能达到同样的代谢速率。在低温厌氧反应器中，只是因 为这个区域的温度适合于嗜冷微生物，相比之下，即使嗜冷微生物处在其最合适的生 长温度，它的代谢速率也会低于中温厌氧反应器。在大多数厌氧反应器中，都基本符 合温度每增加l o 反应速率增加1 倍的规律。 表1 - 1 各类厌氧菌的适宜温度范围 t a b l e1 - 1t h es u i t a b l ep r o p a g a t i n gt e m p e r a t u r ef o ra n a e r o b i cb a c t e r i a 中温或高温厌氧消化允许的温度变动范围为( 1 5 2 0 ) 。当有3 的变 化时，消化速率就会受到一定程度的抑制，有5 急剧变化时，就会突然停止产气， 使有机酸大量积累而破坏厌氧消化。 由于中温菌( 特别是产甲烷菌) 种类多，易于培养驯化、活性高，因此厌氧处理 常采用中温消化。但因中温消化的温度与人体温接近，故对寄生虫卵及大肠菌的杀灭 率较低；高温消化虽然需要消耗较多的加热所需的能量，但对寄生虫卵的杀灭率可达 9 9 ，大肠菌指数可达1 0 1 0 0 ，能满足卫生要求( 卫生要求对蛔虫卵的杀灭率9 5 以上，大肠菌指数1 0 1 0 0 ) 。 6 一 第一章绪论 ( 2 ) 酸碱度( p h 值) 环境p h 值的变化可以引起细胞膜电荷的改变，从而影响微生物对营养物质的吸 收，影响代谢过程中酶的活性，改变营养物质的可给性和有害物质的毒性。介质的p h 值不仅影响微生物的生长，甚至影响微生物的形态。p h 值是氢离子活度的负对数， 厌氧消化中产生的氢离子，来自其中间产物有机酸、h 2 c 0 3 及h 2 s 等。 微生物对p h 值有一个适应范围，并且对p h 值的波动十分敏感。一般而言，微 生物对p h 值的变化的适应要比其对温度变化的适应慢得多。产酸菌自身对环境p h 值的变化有一定的影响，而产酸菌对环境p h 值的适应范围相对较宽，一些产酸菌可 以在p h = 5 5 8 5 范围内生长良好，有时甚至可以在p h 值为5 0 以下环境中生长。 产甲烷菌的最适宜p h 值随甲烷菌种类的不同略有差异，适宜范围大致是6 6 7 5 。 p h 值的变化将直接影响产甲烷菌的生存与活动，一般来说，反应器的p h 值应维持在 6 5 7 8 范围，最佳范围在p h 值为6 8 7 2 左右【圳。 厌氧反应器中产酸是主导的反应，反应器系统对酸的缓冲能力相对较弱。如果一 个厌氧反应器中混合情况不好，使反应器中碱度及缓冲能力不够，则可能导致局部酸 化，抑制产甲烷反应的程度，使反应器的效率大大降低。 ( 3 ) 氧化还原电位 研究表明，产酸发酵细菌氧化还原电位可以为4 0 0 1 0 0 m v ，培养产甲烷菌的初 期，氧化还原电位不能高于3 2 0 m v 。而严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的 基本条件，可以用氧化还原电位表示厌氧反应器中含氧浓度。 ( 4 ) 基质的营养比例( c n ) 厌氧消化工艺中，细菌生长所需营养由污泥提供。合成细胞所需的碳源担负着双 重任务：其一是作为反应过程的能源；其二是合成新细胞。麦卡蒂( m c c a r t y ) 等人 提出污泥细胞质( 原生质) 的分子式是c s h t n 0 3 ，即合成细胞的c n 约为5 ：1 。此外还 需要作为能源的碳。 大量实验表明，厌氧处理的碳：氮控制为( 2 0 3 0 ) ：l 为宜i l o 】。如c n 太高， 细胞的氮量不足，消化液的缓冲能力低，p h 值容易降低；c n 太低，氮量过多，p h 值可能上升，铵盐容易积累，会抑制消化进程。在装置启动时，稍微增加氮素，有利 于微生物的增殖，有利于提高反应器的缓冲能力。 ( 5 ) 基质微生物比( c o d v s s ) 与好氧生物处理相似，厌氧生物处理过程中的基质微生物比对其进程影响较大。 在有机负荷、处理程度和产气量三者之间，存在着平衡关系。一般来说，较高的有机 负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低。由于厌氧消化过程中产酸阶段的反应 速率比产甲烷阶段的反应速率高得多，必须十分谨慎地选择有机负荷，使挥发酸的生 成及消耗不致失调，形成挥发酸的积剽1 1 】。 ( 6 ) 毒性物质 7 北京化工大学硕士学位论文 与其他生物系统一样，厌氧处理系统也应当避免有毒物质进入。一些含有特殊基 团或者活性键的化合物对某些未经驯化的微生物常常是有毒的，但这些有毒的有机化 合物本身也是可以厌氧生物降解的，如三氯甲烷、三氯乙烯等。微生物对各种基质的 适应能力有一定的耐受范围【1 2 】。 ( 7 ) 搅拌和混合 厌氧消化是由细菌体内的内酶和外酶与底物进行接触反应，因此必须使两者充分 混合。搅拌的方法一般有：泵加水射器搅拌法、消化气循环搅拌法和混合搅拌法。 1 3 太阳能利用发展概况 1 3 1 太阳能在能源利用中的优势 人类很早以前就直接或间接地利用太阳能，但太阳能作为一种能源仅3 0 0 多年的 历史，且长期以来太阳能利用一直缓慢发展。随着2 0 世纪7 0 年代的能源危机，全球 环境污染的日益严重，加上各个领域新兴技术的迅猛发展，遂形成太阳能利用的新高 潮。 太阳辐射能作为一种能源，在能源发展中有其独具的优势： ( 1 ) 储量极其丰富 太阳- - 亥t j 不停地向四周空间放射出巨大的能量，其总量平均每秒钟即达3 8 6 5 1 0 2 6 j ，相当于每秒钟烧掉1 3 2 x1 0 1 6 t 标准煤所释放出来的能量。而地球表层所接受 到的能量仅是其中2 2 亿分之一。即便这样，太阳每秒钟辐射达到地球表面的能量还 高达1 7 5 7 1 0 1 7j ，相当于6 x1 0 6t 标准煤。德国太阳能专家伯尔科说，只需开发非 洲部分地区的太阳能发电，便能满足全世界电力需求。而且太阳辐射可以源源不断地 供给地球，取之不尽，用之不竭。 ( 2 ) 普遍性 太阳能不像其他能源那样具有分布的偏集性。世界不少国家因为能源分布的不平 衡性不得不花去庞大的输电设备和交通费用。而太阳能处处都可就地利用，有利于缓 解能源供需矛盾，缓解运输压力，能解决偏僻边远地区及交通不便的农村、海岛的能 源供应，更具有其巨大的优越性。 ( 3 ) 无污染性 为实现可持续发展，环境保护是发展进程的一个整体组成部分，环境与发展不能 相互脱离。在众多环境问题中，矿物燃料燃烧形成的污染十分严重。而利用太阳能作 能源，没有废渣、废气、废水排出，无噪声，不产生有害物质，这在环境污染同益严 重的今大尤为可贵。 8 p 第一章绪论 ( 4 ) 经济性 可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，可以 随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性，如太阳能热 水器一次投入较高，但其使用过程不耗能，而电热水器和燃气热水器在使用时仍需耗 费，有关研究结果表明，已具很强的竞争力。随着可以发展以及人类开发太阳能的技 术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。 当然，太阳能利用也有缺点，如能量密度低、不易收集、不稳定、随季节气候昼 夜变化而变化等。但总的来说，太阳能有很多其他能源无法相比的优点，有极其广阔 的利用前景。 我国大部分地区位于北纬4 5 。以南，有着丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地 表面每年接受到的太阳辐射能约为5 x1 0 1 9k j ，约相当于1 7 0 0 亿吨标准煤。而且，全 年日照时间大于2 0 0 0 h 的地区占总面积的三分之二，全国各地太阳能总辐射量约在 3 3 4 9 8 3 7 4m j ( m 2 a ) 之间。和纬度相当的日本、美国的太阳能资源相比较，除 四川徐地和与其毗邻的地区外，我国绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，特别是青 藏高原中南部的太阳能资源尤为丰富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠。若按各地 太阳年辐射总量来划分，我国大约可分为5 个太阳能资源带，其分布特点为：高值中 心和低值中心在2 2 度到5 度。 研究表明：在太阳能利用方面具有经济价值的地区是年辐射总量高于2 2 0 0 h 的地 区。我国是太阳能资源丰富的国家，具有得天独厚的开发利用太阳能的优越条件l l 引。 因此，在我国大部分地区推广应用太阳能热利用技术已具备良好的条件，特别对能源 紧缺地区具有一定的经济效应和社会效应。 1 3 2 太阳能利用形式 自上世纪7 0 年代能源危机以来，许多国家投入不少人力物力，用于大力研究和 开发太阳能利用技术。经过几十年的研究开发，有些技术己经商业化，到2 0 0 1 年底 世界太阳热水器保有量达1 亿m 2 1 4 1 ，2 0 0 3 年世界太阳电池的产量达7 4 4 0 8 m w p ， 而且每年以3 0 的速度递增，价格也有很大的下降，晶体硅太阳电池大约3 0 元佩1 1 5 1 。 2 0 0 2 年世界风力发电累计装机量3 2 0 4 k w ，风电发电量6 4 8 亿k w h l l 酬。我国太阳能事 业近些年也蓬勃发展，2 0 0 3 年中国各类太阳热水器产量达1 2 0 0 万m 2 ，位居世界第一， 保有量为5 2 0 0 万m 2 占世界的4 0 p 7 】。我国太阳电池起步较晚，9 0 年代发展速度较 快，2 0 0 2 年我国太阳电池和组件实际生产量达到l l m w ，到2 0 0 2 年底光伏产业生产 能力达到3 0 m w 【1 8 】。太阳能供热供冷、太阳能制氢、海水淡化等技术也取得了较大 发展。但是，由于太阳能的季节性、随机性和能量密度低等特点，其大规模利用存在 一定的技术障碍和经济障碍，有很多技术问题需要去深入研究进行改进。 9 北京化1 = 大学硕i ：学位论文 太阳热水是目前太阳能利用领域中技术发展最成熟、经济上也已具有竞争力的绿 色能源技术。当前各种太阳热水装置在生活和某些生产领域得到了相对普遍的推广、 应用。太阳热水系统一般有集热器、储水箱、管道和控制设备组成。集热器是太 阳热水系统的核一t l , 部件，目前家用集热器主要有两大类：平板太阳集热器和真空管集 热器。太阳热水系统的类型主要有循环式、直流式和整体式三种。 1 3 3 温室的研究概况 我国北方地区早在2 0 世纪3 0 年代己开始在冬季使用“日光温室”生产新鲜蔬菜。 在6 0 年代，国内外人士开始从理论和实践力一面深入研究温室的热环境，所建模型 一般分为静态模型和动态模型。静态模型【1 9 2 2 l 建立在系统( 或系统的各部分) 的热 容量相对于能量输入可以忽略不计，系统随外界参数的变化过程十分迅速，可立即达 到稳定状态的基础上。动态模型【2 3 2 7 】描述了温室内各环境参数随外界环境的变化过 程，可精确预测温室内的温、湿度等随时间的变化情况及外界环境的变化过程。动态 模型是由一组微分方程组成，求解起来相对比较繁杂。一般需借助专用软件对特定类 型的温室进行计算。也有学者对其进行了简化【2 9 】，从温室的物理过程入手，应用能量 平衡、质量平衡的方法，在外界气象资料已知的情况下，得到与气候、地理位置、温 室结构、温室容积等多热因素关联的温度预测模型。 也有不少学者为提高温室的性能，做出了很多改进。聂和引2 9 】通过对日光温室采 光理论的分析，确定了不同纬度地区优化的采光屋面角度和相应的高( 中脊高) 跨( 跨 度) 比，据此确定温室高度、跨度、采光屋面形状等建筑参数；通过对温室热环境研 究分析，确定温室墙体厚度，后屋面仰角和投影等参数。亢树华、陈端生【3 0 】通过对节 能型目光温室墙体后坡及采光面等各项主要结构参数进行单项因子温光性能的测试 与分析，提出了优型结构的各项参数指标。s a r a v i a 3 1j 等人为了提高温室夜间温度，将 一种用两层聚乙烯薄膜制成的塑料袋，挂在温室内，白天当作集热器，收集能量到一 个水池内，晚上当作换热器，将储存的热量释放到温室内，以维持温室内夜间的温度。 太阳能温室技术和太阳热水技术也是相对比较成熟的太阳能热利用技术。太阳能 温室温度和热水温度与太阳辐照度有直接的关系，太阳辐照度较大幅度的变化对温室 和热水温度有明显的影响，但温室温度的变化稍有滞后，热水温度的变化延迟较长。 上午温室温度上升，下午随着太阳辐照度的下降而下降，晚上变化平缓，但可比环境 温度高。由于保温较好，热水温度上午上升，下午随着太阳辐照度的下降相对稳定， 晚上逐渐下降，但明显高于环境温度。可见，如果想把太阳能作为一种稳定的能源， 需要对不同季节、气候、时间获得的太阳能进行合理的收集和再分配。