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生物炭强化一体化两相厌氧反应器产甲烷研究

摘要

浒苔导致的“绿潮”等灾害对海洋生态环境造成了严重威胁。藻类富含生物质能，

用于厌氧发酵产沼气原料具有巨大潜力，但传统的厌氧消化反应器工艺具有产能效率

低、易崩溃等缺点，使用成本高昂的催化剂强化产能又得不偿失，这严重阻碍藻类固废

的资源化利用。针对以上问题，使用低成本无害的生物炭，强化藻类固废厌氧消化产能，

并通过计算流体仿真手段为连续流反应器结构提供优化建议。

首先通过静态试验和响应曲面分析结合的手段，探究了不同生物炭种类、粒径和添

加浓度对于强化浒苔厌氧消化的影响，分析出各影响因子的权重大小关系；通过生物炭

表征手段：电子扫描显微镜、元素分析和红外光谱分析，探究了生物炭强化厌氧消化产

气的原因。试验结果表明秸秆炭强化效果最好且粒径越小强化效果越强；各影响因子之

间的权重大小关系为浓度＞固液比＞粒径；三种生物炭表面具有多孔隙复杂的微观结

构，便于微生物附着，生物炭含有的含氧表面官能团和碱土金属元素，有利于微生物生

长，起到缓冲酸的抑制作用。

其次通过底物替换方案解决两相连续流厌氧工艺启动难的问题，并探究不同浓度秸

(04g/L8g/L12g/L)

秆生物炭、、和，对于两相连续流反应器的产能影响效果，通过高

通量测序手段明晰了反应器内部微生物群落演替过程。试验结果表明加入秸秆生物炭后

产甲烷相的产能效果得到强化，当生物炭添加量为8g/L时，产甲烷相平均日产气最高，

达到0.793L/(d·L)；当生物炭添加量为12g/L时，平均COD去除率最高达到87.47%，

12g/L8g/L66.34%65.74%

与条件下的产气甲烷含量相近，分别为、；高通量测序结果

表明，随着生物炭添加量上升，微生物群落多样性先减后增，利于发酵产气的厚壁菌门

(Firmicutes)和互养菌门（Synergistetes）相对丰度上升。

最后利用计算流体力学仿真手段，针对反应器运行过程中污泥淤堵问题，对不同循

环区入射口结构（水平、向上和向下）和不同循环进口流速（1m/s、1.5m/s和2m/s）

条件下的产甲烷相内部流场进行了仿真。仿真结果表明入射口向下的结构对产甲烷相底

部中心的冲击最大，改善污泥在产甲烷相主反应区分布情况；在循环区进口流速为2m/s

条件下对壁面冲击最大并形成回流，可以缓解污泥淤堵沉积在反应器底部的问题。

关键字：浒苔；厌氧发酵；生物炭；计算流体动力学；甲烷

I

生物炭强化一体化两相厌氧反应器产甲烷研究

ABSTRACT

Theproliferationofalgalsolidwastepresentsaseriouspollutionproblemforthemarine

environment.However,thiswastecontainsbiomassthatcanbeusedinanaerobicdigestionto

produceenergysuchasbiogas,whichcanbeutilizedinpracticalproductionanddailylife.

Anaerobicdigestiontechnologyhasadvantagessuchascleanliness,environmental

friendliness,andrenewability.Traditionalanaerobicdigestionreactorprocesseshave

drawbackssuchaslowproductivityandsusceptibilitytocollapse.Theuseofexpensive

catalyststoenhanceproductivityisnotcost-effective,whichseriouslyhinderstheresource

utilizationofalgal