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摘 要

厌氧发酵过程中存在产气速率偏低以及甲烷浓度偏低两个普遍问题^[1]。查询相关文献，在厌氧发酵过程中提供外源氢可以显著提高产气速率以及甲烷浓度，主要方式是通过产甲烷微生物进入甲烷中，提高甲烷产量。本实验提供了一种外源氢的获得途径，即通过外加电压的方式实现水的电解产氢。实验结果表明，在以猪粪为发酵原料，38℃环境下进行中温发酵，并且提供2.5V直流电压的条件下，产气速率提高了28.5%，最高甲烷浓度提高了14.1%，甲烷产气量提高了28.4%，COD去除率提高了7.87%，TS降解率提高了37.1%，VS降解率提高了91.4%。结果表明外加电压对于厌氧发酵体系的积极影响，同时对实验中出现的问题作出说明与原因推测。最后，我们对此方向的研究成果进行了展望。

关键词：厌氧发酵 产气速率 甲烷浓度 外源氢 外加电压

The enhanced influence of anaerobic fermentation system by applying voltage

Abstract

Anaerobic fermentation has two general problems：low production rate and low methane concentration. According to the document, providing exogenous hydrogen can obviously improve the production rate and methane concentration, during the process of anaerobic fermentation. The main way is that hydrogen get into methane to improve methane production rate by methanogens. This experiment provides one way to obtain exogenous hydrogen, applying voltage to make water electrolysis. The research suggests that in the condition of pig manure as fermentation materials, ambient temperature of 38℃, applying DC voltage of 2.5V, the production rate has increased by 28.5%, methane concentration has also increased by 14.1%, methane production has increased by 28.4%, COD removal rate increased 7.87%. TS and VS degradation rate has respectively increased by 37.1% and 91.4%. It turns out that applying voltage has a positive influence on the anaerobic fermentation system. Also we make a illustration and try to explain them when we meet some problems. At last, we suggest some possible research results in the field of anaerobic fermentation.

Key words:anaerobic fermentation; biogas production rate; methane concentration; exogenous hydrogen; apply voltage

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 沼气简介 1

1.1.1 基本介绍 1

1.1.2我国沼气生产现状 1

1.1.3发酵原料简介 2

1.2 厌氧发酵产沼气原理 2

1.3 沼气厌氧发酵的影响因素 4

1.3.1 pH值的影响 4

1.3.2 温度的影响 4

1.3.3原料碳氮比的影响 5

1.3.4接种物浓度的影响 5

1.3.5微生物的影响 5

1.4 外加电压对发酵的影响 5

第二章 实验内容与计算 8

2.1 实验材料和装置 8

2.1.1 实验材料 8

2.1.2实验装置 8

2.2原料的物理和化学性质的分析方法 8

2.2.1固含物（TS）的测定 8

2.2.2挥发性固体（VS）的测定 9

2.2.3碳含量的测定 9

2.2.4氮含量的测定 10

2.3原料测定的结果 10

2.3.1 TS及VS测定结果 10

2.3.2碳氮比的测定结果 11

2.4实验方法 11

2.4.1菌种的驯化 11

2.4.2 电极的预处理 11

2.4.3厌氧发酵实验条件 11

2.4.4厌氧发酵的参数测定 12

第三章 实验结果与分析 13

3.1 产气速率以及甲烷产量变化 13

3.1.1 沼气产气量变化 13

3.1.2 甲烷含量变化 14

3.1.3 甲烷产气量变化 15

3.1.4 气相数据汇总 16

3.2 pH值与氨氮变化 16

3.3 化学需氧量（COD） 18

3.4 TS以及VS降解率 19

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2展望 20

参考文献 22

致谢 24

第一章 文献综述

1.1 沼气简介

1.1.1 基本介绍

沼气是指有机物质在厌氧环境下，经过产沼气微生物的发酵作用而生成的一种可燃性混合气体。由于这种可燃烧气体最早是在沼泽中人们被发现的，所以称之为沼气。人畜粪便、农作物秸秆、工业污水等各种有机物在密闭的沼气池中，在厌氧环境下被多种沼气发酵微生物分解转化，生成沼气。沼气是一种混合气体，可以燃烧。经发酵来沼气中一般甲烷含量在50～70%，剩余气体为二氧化碳、有毒性的硫化氢以及少量的氦和氢^[2]。当沼气当中甲烷含量大于95%时，即成为生物甲烷，其特性与天然气相似^[3]。沼气在日常生活中的应用广泛，除可以直接用于燃烧煮食、供暖、照明等之外，还可以经过纯化之后为新能源汽车内燃机提供燃料。在工业化中，其还可以作为生产甲醇、四氯化碳和福尔马林等化工产品的原料。此外，经过厌氧发酵之后残留的沼渣沼液，其中含有丰富的营养物质，可以作为农作物的肥料以及动物饲料等。

1.1.2我国沼气生产现状

近些年来我国对于能源的需求越来越大。目前的全球能源是高度依赖于石油、煤炭、天然气等化石能源，但这些能源储量有限，终究会枯竭。与此同时，使用这些化石能源所造成的严重环境污染，如温室效应的产生以及污染等也给人们带来了巨大的影响，人们迫切地寻找开发新的能源以及能够解决环境污染的有效方法^[4]。

早在20世纪70年代，国家为了解决农村能源不足的问题就已经提出了沼气扶持项目，农村的沼气建设得到了初步发展；80年代，沼气开发就已经被列入国家发展计划中；截止2013年，国家对于农村沼气建设的资金投入累计已达到370亿元^[5]。随着资金的投入、技术的进步以及应用模式的增加，沼气已经与我国的环境保护和资源节约事业的联系不断紧密，中国的沼气事取得了举世瞩目的成就^[6]。但与此同时，我们还必须清楚的认识到目前中国沼气工程存在闲置率较高、资源利用不合理以及产能低下等问题^[7]。本课题即研究通过外加电压的变化能否使得沼气发酵的效率得到显著提高，从而达到提高经济效益的目的。

1.1.3发酵原料简介

目前，人类对发酵原料的选择，主要包括农作物秸秆、工业废弃物、日常生活垃圾、动物粪便、藻类等，其中禽畜粪便蕴含巨大的生物质能量。以干物质计算，1 t禽畜粪便所含的能量与0.375 t标准煤相当^[8]。禽畜粪便能源化利用，已经引起国内外专家学者的广泛关注，其主要途径是通过厌氧发酵生成沼气。

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