厌氧发酵反应器一维稳态传热模型的建立与验证

在北方高寒地区,采取适当的加热及保温措施,确保沼气厌氧发酵所需的稳定温度,是关系到沼气工程冬季能否正常运行的关键所在。厌氧发酵反应器传热耗热量是沼气发酵料液加热系统设计的最基本的数据,它直接影响着加热系统方案的选择、供热管道管径和加热器等主要设备的确定。该文在稳态传热理论的基础上,通过对集厌氧发酵和沼气收集为一体式的全地上反应器传热过程的理论分析,建立了一维稳态传热模型,并通过试验对传热模型进行了修正和验证。结果表明,通过模型计算得到的模拟值与实际值在统计上没有明显差异,传热模型可用于反应器耗热量的计算。这为今后大型沼气工程中厌氧发酵反应器热负荷的计算和反应器能耗的预测提供了依据。     

干法发酵沼气工程无热源中温运行及效果

该文提出了覆膜槽干法发酵沼气工程在无热源条件下实现中温运行的方法：首先使固体生物质原料好氧发酵,利用好氧发酵产生的生物能,获得中温沼气发酵（20～45℃）上限的初始温度,通过加强反应器的保温,不用外加热源,实现干法发酵沼气工程中温运行。试验结果显示：物料温度的变化平缓,物料温度日下降幅度最大为0.5℃（第9天）,最小不到0.1℃（第3天）;发酵物料温度由初始时的40.6℃,逐渐下降为沼气发酵结束时的35.4℃,始终处于中温沼气发酵的较高温度范围内;平均容积产气率为0.598 m3/(m3·d),甲烷55%～60%。因此,利用好氧发酵的生物能,使物料获得中温沼气发酵范围内较高的初始温度,在沼气发酵过程中,通过加强保温,不用外加热源,实现干法沼气工程的中温运行是完全可行的。     

全混式厌氧发酵池加温负荷模型及其影响因素试验研究

沼气工程全混式厌氧发酵池加温负荷计算准确性关系到整个系统设计合理性、运行稳定性和系统经济性,明确加温负荷模型并了解主要因素对其影响特性非常重要。针对上海实际沼气工程全混式厌氧发酵池热过程,建立加温负荷物理和数学模型,为分析加温负荷各组成部分的大小、对全年加热量的影响,提出月平均负荷百分比、月围护结构散热率、月平均池容日负荷、全年池容总加温负荷以及设计池容加温负荷5个指标。考察不同发酵温度和顶膜保温层厚度等主要因素对加温负荷的影响得出:上海地区发酵温度为(30±1)、(35±1)℃的加温负荷约是发酵温度为(25±1)℃的1.54和1.94倍;发酵温度35℃相对于发酵温度30℃,总加温负荷增加约40%,同时热量获得的难度加大,源侧进水温度相同时热泵机组制热能效比(coefficient of performance,COP)下降约0.6;确定经济发酵温度为30℃;通过对比顶膜采用橡塑保温层厚度分别为0、25、50和75 mm对加温负荷的影响,得出每增加25 mm橡塑保温层后围护结构散热负荷减少率为67.99%、16.49%和7.28%,总加温负荷减少率为48.02%、7.17%和2.85%,确定上海地区顶膜经济保温层厚度为50 mm。根据模型计算加温负荷结果与实际工程试验计算结果相比,相对误差在0.6%~7.8%之间,结果可以为沼气工程加温负荷计算和保温层厚度提供参考。     

太阳能与发电余热复合沼气增温系统设计

为了实现大中型沼气工程在北方寒冷地区的应用推广。该文针对北方寒冷气候特点,以哈尔滨双城市沼气工程为例构建了1套太阳能-发电余热中温厌氧发酵增温系统,阐述了该增温系统的设计原理,并对沼气发酵热负荷、发电机组余热回收利用率、太阳能集热装置热效率等关键参数进行了理论计算。计算得出该沼气工程全年平均每日热量的损失为6659.2 MJ,太阳能-发电余热中温厌氧发酵增温系统全年平均每日集热量为7017.6 MJ。通过对增温效果与该工程的热量损失进行对比,表明12、1、2月份系统需沼气发电机组额外提供372.2、369.4、208.3 kWh电量增温,其余月份系统可以实现发酵工程每日热量损失的补充,保证该工程的稳定运行。在8月份对示范工程的一次发酵罐体进行了增温效果测试,表明该增温系统在28 d左右可将该发酵罐内物料温度提升到中温发酵水平。该文为北方寒冷地区大中型沼气增温保温设备的配套建设提供参考。     

公猪舍夏季温度和流场数值CFD模拟及验证

为研究夏季全漏缝地板公猪舍湿帘风机蒸发降温效果及舍内环境分布规律,该文利用计算流体力学CFD(computational fluid dynamics)对北京养猪育种中心SPF(Specific Pathogen Free Swine)公猪舍进行模拟研究并通过实测数据进行验证。研究中将漏缝地板作为多孔介质简化,基于标准k-?湍流模型对空载及装猪猪舍内的风速场和温度场进行模拟,通过模拟值与实测值的对比验证模型的合理性。结果表明采用该模型模拟空载时猪舍,风速场模拟值与实测值误差较小,相对误差范围在0.25%~30.8%。模拟温度与实测温度最大绝对误差为0.48 K,平均绝对误差为0.11 K,平均相对误差为0.5%。模拟装猪时的猪舍,温度分布结构与装猪前相似,但整体温度略有上升。该研究可对当前常用的含漏缝地板猪舍建模研究提供参考,并为畜禽舍内改造和建筑实践提供理论依据。     

温度底物浓度和微量元素对牛粪厌氧发酵产沼气的影响

洱海流域畜禽奶牛粪便的无序堆置和不合理处置对洱海入湖污染具有较大贡献,为了控制畜禽养殖污染,该研究在结合洱海流域现有中温沼气工程产气率低、运行不稳定、易结壳等问题的基础上,通过取样当地奶牛粪为原料,研究温度、接种量和微量元素等3种因素对中温厌氧发酵产沼气过程的影响,并运用响应面法优化微量元素的添加量,以筛选出适于高原地区奶牛粪便中温厌氧发酵的沼气工程操作参数。试验结果表明:发酵温度为35℃条件下原料产气量大于30和45℃;35℃的发酵温度有利于挥发性脂肪酸(volatile fat acids,VFA)的产生与甲烷菌再利用;发酵温度为35℃时,发酵各个阶段4类菌群的数量多于30和45℃;因此,发酵温度为35℃时,牛粪厌氧发酵系统微生物区系中各类功能微生物数量与比例最佳,适合于中温厌氧发酵微生物菌群的生长、代谢;接种量越大发酵启动越快,接种量10%总产气量最大,未接种试验组,发酵启动较慢,总产气量也较低;通过中心复合试验设计和响应曲面回归分析确定得出,添加微量元素Fe2+质量浓度5.00 mg/L、Ni2+质量浓度21.40μg/L、Co2+质量浓度28.82μg/L时,可刺激厌氧发酵过程的作用酶以促进产气。本研究在资源化利用养殖废物的同时,提高了沼气工程产气率,试验结果为洱海流域农村养殖粪便厌氧发酵沼气工程正常运行提供理论依据。     

射流搅拌提高牛粪中温厌氧发酵产沼气性能

现有中温沼气工程的搅拌方式以机械搅拌和沼液回流搅拌为主,存在产气率低、设备难以维护、长期运行不稳定等问题。该研究设计了一种射流搅拌技术,集沼液回流搅拌和沼气搅拌于一体,试验用于牛粪中温厌氧发酵产沼气。通过沼气产率、营养基质消耗、微生物种类和数量的变化等方面分析射流搅拌强化牛粪中温厌氧发酵产气的效果及机理。结果表明:发酵期30 d内,无搅拌、机械搅拌、沼液回流搅拌和射流搅拌的总产气量分别为52.34、64.30、61.97和71.22 L;原料产气量分别为0.238、0.292、0.282和0.324 L/g,射流搅拌厌氧反应器的原料产气量比无搅拌、机械搅拌、沼液回流搅拌分别提高了36.1%、22.9%、18.4%;射流搅拌方式中化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)降解率最高达到60.8%;在产甲烷高峰期发酵第10天左右,射流搅拌反应器内产甲烷菌最大值达2.0×108个/m L;挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)浓度的降速较其他有搅拌方式快,VFA无积累,不受高浓度VFA的产物反馈抑制或底物抑制。     

规模化秸秆沼气工程集成技术及工程运行效果研究

集成秸秆沼气先进技术提高工程经济性是秸秆沼气工程可持续发展的关键。为进一步提高秸秆沼气发酵效果,提升沼气工程运行效益,该研究针对秸秆预处理、秸秆厌氧发酵、搅拌优化、沼液回流等关键环节进行了研究和分析,提出了"秸秆青贮-秸秆微好氧水解预处理-优化搅拌CSTR中温厌氧发酵-沼液近全量回流"的秸秆沼气工程集成技术。通过对河北省三河市天龙规模化生物天然气工程1#发酵罐启动过程进行监测与分析,表明该集成技术在实际运行过程中,秸秆干物质产气量可达555.78 m3/t,沼气中CH4体积分数保持在56%左右,H2S体积分数稳定在162×10?6左右,工程启动运行效果良好。上述结果表明,该本研究所提出的秸秆沼气集成技术在实际工程运行中可取得稳定、高效地运行效果。     

集中通风式分娩母猪舍温湿度数值模拟与试验验证

为研究集中通风式猪舍温湿度场的分布规律,利用计算流体力学技术,对云南省某规模猪场的地沟进风、中央排风式分娩母猪舍进行温湿度场耦合模拟研究,并通过试验进行验证。本研究采用四面体非结构网格进行网格划分,运用重整化群RNGk-ε湍流模型进行稳态模拟,通过实测值与模拟值的对比,对模型进行验证。研究结果表明,温度模拟值与实测值最大差值不超过4℃,平均相对误差为6.5%;相对湿度模拟值与实测值最大差值不超过10%RH,平均相对误差为7.3%,验证了模型的准确性。温度、相对湿度和风速在垂直高度上的分布差异较大,温度随着垂直高度的增加而增加,且温度梯度逐渐增大;相对湿度随着垂直高度的增加而减小;而风速则随着垂直高度的增加而逐渐减小。本研究揭示了集中通风式分娩母猪舍的温湿度场分布规律,并为分娩舍温湿度场的优化提供参考。     

高寒地区沼气发酵料液加热增温装置传热特性

在北方高寒地区,为了保证沼气厌氧发酵所需的稳定温度,同时考虑到沼气生产的成本和能量平衡等因素,本研究提出以沼气生产系统自身产出的沼气为燃料,以沼气热水锅炉为热源,通过水—发酵料液换热器对进入发酵反应器的料液进行加热增温的模式,并应用威尔逊图解法,对加热增温系统所选用的水-发酵料液浸没蛇管式换热器的传热特性进行了试验研究,得到了换热器壳侧水的表面传热系数、管内侧发酵料液的表面传热系数等参数的变化规律。该研究结果将为今后加热发酵料液用浸没蛇管式换热器的理论计算和结构设计提供依据。     

北京大中型沼气工程冬季运行状况及发酵前后物料理化生物特性

为了解北京市大中型沼气工程冬季运行情况及发酵剩余物理化特性,该文实地调查了北京市29座沼气工程冬季运行情况,以调研问卷的形式了解沼气工程运行状况,并采样分析了发酵原料、沼渣和沼液样品的养分含量、粪大肠菌群数、铜、锌、砷、铅等指标。结果表明:北京29座冬季运行的沼气工程中主要以畜禽粪便为原料,其中有20座沼气工程采用猪粪进行厌氧发酵,厌氧消化反应器类型主要是全混式厌氧反应器和升流式厌氧固体反应器,沼气以供周边农户使用为主,沼渣和沼液以农田利用为主,从区域沼气工程运行状况来看,房山区的沼气工程运行状况相对较好,大兴区和顺义区的沼气工程运行状况参差不齐;所调研沼气工程沼渣和沼液的pH值适宜向农田施用,沼渣的EC值相对原料平均下降了56.97%,沼渣有机质和可挥发性固体的质量分数相对原料分别降低了20.99%和27.93%,沼渣的养分质量分数较高,沼液的养分质量浓度较低,沼渣中的粪大肠菌群数和沼液的化学需氧量、粪大肠菌群数整体偏高,有6座沼气工程的砷含量较高。调查结果可为北京市沼气工程冬季运行效果及沼渣沼液资源化利用提供基础数据,促进北京市沼气工程的可持续发展,提高生态和经济效益。     

地上式户用太阳能恒温沼气池产气性能

为突破传统砖混沼气池产气不稳定、产气速率低、冬季不产气的问题,研发并搭建了新型地上式户用太阳能恒温沼气池,系统主要由集热面积为2.96 m2的全玻璃真空管太阳能热水器、2m×2m×3.2m保温室、3m3软体沼气池和3m3储气袋构成,试验研究了冬季条件下系统的产气性能,结果表明:39d内,当环境温度在-19.8~-10.0℃变化时,太阳能集热器可以保证恒温沼气池在(26±2)℃稳定运行,恒温沼气池累计产气42.520m3,平均日产沼气1.380m3,甲烷平均体积分数58.2%;系统可保证4~5口农户的生活燃气需求。地上式户用太阳能恒温沼气池对利用农村有机废弃物资源满足农民燃气需求有重要意义。     

农村户用沼气发酵原料产气潜力及区划研究

结合能值潜力估算动物数据库模型,建立了中国农村户用沼气主要发酵原料理论户均产气潜力估算模型。并利用该模型对2007年中国农村主要沼气发酵原料理论户均产气潜力进行了估算。结果表明:发酵原料理论户均产气潜力居前五位的是西藏、青海、吉林、内蒙古和新疆,均高于2 300m3/a,其中西藏高达9 492m3/a,山西、上海、福建、广东、重庆、陕西和浙江发酵原料理论户均产气潜力较低,均低于540m3/a。在此基础上,构建了农村户用沼气发酵原料区划指标,对中国各地农村沼气发酵原料理论户均产沼气潜力进行分区,划分为沼气发酵原料最适宜区、适宜区、次适宜区和非适宜区。根据区划结果,形成了中国农村户用沼气发酵原料适宜性区划图。     

基于膜蒸馏的沼液资源化处理研究进展

沼液可占湿法厌氧发酵后发酵剩余物总质量的80%以上,在农田土地承载量和运输成本的双重限制条件下,大型沼气工程的沼液很难通过还田利用的方式进行完全消纳。对沼液实行资源化处理既能减少沼液体积和降低对环境的潜在威胁,还可实现高附加值的资源回收,促进可持续的农业循环经济发展。作为膜分离技术中的重要分支,膜蒸馏在沼液处理过程中具有适应性强、膜污染程度低、避免发泡与快速脱氨等多方面的优势。在沼液处理与农业废弃物资源回收中具有广阔发展前景。为此,该研究从介绍膜蒸馏的基本原理出发,就膜蒸馏处理沼液过程中最核心的氨氮与水分回收部分进行详细的综述,并针对沼液处理过程中的营养物质回收与减量化处理进行了综合分析,最后对膜蒸馏用于沼气工程中的可行性进行简要计算。相比于其他沼液处理技术,膜蒸馏可在低成本与低碳足迹下实现沼液的资源回收与减量化处理,其处理沼液的成本与反渗透过程基本一致。在无外部能源供给的沼气工程中,膜蒸馏更适用于高有机负荷沼液处理,或对反渗透后剩余的高浓度沼液进行处理。     

光催化降解沼液中四环素类抗生素效果及反应动力学研究

该文采用光催化降解途径探究沼液中四环素类抗生素降解的最佳光源、pH值以及光催化对不同初始质量浓度抗生素的降解效果,同时进行不同初始浓度、pH值条件下抗生素光催化降解动力学研究。结果表明:不同光源对四环素类抗生素的降解效果为:高压汞灯紫外消毒灯长弧氙灯无光。高压汞灯催化2 h后,四环素、土霉素、金霉素的降解率分别达到91.68%、85.58%、81.18%。四环素类抗生素的初始质量浓度越低,光催化效果越好。四环素、土霉素、金霉素初始质量浓度为5 mg/L时,其降解率最高可达94.80%、88.35%和95.39%,沼液初始pH值对四环素、金霉素的降解率影响存在显著性差异(P0.05)。当pH值为6时,四环素的降解率最大为96.16%,反应速率常数为1.5971h-1,半衰期为0.355 3 h;当pH值为10时,金霉素的降解率最大为90.47%,反应速率常数为1.084 4 h-1,半衰期为0.338 3 h。沼液初始pH值对土霉素的降解率影响无显著差异(P0.05)。当pH值为10时,3种抗生素的平均降解率最大为89.88%。采用高压汞灯在沼液初始pH值为10时,催化降解5 mg/L四环素类抗生素效果最佳。     

高通量测序分析新疆沼液中发酵微生物的多样性

利用高通量测序技术研究了5种新疆不同地区的沼气池(A08,A09,A010,A011和A012)的微生物群落结构和多样性。获得5个沼气池细菌和真菌的物种注释的运算分类单位(OTU)数目,其中细菌OTU数为2105,其相同的OTU数为225;真菌OTU的总数为2224,其相同的OTU数为178。以牛粪为底物的沼液样品A08,A09,A010细菌门相对丰度由高到低分别是拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门。以鸡粪为底物的沼液A011的细菌门主要是拟杆菌门和厚壁菌门,其相对丰度分别为58.5%和23.8%。以猪粪为底物的样品A012细菌门相对丰度由高到低分别是厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门。5种沼液样品中的主要真菌门是子囊菌门和担子菌门,其中子囊菌门占多数,相对丰度为72.7%～83.3%,担子菌门的相对丰度为4.3%～7.3%。新疆不同地区和不同底物的沼气微生物种类有很大不同,研究其不同微生物结构为制备高效沼气发酵菌剂提供了参考。     

Nitrogen availability of various biogas residues applied to ryegrass

Biogas plants in Germany are producing an increasing amount of biogas residues to be recycled via agricultural crop production. To test whether the wide range of various substrates used in the anaerobic digestion can affect the chemical composition and nutrient availability, seven biogas residues derived from different substrates were investigated with respect to their N supply to ryegrass. Both the short‐term and the long‐term N availability were studied in a 309‐d pot experiment lasting for five successive growth cycles each starting with a fertilizer application. The organic fertilizers were applied based on an equal amount of ammonium‐N (300 mg N per pot) and compared to mineral N from ammonium nitrate of equal dosage. Biogas residues varied greatly in their chemical composition (ammonium‐N 0.20% to 0.51%, N_total 0.36% to 0.75%, and C_org 1.85% to 4.75% in fresh matter). After the first growth cycle, the N availability of the biogas residues applied based on ammonium‐N was at least equal to that from ammonium nitrate. Differences in N offtake after one fertilizer application were negatively correlated to the C_org : N_org ratio of the organic fertilizers. After five successive fertilizer applications, the N utilization of most of the organic fertilizers was increased compared to that of the mineral fertilizer. It is concluded that biogas residues provide plant‐available N at least corresponding to their ammonium content and that the accumulation of organic N in soil through repeated application of biogas residues contributes to N release.     

新沼气 新风貌 新农村

党的十六届五中全会提出要大力开展社会主义新农村建设,以农村沼气建设为核心的“一池三改”在新农村建设中发挥了重要作用。笔者通过对四川省农村沼气建设和新农村建设情况的调查分析,肯定了以沼气建设为纽带的“一池三改”在社会主义新农村建设中的推动作用,总结了四川省在结合新农村建设中推广沼气的成功经验,指出了当前沼气建设中存在的不足,并提出了相应的对策建议。     

沼气中CO2含量对沼气灶性能的影响及对策

采用天然气掺混CO2的方法模拟沼气,在CO2体积分数为30％～50％条件下,测试了典型家用沼气灶的热工性能,研究了应对沼气气质变化的措施.结果表明:随C02含量的降低,沼气灶热流量增大,热效率升高,烟气中CO浓度升高,NOx浓度无显著变化.热流量大于3.26 kW时,现行测试方法不能真实反映热效率与CO2含量的关系.沼...     

退耕区户用沼气的生态环境效益评价

为了评价退耕区户用沼气的生态环境效益,该研究依托陕西省退耕区户用沼气减排项目,根据森林生态服务功能评估规范提供的固碳释氧量计算方法、清洁发展机制(CDM,clean develop mechanism)执行理事会公布的方法AMS-III.R和国际通用的减排量计算方法,采用保护林地面积、温室气体减排量和二氧化硫减排量3个指标对退耕区6个乡镇2543户农村沼气工程生态环境效益进行了评价。结果表明:退耕区农村户用沼气池的建设不仅保护了林地,增加了森林的覆盖面积,而且减少了温室气体和空气污染物SO2的排放。项目实施后,年保护林地507.77hm2、减排温室气体7428.40t(以二氧化碳计)、减排SO21594.57kg。该研究可为农村可再生能源的发展及生态环境的评估提供参考。