稻秸预处理厌氧强化产挥发性脂肪酸研究

利用秸秆厌氧发酵技术进行挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)生产,是一种极具前景的秸秆新型高值化利用方向。研究了水热、稀酸、稀碱等预处理方式在中温35℃、高温55℃、超高温70℃等发酵产酸温度条件下的产酸率及过程参数。结果表明,不同预处理条件对挥发性脂肪酸转化率影响从大到小为Ca(OH)_2、HCl、水热预处理,碱性发酵较酸性发酵更有利于厌氧产挥发性脂肪酸进行。Ca(OH)_2能够有效地溶解木质素,35℃时Ca(OH)_2的木质素去除率为63.27%,远高于相同温度的水热处理组的12.45%和HCl处理组的12.40%。中温条件下秸秆挥发性脂肪酸产率最高,虽然35℃时因为温度较低使得秸秆降解率不高,但因该温度下被降解的秸秆转化为挥发性脂肪酸的效率高,从而获得了最高的产酸率,各预处理组单位降解底物产酸率在35℃和70℃分别为0.79~1.20 g/g和0.24~0.51 g/g。最佳的碱处理组35℃的挥发性脂肪酸底物挥发分转化率为0.25 g/g,而70℃时仅为0.09 g/g。研究结果为稻秸厌氧强化产挥发性脂肪酸的预处理和温度等选择提供了一定的理论依据。     

不同有机固体废弃物水解产酸特性研究

在实验室条件下,考察了农村常见的3大类10种有机固体废弃物水解产酸特性及其作为秸秆两相厌氧发酵水解相混合原料的可行性,对原料水解过程中水解液的pH值,COD,挥发性脂肪酸(VFAs)组成及含量进行了分析.结果表明,不同原料水解产酸特性存在较大差异,但也有一定的共性,在实验用10种废弃物中,除白菜残体外,其他9种废弃物水解液中VFAs组成均为乙酸占绝对多数,白菜残体、鸡粪和包菜帮水解液中丙酸含量较高,西兰花秆和西瓜皮中异丁酸含量较高,其他原料水解液中丙酸、丁酸和戊酸含量均较低甚至未检出;在实验用10种原料中,厨余垃圾水解产酸的效果最好,水解液pH值最低达3.64,COD最高达65992 mg·L-1,且VFAs中以乙酸为主,不会对后续产甲烷产生抑制,最适合作为秸秆两相厌氧发酵水解相的混合原料.从各物料水解产酸特性看,这10种废弃物均可作为厌氧发酵产沼气的原料,但厨余垃圾、包菜帮和西兰花秆厌氧发酵产沼气时需提防酸抑制影响产气的问题.     

两步预处理对厌氧消化产酸纤维酶解和沼气发酵的影响

对厌氧消化产酸纤维(挥发性脂肪酸生产废渣)进行了酶解糖化和沼气发酵实验研究,探索了乙酸氨水两步预处理对木质纤维素降解、葡萄糖浓度、木糖浓度和沼气产率的影响。结果表明:乙酸氨水两步预处理进一步降解了厌氧消化产酸中的半纤维素和木质素,而且纤维素回收率较高,为77.47%~81.44%,其中4%乙酸处理和10%氨水处理实验组的纤维素质量分数达到56.82%,半纤维素质量分数仅为7.94%;在上述预处理条件下,酶解糖化效率最高,葡萄糖质量浓度达到47.46 g/L,葡萄糖得率为67.73%;同时在此乙酸氨水两步预处理条件下的沼气产率明显优于单独乙酸和单独氨水预处理,获得的最高沼气产率为414 mL/g,有效提高了厌氧消化产酸纤维的产气效率。     

牛粪与玉米秸秆混合原料干发酵试验初报

本实验设置50%玉米秸秆加50%牛粪的配比与纯牛粪两种原料进行沼气发酵,发酵TS浓度20%。结果表明,混合发酵原料所产沼气量明显高于纯牛粪产沼气量,并且持续时间长。恒温35℃发酵的产气量明显高于常温下发酵的产气量。     

酸化处理提高玉米秸秆厌氧消化性能及其优化研究

为了提高木质纤维素的水解效率,酸化相的出料被用来提高玉米秸秆的厌氧产甲烷性能,文章利用单因素方法考察了原料负荷、酸化时间和接种量对挥发酸浓度(VFAs)的影响,采用响应面方法对玉米秸秆酸化相水解产酸构建二次回归模型进行优化,然后将酸化相出料接种厌氧污泥后进行产甲烷试验,比较酸化后玉米秸秆的甲烷产率,得出挥发性脂肪酸产率和甲烷产率关系的数学模型。结果表明,酸化时间为5 d,接种比为6,有机负荷为50 g TS·L~(-1)时产酸效果最优,VFAs产率为270. 50 mg·g~(-1)TS。3个因素对VFAs产率的影响依次为接种比有机负荷酸化时间。在最优酸化条件下甲烷相出料的系统稳定性好,甲烷产率为285. 97 m L·g~(-1)TS,比未处理组提高了81. 52%,回归性分析结果表明甲烷产率与VFAs产率有较高的相关性。因此,水解酸化可以明显提高木质纤维素的降解效率和甲烷产率。     

秸秆预处理产沼气对比试验

进行了不加菌剂预处理秸秆(A组)、用复合菌剂B1预处理秸秆(B1组)、用复合菌剂B2预处理秸秆(B2组)、不加菌剂预处理秸秆与猪粪混合(C组)4种不同处理方式的秸秆产沼气对比试验,结果表明:用菌剂预处理过的秸秆试验组(B1组和B2组)和秸秆与猪粪混合发酵组(C组)的平均产气量均高于不加菌剂预处理的纯秸秆对照组(A组),分别提高了33.65%,38.32%,39.31%;用复合菌剂预处理过的秸秆产沼气启动时间比不加菌剂预处理的纯秸秆快4天;两组加菌剂预处理过的秸秆的沼气产气量和产甲烷量相差极小.     

稀酸稀碱预处理的稻秸两步厌氧发酵性能分析

基于两步厌氧发酵工艺,对比稀酸、稀碱预处理条件下的稻秸降解规律和水解液产甲烷潜力。HCl质量分数为0.5%~2.5%范围内(60℃),1.0%和1.5%的水解液COD值最高,HCl水解时稻秸半纤维素下降幅度大,水解液中葡萄糖质量浓度较低。Na OH质量分数为0.5%~4.0%范围内(60℃),0.5%和1.0%的水解能力弱,2.0%和3.0%时水解效率高,当Na OH质量分数高于2.0%时,纤维素、半纤维素和木质素均下降,木质素降解率最高。酸、碱实验组固液比为7.5%时均有良好的水解效率。以HCl和Na OH水解液序批式产甲烷,5个进料周期中HCl水解液COD的平均单位质量产气率为631~906 m L/g,Na OH实验组为340~373 m L/g,单位质量产气率受进料浓度差异的影响较小,主要受酸、碱等不同水解方法的影响,酸、碱实验组发酵类型不同,酸实验组的产酸过程更充分。     

稻秸好氧厌氧两相发酵工艺与产气特性研究

木质纤维素水解困难是制约秸秆沼气生产效率提高的主要因素,针对秸秆的木质纤维素难降解问题,提出湿法好氧厌氧两相发酵工艺。在中温37℃的条件下,水解产酸发酵容器不密封,采用搅拌供气、不供气的好氧水解方式,进行两相发酵实验。结果表明,好氧厌氧两相发酵工艺能够显著破坏稻秸的木质素结构,提高木质素降解率,其搅拌供气组的木质素降解率可达4.57%,而单相厌氧发酵结束时的木质素降解率仅为0.13%,两相发酵工艺的TS产气率可达到411.19 m L/g,较单相厌氧发酵高30%左右。表明好氧厌氧两相发酵工艺可有效降解木质素并提高产气率。     

接种量对产气肠杆菌同步糖化暗发酵产氢的影响

文章以小麦秸秆为原料,研究了不同接种量对产气肠杆菌同步糖化发酵产氢的影响,以期寻求最佳的接种量条件。试验以累积产氢量、产氢速率等指标来分析产气肠杆菌利用小麦秸秆进行同步糖化发酵产氢的潜力及其可行性。结果表明:在以反应液体积为200 mL,底物为5 g小麦秸秆,酶负荷为150 mg·g~(-1)秸秆、初始pH值为6.5,温度为35℃的条件下,接种量为30%时产氢效果最好,此时的累积产气量达到737 mL,累积产氢量达到293mL,最大产氢速率为35.42 mL·h~(-1)L~(-1)。该实验研究为秸秆类生物质同步糖化厌氧暗发酵产氢的进一步研究奠定了基础并提供了科学参考。     

不同预处理条件对水稻秸秆厌氧消化产气性能的影响

为探索合理的预处理方法以实现水稻秸秆的高效厌氧消化,笔者研究了NaOH,H_2SO_4与纤维素酶处理3种预处理方法对水稻秸秆厌氧消化产气性能的影响。将经预处理的60 g干物质的水稻秸秆放入发酵瓶中,在恒温(35℃±1℃)下进行沼气发酵试验。比较不同质量分数的NaOH,H_2SO_4,不同投加量纤维素酶预处理水稻秸秆的厌氧发酵效果,综合原料分解程度、总产气量、气体组分含量变化等指标,得出6%NaOH,2%H_2SO_4,纤维素酶添加量为40 U·g-1TS的预处理效果要分别优于同一组中其余质量分数的NaOH,H_2SO_4和不同添加量的纤维素酶;对比不同处理方法预处理水稻秸秆厌氧发酵产沼气的效果,经过纤维素酶预处理的单位固体发酵产气量、底物分解率、甲烷体积百分数总体表现优于对照组、NaOH以及H_2SO_4预处理组。因此,生物预处理可能成为今后水稻秸秆沼气工程较理想的预处理方法。     

基于PIV的循环式生物絮团系统涡旋分离器内流场研究

为分析循环式生物絮团系统涡旋分离器的内流场特性,基于非接触式流场测试PIV (Particle image velocimetry)技术对试验规模涡旋分离器内流场进行测量,分析了该涡旋分离器在不同水力停留时间工况下(248、83、49 s)涡旋分离器内部流场的合速度、分速度和涡量等分布情况。结果表明:不同水力停留时间条件下,涡旋分离器内套筒内部区域的左下角和上部区域均表现一定的涡旋,同时随着水力停留时间的加快,中间内套筒内的颗粒速度方向大致相同,仅在筒壁附近产生小的二次流,同时沉积仓内的颗粒速度方向趋于一致;虽然水力停留时间加快,但轴向和径向的合速度变化不大,且不同速度占据的比例基本相同;不同工况下顺时针和逆时针涡量基本相同,且水力停留时间越慢,流场的涡量相对越小,并随着水力停留时间加快涡量分布趋向均匀,即高涡量区域逐渐增加; PIV试验由于激光能量一定,其穿透能力有限,因此,对于复杂结构的PIV试验所获得的结果有待改进。     

太阳照射对发酵罐散热的影响分析

为了研究太阳照射对沼气工程发酵罐散热量的影响,文章以北京某沼气工程为例,建立了发酵罐散热的一维稳态模型,对散热进行了分析,找出了各部分热量损失的关系;根据发酵罐地理位置,对太阳照射下发酵罐表面受到的直接辐射、大气散射和地面反射进行了分析,对表面吸收及有效传导入罐内的能量进行了计算。结果表明,在冬季由于太阳辐射弱、散热量大,太阳辐射对发酵罐散热的影响非常小,十二月份减小散热量仅为3.77%,夏季日照时间长、太阳辐射强、散热量小,太阳辐射对发酵罐散热的影响变大,七月份可减小24.70%的散热量。实验验证修正后散热计算与实际散热误差不超过8.6%,该方法可用于预测发酵罐的运行能耗。     

CO_2气调贮存秸秆及对厌氧发酵产沼气性能的影响研究

厌氧发酵产沼气是秸秆利用的主要途径之一,而秸秆的有效贮存是保障秸秆沼气工程周年稳定运行的关键。该研究以麦秸为试验材料,研究了含水率为75%的麦秸,在氧分压分别为21%(未气调),17%,13%条件下贮存30天的性状变化,通过中温厌氧发酵试验探索贮存后麦秸的发酵潜力。结果表明,未气调的麦秸贮存30天后,干物质损失率为36.73%;而进行气调的处理组,氧分压分别为17%,13%,其干物质损失分别为12.56%和11.00%,分别较对照组降低了24.17%和25.73%;未气调贮存的麦秸TS产气量分别为66.25±0.53 mL·g^-1TS,氧分压为13%的麦秸TS产气量(191.93±1.54 mL·g^-1TS)比氧分压为17%的麦秸TS产气量(171.43±1.22 mL·g^-1TS)提高了11.9%。结果表明:气调作为麦秸贮存与预处理方法,在技术上是可行的,可以确保沼气工程周年稳定运行的原料供应。     

接种量对农牧业混合原料干发酵产气性能的影响

为了更高效、环境友好化地利用甘肃省玉米秸秆和甘蓝尾菜等生物质资源,文章研究接种量对混合原料干发酵过程产气性能与启动速度的影响。试验在中温(37℃±1℃)TS为20%条件下,不同数量接种污泥与牛粪玉米秸秆或牛粪甘蓝菜叶混合后的干发酵过程,监测了接种量分别为20%,30%,40%时pH值、氨氮含量、日产气量、甲烷含量、累计产气量和累计产甲烷量等参数变化。结果表明:当接种污泥与牛粪玉米秸秆混合时,接种量40%的混合原料干发酵累计产气量最高,为207.46 L,平均甲烷含量52.2%,日最高产气量为11.76 L,日平均容积产气率为1.09 L·L^-1;当接种污泥与牛粪甘蓝叶混合时,接种量为30%的混合原料干发酵累计产气量最高,为159.96 L,平均甲烷含量47.8%,日最高产气量为8.90 L,日平均容积产气率为0.84 L·L^-1;除20%接种量与牛粪玉米秸秆混合试验组第3天才开始产气外,其余干发酵均在第1天就开始产气;由于接种污泥的缓冲作用,所有厌氧干发酵过程中氨氮含量一直低于1500 mg·L^-1,没有发生厌氧反应被抑制的现象。混合原料恒温干发酵可以实现生物质资源更合理的应用。     

L型侧槽溢洪道进口段水力特性试验及三维数值模拟研究

侧槽溢洪道被广泛运行于水利工程,但由于受场地、投资等限制,部分工程采用正堰与侧堰相结合的L型布置,导致槽内水流结构更加复杂。以景宁某工程溢洪道为例,采用Flow3D三维仿真软件模拟了L型侧槽溢洪道进口段的水流结构,并结合水工模型试验,对槽内的水流流态、流速分布、水面线、压强和消能率等水力特性参数进行了对比分析。结果显示L型溢洪道侧槽内正、侧堰两股水流相互作用后,可有效提高过流能力,降低侧槽内水位,增加消能率;其次,数值模拟计算结果与水工模型试验基本吻合,进一步表明三维数值模拟在研究复杂水流结构时的可行性,成果可为类似工程的研究提供参考。     

尾菜与小麦秸秆两级联合厌氧发酵工艺的研究

文章对尾菜和小麦秸秆两级联合厌氧发酵工艺进行了研究,结果表明,第1级尾菜发酵后的沼液用作第2级发酵的接种物,对小麦秸秆进行喷淋和浸泡,有效地提高了产气率,缩短了产气周期。试验结果显示,在中温(35℃)发酵条件下,尾菜厌氧发酵最大负荷为3.2 kg·m^-3d^-1TS,容积产气率为2.72 m^3·m^-3d^-1;小麦秸秆厌氧干发酵启动时间加快至1～2 d,发酵周期缩短至40 d,小麦秸秆和尾菜沼液混合原料TS产气率达到334.26 mL·g^-1。     

多屏绝热辐射管道数值模拟分析

通过对直埋蒸汽管道内部空气层的数值模拟,得出当空气层厚度大于10 mm时应考虑对流传热影响并修正空气导热系数的结论。应用修正后的空气导热系数模拟计算不同结构蒸汽管道的温度场及外护钢管温度,分析屏蔽反射层的种类、数量,空气层厚度等条件变化对供热管道工作时温度场的影响。     

基于物联网云技术的农业基地综合管理系统

针对小型农村农业基地的诸多问题,结合目前比较先进的4G通信技术、云数据库及云服务技术、物联网技术、移动互联网APP技术、GIS技术等先进技术,在自主研发双核多功能物联网采集装置的基础上,通过综合管理云系统总体构架的改进,实现了一套投资成本小,结构合理、操作方便、适合于小型农村农业基地应用的综合管理系统。应用实践表明,该系统有限解决了小型农村农业基地的诸多问题,可以产业化推广与应用,具有很好的价值与意义。     

等氮量替代原则下沼液部分替代化肥技术方案

在土壤基肥施用翻耕前,采用沼液漫灌对于矫治土壤连作障碍、提高土壤肥力具有显著作用。结合这种沼液的施用方式,拟定沼液替代化肥的技术方案可为沼液的资源化利用及化肥使用的减量化提供一种可行的技术措施,从而有效缓解沼液的消纳困境,间接促进畜禽粪便的资源化利用。文章提出了等氮量部分替代原则下沼液替代化肥的技术方案,并举例说明了沼液用量、化肥减量等参数的计算方法,拟定出沼液替代后化肥的施用方案,依次试验分析了技术方案实施的应用效果,结果表明:技术方案实施后,每亩蔬菜可减少尿素、重钙及硫酸钾用量依次为9.65 kg,22.72 kg和10.92 kg;蔬菜品质有明显提升,蔬菜增产7.92%,每亩蔬菜可增加收入5830.6元。     

沼液施用对设施土壤饱和导水率的影响

为探求沼液灌溉对土壤饱和导水率的影响。系统研究了不同沼液配比及灌溉量对番茄根区不同深度土壤的pH值、容重、总孔隙度、颗粒机械组成、含水率和有机质的变化规律,进而分析对土壤饱和导水率的影响。灌施沼液能一定程度降低土壤pH值,降幅为1.25%～3.75%;施用沼液可以降低土壤容重,降低幅度在2.13%～8.97%之间;灌施沼液可以降低土壤砂粒含量,增加土壤粉粒及黏粒含量;随着沼液灌溉配比增大以及沼液灌溉量的增加,不同土层深度的总孔隙度均呈现增加的趋势;土壤含水率与沼液配比无关与沼液灌溉量呈正相关,土壤含水率随土层深度呈抛物线变化;垂直剖面上,沼液灌溉处理土壤剖面的饱和导水率都随土壤深度的增加而下降;有机质对土壤饱和导水率的影响阈值为18.51 g/kg。多元逐步回归分析表明土壤容重、黏粒含量以及土壤有机质含量是影响土壤饱和导水率的主要因子,建议沼液合理的配比及灌溉量应控制为T2处理,但是其长期施用效果还有待于进一步验证。