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。     

太阳能双级增温沼气发酵系统的增温效果

温度是制约沼气发酵产气效率高低的关键因素,尤其在冬季提高并稳定沼气发酵系统温度是低成本中小型沼气工程面临的技术难题。为了解决这一技术难题,在地处东经107.39°、北纬34.53°的陕西省凤翔县范家寨中学农村生态校园沼气系统中,进行冬季太阳能双级增温技术实验研究。结果表明,采用太阳能双级增温系统,能实现较好的增温效果：1）沼气发酵系统保温室内的温度晴天比温室外平均提高11℃,阴天平均提高4.8℃;2）沼气发酵系统集热室内的温度晴天比温室外平均提高11.8℃,阴天平均提高4.6℃;3）太阳能双级增温沼气发酵池内料液的平均温度为10±0.5℃,比不采用增温措施的沼气发酵池内料液温度平均提高6±1.0℃。     

太阳能-地源热泵联合供能系统研究现状

近年来,作为可再生能源领域中一种新型的热泵组合形式,太阳能-地源热泵系统得到了广泛应用。通过总结归纳出国内外太阳能-地源热泵式供能系统在建筑、温室及沼气工程等领域的研究现状;特别对该系统应用于大中型沼气工程,在微生物适应性、热负荷及经济环保方面进行了比较分析和阐述,并指出其应用前景。     

基于能值分析的规模化沼气工程沼液回流工艺生态效益评价

为评价沼气工程沼液回流以及不回流2种模式的优劣,该研究引入相对能值转换系数和生态投入能值的概念,给出了三沼分配产出能值的方法,并选取D(CSTR工艺)和L(USR工艺)2座具有代表性的沼气工程实例应用,每个工程均设定沼液回流和不回流2种模式相对应,利用能值评价指标对2座工程进行了详细的分析。结果表明D工程各项评价指标优于L工程,沼液不回流模式优于沼液回流模式;但当沼气工程无途径消纳产生的沼液时,回流模式可以降低沼液对周边环境的污染,此时沼液回流模式优于不回流模式,L工程周边土地较少,采用回流工艺使环境负载率由2.15降低为1.05,能值可持续指标由0.41增加到0.93。采用何种模式要根据工程实际情况而定,建议沼气工程每处理每吨VS(鸡粪)需配备的土地为0.5 hm~2/t,处理每吨VS(牛粪)需配备土地0.2 hm~2/t,当周边土地小于需配备土地时,沼气工程应适当采用沼液回流。     

带跟踪系统的太阳能加热装置促进沼气生产的研究（英）

该研究旨在探索如何利用太阳能增温系统促进沼气生产,研究对象为一个容积为100 m3的沼气发酵装置,该沼气装置位于陕西省淳化县润镇中学,用于处理该校公厕粪污。陕西省淳化县润镇1月的平均气温为-1.6℃,最低气温达-15℃,平均太阳辐射为4.5 kwh/m2,没有加热系统的沼气池在冬季基本停止产气,为解决这一问题,在润镇中学配套建设了由120 m2的日光温室和总面积为20 m2的热管太阳能集热器组成的太阳能增温系统,并配合使用电加热系统。在冬季,此太阳能系统每天可促进沼气发酵装置多生产12 m3沼气,产出的沼气可输送到学校厨房,具有较好的经济效益。此外,设计了带有自动跟踪系统的抛物面太阳能聚光器（PTC）和日光温室组合系统为沼气发酵装置增温,以期得到更好的增温效果和更高的沼气产量。     

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。     

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。     

江苏省大型沼气工程沼液理化特性分析

集约化畜禽养殖场沼气工程是一项提供清洁能源、减轻环境污染、潜力巨大的生物质能源工程。该研究采集了江苏省21个规模化养猪场和奶牛场内大型沼气工程的沼液样本,进行了氮磷钾等理化特性分析。结果表明,由厌氧反应罐排出的沼液呈中性至微碱性,还原能力较强。猪场和奶牛场沼液中总氮分别集中在400～900 mg/L和200～400 mg/L范围内,其中铵态氮占总氮量的70%以上;总磷分别集中在30～100 mg/L和300 mg/L以上,可溶性磷含量变异较大;总钾分别集中在100～500 mg/L和500 mg/L以上。沼气工程运行时间对沼液理化性状影响显著,运行时间越长系统稳定性越好。氧化塘对沼液中颗粒物、氮素和磷素有显著的削减作用,多级氧化塘处理效果更明显。     

能源生态环保型沼气工程的实践与思考

通过分析国内外沼气工程及畜禽污染物处理技术,结合经济发达地区土地资源制约现状,提出能源生态与环保结合型沼气工程模式的定位思路;在实践中形成发酵贮液沉淀一体化混合式主体工程、节能型发酵设备运行系统、分流式污染物处理工艺、沼液沼渣多级处理利用系统、农业废弃物循环利用产业和环境友好型奶牛生态养殖模式;建议沼气工程应定位于农业基础性产业,由政府公共财政资金投资建设为主体,并实行企业化管理。     

畜禽养殖场沼气工程厌氧消化技术优化分析

为推进畜禽养殖场沼气工程高效运行,提高其厌氧消化效率,该文选择了3座沼气工程,对其厌氧消化工艺、工程运行管理和投入产出情况进行分析探讨。在此基础上,提出中国畜禽养殖场沼气工程建设厌氧消化技术的优化运行方案：完全混合式厌氧反应器、升流式固体反应器和高浓度推流式反应器适用于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料的“能源生态型”沼气工程;与厌氧消化工艺相匹配的要素是沼气工程日常调控的重点;热电肥联产能够实现沼气工程效益的最大化;利用太阳能加热、沼液回用发酵可以节约能源,降低工程运行成本。     

地源热泵式沼气池加温系统

沼气是适合在中国农村推广利用的可再生能源。为解决冬季沼气池产气量受低温影响的问题,该文分析了现有的几种沼气池加温保温方式,提出了一种地源热泵式的新型加温保温方法,并在实际工程上进行了运行试验。结果表明：地源热泵式加温保温方法能够使沼气池的发酵温度保持在(32±2)℃范围内,池容产气率保持在0.6 m3/(m3·d)左右,有时候可以达到1.1 m3/(m3·d)。系统运行期间,地源热泵机组制热效率保持在3.6左右,系统COP为2.7左右,一次能源利用系数可达到0.84;相对于电热膜加温系统,采用地源热泵式加温系统节能率达到63%,增加投资效益净现值为40 188.5元。与化石能源热水锅炉加温方式相比无污染,具体良好的环境效益。因此,地源热泵式沼气池加温是一种经济合理、环保节能的加温方式,具有开发应用潜力。     

立式连续干发酵装置的设计与产气特性

该研究设计的立式连续干发酵装置的几点特色包括搅拌升温调节罐、多点分布式进料、立式连续干发酵反应器和熟料回流混合过程,形成一种高固体浓度有机废弃物制取生物燃气的工艺方法及其发酵系统,可实现沼气工程的快速启动、厌氧发酵罐内无需搅拌、且节能,节水,减少沼液沼渣的排放量,保护环境,降低成本。采用上述设计的反应器进行发酵试验,研究熟料回流对产气特性的影响得出,应用回流的各组挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFA)都有所降低,且回流比为1:7的VFA含量最低,氨氮没有累积,C/N接近25,产气效果最好。回流比1:9组,VFA含量累积最高,同时出现氨氮抑制产气的现象,所以得出熟料回流量过多,厌氧发酵系统就会受到抑制,且熟料回流对沼气中甲烷含量没有显著影响。     

基于稻田土壤肥力及生物学活性的沼液适宜用量研究

【目的】沼液为养殖业废弃物,含有多种作物生长所需的有机和无机养分,其循环利用具有重要的生态和经济意义。本文通过研究施用沼液对稻田土壤肥力及土壤生物学特性的影响,提出稻田的适宜沼液用量。【方法】以“黄秀软占”为试验材料,2013年在广东省博罗县连续开展了2茬大田试验,以不施肥(CK)和施常规化学肥料(CF)为对照,设施用沼液200、 400、 600、 800和1000 m3/hm2 5个水平,依次记为BS200、 BS400、 BS600、 BS800和BS1000。分析了施用不同量沼液稻田土壤主要养分和酶活性,并采用PCR-DGGE 方法研究了土壤微生物区系的变化。【结果】稻田土壤有机质、 碱解氮、 有效磷和速效钾的含量随沼液用量的增加而提高,连续施用沼液存在累积叠加效应; 第一茬试验土壤pH随沼液用量的增加而下降,连续施用2茬土壤pH随沼液用量的增加而升高。施用沼液与不施肥和施用化肥相比,能够提高土壤蔗糖酶、 脲酶和酸性磷酸酶活性。微生物群落多样性指数早稻以800 m3/hm2处理、 晚稻以600 m3/hm2处理最优,土壤微生物群落相似系数随沼液用量的增加而降低,且晚稻各处理间差异程度大于早稻。主成分分析表明,早稻第一主成分反映了土壤理化指标和微生物丰度,晚稻第一主成分反映了除脲酶以外的所有理化因子、 酶活性和微生物群落指标信息,说明连续施用2茬沼液对土壤理化因子、 尤其是对生物活性产生了重要影响。【结论】施用沼液能够提高稻田土壤有机质、 碱解氮、 有效磷和速效钾,在水稻生产上具有较好的应用价值。施用沼液为400~800 m3/hm2时能够提高土壤酶活性,并改善土壤微生物群落结构,综合沼液对土壤肥力和生物学特性的影响,且连续施用沼液具有一定的累积效应,建议稻田生态系统沼液的适宜用量为600~800 m3/hm2。     

寒区沼气工程地下水源热泵加热系统能效分析

在北方寒冷地区,沼气工程加热系统如何能有效、合理地利用能源,提高能源利用率,是沼气工程实现低能耗,高产能必须解决的现实问题。该文依据地下水源热泵加热系统在沼气工程中应用的实例,建立了以?效率、热效率以及能级系数为评价准则的沼气工程加热系统能效分析模型,并通过对加热系统实际运行参数的测试,得到了沼气工程用户系统?效率为97.8%,地下水源热泵机组系统?效率为13.4%,沼气工程加热系统总的?效率为13.1%;加热系统总的热效率为85.3%;沼气工程用户耗热量的能级系数为0.161,用户供给热量的能级系数为0.164,地下水源热泵机组的能级系数为0.567。结果表明,对于沼气工程低品位热能用户,采用低温水供热科学合理;热泵机组系统回收了地下水中低品位热能,节约了高品位电能,加热系统能的数量有效利用程度较高;但热源与用户之间供需能质存在差异,在能质利用方面还需进一步完善。该结论可为今后沼气工程选择合理的加热模式提供参考依据。     

沼液对水稻生长产量及其重金属含量的影响

沼气发酵残余液（沼液）是一种典型的优质有机物料,目前我国每年产生2亿多吨的沼液,农业生产中寻求沼液的资源化利用,对避免环境二次污染和实现畜禽养殖业的生态可持续发展具有重大的现实意义和社会意义。在田间小区试验条件下,以粳稻‘亚优红一号’（OryzasativaL．）为试材,就沼液作为肥源代替化学肥料施用对其营养生长、稻谷产量及稻米中重金属含量的影响作了初步探讨。结果表明,沼液作基肥,追肥施复合肥获得的水稻产量最高,达55．9g·plant^-1。虽然与当地习惯施肥（基肥和追肥施复合肥）相比稻谷产量没有明显差异,但是基肥用沼液代替化学肥料,显著降低了水稻生产成本。同时,沼液作基肥,迫施复合肥明显促进了水稻分蘖和生长,虽然稻米中Cu、Cd含量没有显著变化,但强化了稻米Fe、zn营养,显著降低了Pb含量,明显提升了稻米营养品质。可是,试验结果也显示,沼液完全代替化学肥料施用对水稻生长及其产量形成是不利的。     

基于层次分析法和模糊综合评价的沼气工程技术筛选

不同沼气工程技术对地域自然条件、环境制约条件、原料种类等因素的适应性有较大差异,科学客观的沼气工程技术筛选方法,是保证沼气工程长期稳定发挥其最大能效的重要基础。该文提出了基于层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和模糊综合评价的沼气工程技术筛选方法和决策流程,构建了沼气工程技术筛选的指标体系;以领域专家实地调查结果为基础,通过AHP法获得沼气工程技术筛选不同指标的权重,然后采用模糊综合评价方法对沼气工程技术进行排序。利用该方法筛选的结果与武汉地区的实际运行效果一致。采用AHP和模糊综合评价方法相结合解决复杂的多因素决策问题,既能克服AHP指标不易量化的主观性,又能避免模糊综合评价方法对指标权重的忽视,可为沼气工程技术筛选提供科学方法。     

Effects of biogas and raw slurries on grass growth and soil microbial indices

Biogas slurry is increasingly used as fertilizer. Earlier research was focused on plant growth and soil chemical properties, with only little information available regarding the effects of biogas slurry on soil and root microbial indices. For this reason, a 70 d pot experiment was conducted in which biogas and raw slurries obtained from six biodynamic farms were added to a soil. Italian ryegrass (Lolium multiflorum Lam.) was cultivated to investigate the effects on plant yield, N uptake (two harvests), soil microbial biomass, soil fungi, and root‐colonizing microorganisms. Biogas slurries increased the mean total above‐ground plant biomass by 66% and raw slurries by 35% in comparison to the control. The mean plant N‐uptake increased under biogas and raw slurry application by 166% and 65%, respectively, compared with the unfertilized pots. The effects of biogas and raw slurry application on soil microbial indices were similar except for the lower fungal biomass after biogas slurry amendment. In contrast to biogas slurries, the raw slurries significantly increased microbial biomass C and N by roughly 25% in comparison to the control. The application of biogas slurries significantly decreased the soil ergosterol content in comparison with raw slurry and control treatment, leading to a significantly lower ergosterol : microbial biomass C ratio. In the roots, biogas and raw slurry application significantly decreased the concentrations of the amino sugars galactosamine and glucosamine by 39 and 27%, respectively, but not that of ergosterol in comparison with the control. This was most likely due to a reduced colonization with arbuscular mycorrhizal fungi in the presence of highly available plant nutrients.     

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。