不同预处理方式下水稻秸秆厌氧消化性能比较

以水稻秸秆为原料,在恒温35℃和料液总固体质量分数为5%的条件下,以实验室内培养的不产气厌氧活性污泥为接种物,研究了稀碱水解、尿素氨化、生物酶解以及沼液预处理4种不同方式对秸秆厌氧发酵物能转化率、发酵周期、失重率以及木质纤维含量等方面的影响。结果表明,1.5%NaOH及6d生物预处理可明显改善水稻秸秆干物质(totalsolid,TS)产气率,较空白分别提高44.0%和44.6%。0.4%低质量分数尿素预处理无法有效改善水稻秸秆的甲烷转化率,但通过调节C/N比可明显缩短发酵周期。与其他3种预处理相比,沼液预处理在提高秸秆物能转化率、缩短产气周期方面均有优势,其TS产气率达到333.9mL/g,TS产甲烷率达到180.7mL/g,分别较空白提高27.9%和21.2%。通过对厌氧发酵前后稻秆木质纤维含量比较分析,产气率与失重率有一定的关联,1.5%NaOH处理样品发酵后纤维素、半纤维素损失最大,但沼液中高浓度的COD增加了后续处理的难度。因此秸秆沼气工程预处理方式的选择不仅需要考虑产气率的提升,也要顾及沼液后续处理等问题。沼液预处理可能成为今后水稻秸秆沼气工程较理想的方式。     

玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵产沼气工艺优化

该研究针对农村户用沼气发酵中粪便类发酵原料不足、影响沼气池利用率的问题,为弥补沼气发酵原料单一及不足,将秸秆、粪便混合作为发酵原料,对秸秆粪便混合原料厌氧发酵产沼气的工艺条件进行优化研究,旨在为农村户用沼气工程的健康、稳定运行提供一定的科学依据。在前期单因素试验的基础上,采用二次回归正交旋转组合设计,以产气量为响应值,研究玉米秸秆与猪粪质量比、温度、pH值、接种物质量分数4个因素对玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵的影响,得出产气数学模型,并对数学模型进行了理论分析。通过上述试验研究,得到最佳工艺条件为:玉米秸秆与猪粪质量比为1∶1、pH值为7.5、接种物质量分数为50%、温度30℃,预测产气量为18.51 L。4因素影响主次顺序依次为原料玉米秸秆与猪粪质量比、温度、接种物质量分数、pH值;通过验证分析,模型预测值与试验值之间相对误差小于5%,方差分析不显著,模型拟合较好,为提高粪便秸秆混合原料发酵产气量和提高发酵效率提供参考。     

生物复合菌剂处理秸秆产沼气研究

利用农作物秸秆作为产沼气的原料,解决了农村产沼气发酵原料缺乏的问题。用生物复合菌剂预处理后的秸秆直接作为产沼气的发酵原料,加快了产沼气的启动时间,启动时间只需2~7 d;其产气量比对照提高了42.15%~52.35%。     

沼气发酵工艺参数对沼气及沼液成分影响的实验研究

本文是结合上海市科委的上海市重大科技攻关项目:崇明岛生物质能循环型应用技术的研究与示范(编号:05dz12010)展开。采用新鲜的猪粪为原料,以崇明前卫村沼气池中上次正常发酵的沼液为接种物,在上海交通大学生物质能研究中心自制的小型沼气发酵装置上发酵产气。同时对发酵过程中的沼液和沼气取样检测。本文对影响沼气发酵的接种物选择进行了研究。实验测定了发酵过程中沼液的全氮、水溶性磷和速效钾含量以及产气量和产气成分,发现使用驯化过的接种物有利于提高沼气产气量和产气中甲烷的含量,并能最大限度的保留沼液中的营养成分。本文通过上述这些研究为沼气的工业生产和市场化运作打下了一定理论基础。     

好氧预处理对干法沼气发酵产气量的影响及能量损失

研究好氧发酵预处理对干法沼气发酵产气效果的影响及能量损失情况,是以好氧发酵升温为预处理方式的干法沼气工程经济运行的重要依据.该文采用恒温沼气发酵装置,以牛粪及少量混合秸秆粉作为发酵原料,研究了不同好氧发酵预处理条件下,干法沼气发酵的产气效果并对其能量损失情况进行了分析探讨.结果表明:以牛粪为主要发酵原料时,好氧预处理对物料干法沼气发酵的产气量有较明显影响,随着好氧发酵时间增加和温度提高,总产气量减少,能量损失增大;好氧发酵预处理温度与沼气发酵温度相同(均为35℃)时,能量损失较少,好氧发酵升温法合理;好氧发酵预处理温度(55℃)显著高于沼气发酵温度,好氧发酵升温法会带来较大能量损失.因此,在对覆膜槽生物反应器操作时,应准确把握好氧发酵的时间和温度,一旦达剑所需温度,应立即转入沼气发酵,以提高沼气产量,减少能量损失.     

秸秆床厌氧发酵产沼气系统优化试验

针对前期研究中发现秸秆床反应器内秸秆在发酵后期上浮、进水短流等问题,采取在秸秆床反应器内增加导气管、在秸秆捆底部预留缓冲空间以及2种方式组合的方式,研究改进措施对秸秆床反应器及整个发酵系统产气、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除等的效果。结果表明:直接以打捆秸秆为固定相,以猪粪废水为流动相的处理在猪粪废水有机负荷为2.13 kg/(m3/d)条件下出现轻度酸化,产气受到明显抑制,日产气量明显低于其它处理,继续提高猪粪废水有机负荷后各处理间无明显差别;采用增加导气管、增加缓冲空间以及导气管+缓冲空间的方式改善了秸秆床反应器内发酵环境,未出现酸化现象,日产气量稳定性明显提高。试验结束时,各处理秸秆床反应器累积产气量较对照分别提高了18.90%、9.05%和22.48%,累积产甲烷量较对照分别提高了23.02%、9.34%和25.21%;采用该研究提出的改进措施对二级反应器产气组成无明显影响,各处理平均甲烷含量均在68%左右,对整个秸秆床发酵系统累积产气量、平均甲烷体积分数以及COD去除率无明显影响。以上结果表明,在秸秆床反应器内增加导气管对提高反应器产气量、甲烷含量及产气稳定性有较好的效果,在条件允许的情况下可以考虑在反应器底部增加缓冲空间。     

Ca(OH)2 预处理对水稻秸秆沼气产量的影响（英）

生物质材料经碱预处理后的发酵效率和甲烷产气量明显增加。为了提高预处理技术的经济效益及简化其工艺流程,利用自行设计的可控性恒温发酵装置,以秸秆为发酵原料,研究发酵沼液以及Ca(OH)2预处理对于水稻秸秆厌氧发酵产气量的影响。结果表明,与对照相比,沼液和Ca(OH)2预处理后的水稻秸秆木质素、半纤维素和纤维素含量显著降低,产气量明显提高。其中,Ca(OH)2预处理的产气量高于沼液预处理,8%浓度的Ca(OH)2下的秸秆产气量最高,为14374mL,比对照增加100.91%。该研究认为采用Ca(OH)2预处理水稻秸秆不仅简洁方便,成本低廉,而且具有较高的沼气产量,因此,可作为提高户用沼气产气效率的方法。     

汽爆预处理青玉米秸秆厌氧发酵特性

为了研究青玉米秸秆未汽爆和汽爆预处理后厌氧发酵产沼气特性,该文采用汽爆压力为2.5MPa,保压时间为90s,加入质量分数为30%的沼液,未气爆青玉米秸秆的TS(总固体物)质量分数为6%,汽爆预处理青玉米秸秆厌氧发酵的TS质量分数分别为1%、2%、3%、4%、6%、8%、10%和15%,考察了厌氧发酵过程中pH值和产气量随时间和TS质量分数的变化。结果表明:未汽爆秸秆在TS质量分数为6%时能够顺利厌氧发酵,但汽爆秸秆厌氧发酵液极易酸化,且无法调节,适宜的TS质量分数最大为4%;未汽爆秸秆挥发性固体产气率为214.6mL/g,汽爆秸秆在TS质量分数为3%时产气率最大,为334.8mL/g,比未处理秸秆提高了56%;未汽爆秸秆的产气速率为3.3mL/(g·d),汽爆秸秆产气速率随TS质量分数增大而减小,在TS质量分数为1%时最大,为14.8mL/(g·d)。青玉米秸秆经汽爆预处理后其厌氧发酵产沼气的产气率和产气速率大大提高,可以节约发酵时间,缩短发酵周期,有利于秸秆能源化利用的工业化生产。     

太阳能蒸汽爆破和微波预处理对玉米秸秆产沼气的影响

为提高秸秆沼气工程效率,该文以玉米秸秆为原料,分别采用太阳能蒸汽爆破和微波辐射2种方法对其进行预处理,考察中温(35℃)条件下2种预处理方法的产沼气效果。试验结果表明:在接种量200g、发酵温度35℃、启动负荷22.6g/L(以总固体TS计)的试验条件下,2种方法均可破坏玉米秸秆原有刚性结构,使其易与厌氧微生物接触而被降解,其纤维素、半纤维素、木质素含量分别降低7.82%、50.56%、36.33%和20.13%、20.97%、54.03%;2种方法预处理后玉米秸秆沼气发酵TS(总固体)产气率分别达到239.89和281.45mL/g,VS(挥发性固体)产气率分别达到296.02和332.28mL/g,日均产气量分别达到320和334mL(分别高于对照15.11%和20.14%),同时料液滞留时间比对照分别减少42.11%和31.58%。该研究为秸秆预处理及提高秸秆沼气工程发酵效率提供了参考。     

进料浓度对玉米秸秆与牛粪全混式厌氧发酵特征影响研究

目前,中国大多数沼气工程均采用农作物秸秆与畜禽粪便为主要原料,但对于实际沼气工程的工艺控制,尤其是对于沼气工程进料混配及发酵浓度等控制工艺仍缺少参考和支撑。该研究采用玉米秸秆与牛粪原料,在中温条件下,利用纯牛粪、纯秸秆以及秸秆与牛粪干物质比(S:CM)=1:1、1:3、3:1条件的混合原料,按照不同干物质浓度(total solid,TS)=3%、6%、8%,梯次启动CSTR反应器,系统探讨物料配比与发酵浓度对反应器产气量、甲烷体积分数、pH值、氧化还原电位(oxidation-reductionpotential,ORP)、挥发酸(volatilefattyacids,VFAs)含量等运行特征的影响。结果表明,正常运行时,纯秸秆与纯牛粪条件下厌氧发酵产气效果显著低于混合原料,且所有条件下反应器的产气量基本都随着发酵浓度升高而升高。在发酵浓度为8%条件下,S:CM=3:1和1:1的反应器容积产气率在运行130和150 d后分别达到峰值0.78和0.76 L/(L·d)。随着反应器的持续运行,170 d后各反应器的产气率与pH值降低,而VFAs与ORP升高。S:CM=3:1和1:1的反应器容积产气率降低至0.6 L/(L·d),pH值降低至6.5左右。这主要是由于恒定的搅拌功率条件下,随着反应器内TS升高,搅拌转速降低,进而在反应器内产生搅拌死区与浮渣等问题,导致反应器内局部酸化,造成系统整体失稳。在启动期间,所有5个条件下反应器内ORP呈缓慢上升趋势。运行172 d后,S:CM=1:1条件下ORP迅速增加至高于–300 mV。总体而言,厌氧系统中VFA浓度随着进料中秸秆比例增加而增加,且丙酸积累发生并变得更加严重。这也在一定程度上表明,与采用秸秆与粪便混合原料厌氧发酵相比,采用纯秸秆原料厌氧发酵生产沼气厌氧反应器的运行稳定性较差。     

秸秆批式和半连续式发酵物料浓度对沼气产率的影响

为比较秸秆批式发酵和半连续发酵工艺的产沼气效果,以水稻秸秆为单一发酵底物,开展了室内中温批式发酵和半连续发酵对比试验,以容积产气率和原料产气率为特征指标,研究不同料液浓度对秸秆批式和半连续发酵产沼气的影响,以期获得秸秆沼气工程适宜的运行参数。结果表明,批式发酵容积产气率随着TS浓度的增加而增加,但增幅逐渐减少;与静态批式发酵相比,间歇搅拌有助于提高批式发酵容积产气率,特别对高TS浓度处理容积产气率的提升效果更加明显;而半连续进料条件下更有利于高TS浓度处理容积产气率的提高,但各处理原料产气率均随着固物滞留时间(solid retention time,SRT)缩短而逐渐降低。综合考虑产气情况及工程应用实际,建议秸秆批式发酵底物质量分数不超过8%,而半连续发酵TS质量分数8%时SRT设计为20 d(容积产气率1.00 m3/(m3·d)),若发酵TS质量分数6%时,SRT设计为15 d,容积产气率0.75 m3/(m3·d),该运行参数为秸秆沼气工程发展提供了理论依据。     

寒区沼气工程热能损耗分布规律及节能途径探讨

热能损耗是制约沼气工程在北方寒冷地区发展的瓶颈问题。全面系统分析沼气工程全年热能损耗,探寻其分布规律,是实现沼气工程节能降耗的基础和前提,也是全面科学评价沼气工程加热系统合理有效地利用能源,提高能源利用率的依据。沼气工程热能损耗主要包括工程新投入的发酵原料温升所需的耗热量和厌氧发酵反应器的传热耗热量2部分。该文以月为单位建立了沼气工程各项热能损耗的计算模型,并将模型应用到黑龙江省哈尔滨市一中温厌氧发酵的沼气工程中,获得了沼气工程全年各月热能损耗量。结果表明,在厌氧发酵反应器各月的总热能损耗中,厌氧发酵反应器围护结构的传热耗热量占总耗热量的比例约为70%～90%,厌氧发酵反应器节能的关键在于围护结构的节能,减小反应器的体形系数,增大围护结构导热热阻,可有效降低厌氧发酵反应器能耗;在各月沼气工程的总热能损耗中,发酵原料温升能耗占沼气工程总能耗的比例约为85%～95%,此项能耗是沼气工程加热系统能源消耗过程中的薄弱环节,回收沼气工程排出沼液中的余热,是实现沼气工程节能降耗的有效途径;通过对各月沼气工程产能与总热能损耗的对比分析,沼气工程热能损耗量占产能量的比例约为15%～37%,沼气工程在保证正常的中温厌氧发酵的情况下,产能量远大于热能损耗量,在北方寒冷地区实现沼气工程正能输出是可能的。该文研究结果可为今后全面科学合理评价沼气工程用能状况,减少用能过程的损失和浪费,实现沼气工程低能耗、高产能提供参考依据。     

中国沼气产业化途径与关键技术

对中国目前沼气发展状况和存在问题进行了分析,对中国沼气产业化的途径进行了探讨。指出沼气产业化要结合社会主义新农村建设发展集中供气,发展车用替代燃料和替代石油、天然气生产化工原料和产品。需要开发的关键技术有秸秆生物气化技术、沼气净化提纯技术和催化合成技术等。     

人粪与不同原料配比对厌氧发酵产气影响

为提高人畜粪便和农作物秸秆资源化有效利用提供科学依据,研究了人粪与各种不同原料混合发酵的产气效率。试验通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置,以人粪、牛粪、鸡粪和玉米秆为消化原料,以常温厌氧发酵池的底物为接种物,在总固TS质量分数为8%条件下,进行批量厌氧消化试验,研究人粪分别与牛粪、鸡粪和玉米秆按不同比例（干物质质量比为1∶1、2∶1、3∶1）混合发酵的产气速率、累积产气量的变化。结果表明,在25℃恒温条件下,人粪与3种原料的混合发酵,均能正常产气,均能在厌氧发酵开始后的5～14d达最大产气速率,在30d左右各自的累积产气量均能达到总产气量的87%～92%,其中人粪与牛粪的混合产气效率最好,各组物料的3种配比的平均累积产气量分别为26713、21281和21227mL,各组物料的最优配比的最高产气速率分别为1500、1260和1100mL·d^-1。在25℃下,人粪与牛粪混合发酵的最优配比为3∶1,人粪与鸡粪的为1∶1以及人粪与玉米秆的为3∶1,为人粪与不同原料配比的混合厌氧发酵提供了参考依据。     

分层接种对猪粪厌氧干发酵产气性能及微生物群落结构的影响

为避免厌氧干发酵酸抑制,提高产气效率,以猪粪和玉米秸秆为发酵原料,采用中温批式试验,在总固体(Total Solid,TS)为20%、接种比为25%的条件下研究分层接种和混合接种对猪粪干发酵厌氧消化性能的影响。结果表明:2种接种方式下的发酵体系内挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids, VFAs)均发生明显积累,其中,分层接种在第15天的TVFAs质量浓度达到33.0mg/g,之后明显降低,至发酵结束时VFAs消耗殆尽。混合接种从第15天至发酵结束,TVFAs质量浓度维持在29.2～38.5 mg/g高水平范围内。分层接种的累积挥发性固体甲烷产率为211.5 mL/g。高通量测序结果显示,氢营养型产甲烷途径在2种接种方式下均占主导,但分层接种增加了发酵体系中微生物的丰富度和多样性,且群落结构更加稳定。进一步分析表明,乙酸和pH值是影响厌氧干发酵中微生态结构的主要环境因子。该研究结果为解除畜禽养殖废弃物酸抑制、提高产气效率提供理论依据与有益借鉴。     

沼液喷淋秸秆与生物炭联合好氧发酵效果研究

为实现沼液的减量化和肥料化,以玉米秸秆为载体吸附过滤沼液,开展沼液喷淋与秸秆和生物炭联合好氧发酵试验,分析沼液喷淋对好氧发酵效果的影响,以及与秸秆和生物炭共发酵的效果。结果表明,粉碎后玉米秸秆吸附过滤猪粪沼液、鸡粪沼液后,秸秆含水率由5.92%分别上升至76.35%和85.72%,碳氮比由42.4分别上升至50.2和51.7,沼液中总悬浮物、总磷分别降低了34.42%～43.78%和20.00%～41.01%,而对溶解态的总磷、总钾吸附过滤效果一般。沼液喷淋翻拋可延长堆体发酵高温期2倍时长以上,有机质含量降低了10.42%～18.63%,氮磷钾含量提高6%～21.5%左右,并可提高堆体腐熟度,促进类腐殖质物质产生。添加生物炭可缩短发酵升温期并延长高温期,更有利于堆体消纳沼液。沼液喷淋与秸秆和生物炭联合好氧发酵工艺可达到利用沼液生产有机肥的目的,是资源化利用沼液的有效途径之一。     

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。     

高产低耗畜禽粪厌氧处理新工艺研究及应用

高产、低耗是沼气发酵装置追求的主要目标。针对我国多数畜禽场以人工为主、水冲为辅的清粪方式,将常用的塞流、全混合(搅拌)和高浓度三种沼气发酵工艺有机结合,取长补短研制成一种新工艺。经应用于卧式机械搅拌加温沼气池取得成功,达到池容产气率高、自身耗能省、结构简单、投资低、操作方便等目标。该项新工艺及其装置具有较强竞争力和推广前景。