不同温度条件粪秆结构配比及尿素、纤维素酶对沼气产量的影响

提高农村户用沼气的产气量和秸秆等农业废弃物利用效率,是当前循环农业领域面临的主要问题。通过利用自行设计的可控性厌氧发酵装置,在室内模拟农村户用沼气发酵过程,研究在不同温度条件下作物秸秆和禽畜粪便配比以及添加尿素和纤维酶对沼气产量的影响。结果表明,20～35℃范围内,粪秆配比的产气量随温度升高而升高。35℃条件下,2.5 kg料液发酵50 d,鸡粪和秸秆配比（干物质量比）以2︰1的产气量高于其它粪秆比例,其中鸡粪与玉米秆2︰1(干物质量比)总产气量最高,达51120 mL。在发酵中期（发酵后28 d）,向2.5 kg发酵料液中添加2.5 g尿素和2.0 g纤维素酶,均显著提高沼气产量,平均增加99.8%和40.8%,且鸡粪与麦秆2︰1配比产气量增幅最大,分别为261.2%,117.3%。研究20℃粪秆厌氧发酵环境pH值动态变化,表明其呈动态变化,发酵初期pH值平均为6.8,发酵中期平均为6.4,随后缓慢回升至6.6。因此,适宜的温度,合理的秸秆配比、添加一定量酶和尿素是提高产气量的有效措施。     

农村有机生活垃圾等混合物料厌氧发酵产沼气性能

为获得有机生活垃圾、玉米秸秆和牛粪混合物料厌氧发酵产沼气性能,为农村废弃物沼气工程高效运行提供依据,在初始总固体（TS）为12%和中温（35±1）℃条件下,考察了有机生活垃圾、玉米秸秆与牛粪三物料不同湿基质量比（1∶0∶2、1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5、1∶2∶0）对厌氧发酵过程的影响。结果表明：与双物料混合厌氧发酵相比,三物料混合厌氧消化能显著提高原料产气率,有机生活垃圾、玉米秸秆和牛粪配比为1∶1∶1的组合单位TS累积产气量高于其他处理;不同发酵物料配比能影响厌氧发酵完成时间,随着秸秆比例的增加,完成厌氧发酵的时间逐渐增长,有机生活垃圾和牛粪的组合与三者配比为1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5和1∶2∶0的处理相比,厌氧发酵完成时间分别缩短了12、15、19、22 d;三物料混合发酵适宜的配比能平衡发酵系统中酸的浓度,防止系统酸化,并能提高纤维素半纤维素降解率。综上认为三物料最佳配比为1∶1∶1。     

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。     

牛粪固液分离液两相厌氧发酵技术

与单相沼气发酵相比,两相厌氧发酵具有有机负荷大、发酵稳定性高、水力停留时间短、产气效率高的特点,为了提高牛粪厌氧发酵效率,该文在中温（35±2）℃条件下对牛粪加水固液分离后分离液进行两相厌氧发酵试验研究,在发酵液体积为5L,总固体质量分数为6.60%,产酸相水力停留时间为3 d,产甲烷相水力停留时间为7 d,后发酵1 d的条件下,化学需氧量去除率达到52.81%,底物（以挥发性固体计）的产气率达到181.45 L/kg,研究结果为提高牛粪资源化利用效果提供了一定的参考价值。     

不同预处理条件对棉秆厌氧发酵产沼气的影响

为探索合理的预处理方法以实现棉秆的高效厌氧发酵,研究了高温处理、NaOH处理与生物处理3种预处理方式对棉秆厌氧发酵产沼气的影响。经预处理的棉秆以8%的总固体质量分数,在常温（(23±2)℃）下进行沼气发酵试验。结果表明,经NaOH及生物预处理,棉秆的木质纤维结构破坏较明显,而高温预处理对棉秆的表观结构影响不大。3种预处理均能有效缩短发酵启动时间,并不同程度提高棉秆产沼气的能力,作用大小依次为：NaOH处理＞高温预处理＞生物预处理。其中以质量分数为4%的 NaOH对棉秆（含水率为60%）处理10 d的效果最佳,发酵61 d后的总产气量可达31 022.5 mL,日均产气量为508.57 mL/d,总固体产气率、挥发性固体产气率分别为193.89、216.30 mL/g,要远高于其他处理及对照,有效地提高了棉秆厌氧发酵的效率。     

麦秸生物炭添加对猪粪中温厌氧发酵产气特性的影响

为探明不同热解温度生物炭添加对猪粪中温厌氧消化产气的影响,以400、500、600℃热解制成的麦秸生物炭（BC400、BC500、BC600）为研究对象,采用批次发酵试验,探讨了生物炭添加对猪粪中温（37±1）℃厌氧发酵产气特性的影响。研究结果表明：麦秸热解生物炭可显著（P<0.05）提高猪粪发酵系统的产气潜力和甲烷含量,其影响从大到小依次为BC600>BC500>BC400。厌氧发酵49 d期间,添加生物炭处理的产气量和产甲烷量分别为260.7~288.7 mL·g-1 VS和163.7~185.5 mL·g-1 VS,较纯猪粪处理提高了77.1%~96.1%和78.1%~101.8%。同时,添加生物炭可明显提高猪粪厌氧发酵系统的消化效率（T90）,缩短厌氧发酵的延滞期。不同热解温度麦秸生物炭对猪粪厌氧消化产气特征的影响明显不同,对畜禽养殖场沼气工程运行中的物料选择和条件优化有实际的指导意义。     

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。     

批式与连续两相发酵的果蔬废弃物厌氧产气性能

该研究采用批式试验与连续发酵试验探讨了苹果与蔬菜废物的厌氧发酵产气性能,结果表明:38℃下苹果与蔬菜废物混合进行厌氧发酵发生了协同促进作用,显著提高了混合原料的产气能力。在苹果废物与蔬菜废物的混合比例F:V=4:1时,混合原料的产沼气潜力达到了914.6 L/kg。利用修正的Gompertz模型能够很好的模拟果蔬废物批式厌氧发酵产气的累积产气过程,拟合结果的R2在0.983~0.999之间。果蔬废物连续进出料产气过程研究结果表明在HRT=24 d、35℃中温发酵条件下,果蔬废物为原料的一体化两相(combined two phase,CTP)反应器有机负荷OLR可达2.5 g/(L·d)时,此时CTP反应器的产气量最高可达12.9 L/d,反应器内物料比产气量为390 L/kg。这表明CTP反应器可以作为果蔬厌氧发酵产气的反应器。与全混式反应器相比,CTP反应器结构简单、成本低,但对果蔬废物的发酵效率低于全混式反应器。     

餐厨垃圾与污泥高固体联合厌氧产沼气的特性

该文在12%高固体质量分数和中温（35±1）℃条件下,开展了餐厨垃圾与污泥不同比例联合厌氧发酵对产气性能及发酵过程限速步骤影响的研究。结果表明,当餐厨垃圾与污泥二者比例为30∶30时,累积沼气产率、累积甲烷产率、生物转化产甲烷效率和VS（挥发性固体）去除率分别为612、327 mL/g、76.9%和63.6%,皆高于其他原料比例。混合底物中餐厨垃圾为主时,发酵前5 d为产气高峰阶段,甲烷含量在整个发酵期间低于60%,挥发性脂肪酸（VFAs）抑制显著;而混合底物中污泥所占比例较高时,产气的高峰期多出现在第10～25 d,甲烷含量于发酵前5 d迅速上升至50%后,缓慢提高并最终稳定在70%左右。混合底物中污泥所占比例的增加可提升沼气中甲烷含量,亦可明显缓解VFAs抑制作用。累积沼气产率随污泥比例的提高呈先上升后下降的变化。     

堆肥预处理温度控制促进麦秸厌氧发酵产沼气

为阐释温度在堆肥预处理影响秸秆厌氧发酵产沼气中的作用,以麦秸为原料,研究堆肥不同升温阶段麦秸的厌氧发酵产气特性,并以麦秸堆肥的温度数据为基础,以灭菌后的麦秸为原料进行模拟堆肥（不同温度处理）,模拟堆肥后的麦秸进行厌氧发酵产沼气。结果表明,在堆温升至55℃前,麦秸干物质（TS）损失率为4.06%,当堆温升至55℃后麦秸TS损失率迅速增加,堆肥10 d后麦秸TS损失率达22.45%;堆肥后麦秸厌氧发酵产气速率并无明显提高,TS产气量随堆肥时间先增加后降低,以堆温升至55℃时麦秸TS产气量最大,为349.92 mL/g,较开始堆肥增加了7.56%,扣除堆肥造成麦秸有机物损失,堆肥预处理对麦秸产气量并无明显促进;当堆温超过55℃以上9 d的麦秸产气量仅为开始堆肥的66.58%。模拟堆肥的结果表明,不同温度处理对麦秸有机物损失、物质组成均有较大影响,模拟堆肥后麦秸半纤维素大幅降低了28.10%,TS产气量随处理温度、处理时间的增加先增加后降低,当处理温度为55℃时获得最大TS产气量,为342.36 mL/g,较未处理提高了8.35%;随着处理温度的提高和处理时间的延长,麦秸TS产气量逐渐降低。以上结果表明,堆肥预处理产生的高温对破坏秸秆物质结构、提高其厌氧生物转化性能有较大影响,当秸秆堆体温度升至55℃时应停止堆肥,进行厌氧发酵产沼气。该文可为堆肥预处理在秸秆沼气工程中应用提供参考。     

稻草与猪粪混合厌氧消化特性研究

在中温条件下（35℃）,研究了稻草中添加猪粪对厌氧消化过程的影响,分析了消化过程中日产气量、累积产气量、甲烷含量、pH、挥发性脂肪酸以及硝态氮和氨态氮的变化。结果表明,将猪粪与稻草混合厌氧消化产沼气可以顺利进行,混合物的Vs产气量为330．14L·kg^-1 VS,沼气中甲烷含量为62．88％,添加猪粪对稻草产气量和有机酸的影响不明显,但对发酵过程中可能出现的酸积累有一定的缓冲作用。添加猪粪可以大幅提高发酵液中NO3-N含量,较稻草的处理提高34．53％,对提高消化液的肥料价值有重要意义。因此,将稻草与猪粪混合厌氧消化产沼气是完全可行的。     

工艺措施对猪粪秸秆混合厌氧干发酵产气性能的影响

为避免挥发性脂肪酸积累、提高产气效率,研究猪粪单独发酵、猪粪秸秆混合发酵、猪粪秸秆混合原料分层接种和猪粪秸秆混合原料渗滤液回流等工艺措施下,中温(37℃)厌氧干发酵(总固体含量为20%)的产酸及产气性能。结果表明:猪粪秸秆混合原料分层接种厌氧发酵启动快,产气效果最佳,累积挥发性固体含量VS产甲烷量可达139.2mL/g;混合发酵渗滤液回流可有效降低总挥发性脂肪酸(total volatile fatty acids,TVFAs)质量浓度(维持在0.66 mg/g),累积VS产甲烷量比分层接种低16.7%;猪粪秸秆混合发酵与猪粪单独发酵的反应器中TVFAs质量浓度分别达到19.08和19.83 mg/g,前15 d日产甲烷量为0.1 mL/(g·d),基本不产气。通过不同工艺措施对比,获得产气量最高和启动期最快的发酵方式,提高猪粪厌氧干发酵产气效率,为猪粪等高固体含量有机废弃物的资源化处理利用提供参考。     

膨润土改善鸡粪厌氧消化产酸产甲烷特性

为探究膨润土对鸡粪厌氧消化过程中产甲烷特性和可溶性有机酸代谢特性的影响,采用L8(23)正交试验设计,以鸡粪添加量(有机负荷率)、膨润土添加量和接种量为三因素,每个因素设置2个水平,研究了中温条件下(35±1)℃膨润土添加对鸡粪厌氧消化过程中产酸和产甲烷特性的影响。结果表明:与对照组相比,低有机负荷条件下,膨润土添加能显著(P0.05)提高鸡粪挥发性固体(volatile solid,VS)产甲烷量,添加量为3.0%和1.5%时VS产甲烷量分别提升了22.72%、27.72%(膨润土添加量不同的组差异不显著(P0.05));高有机负荷条件下,膨润土添加能极显著(P0.01)提高鸡粪VS产甲烷量,添加量为3.0%和1.5%时VS产甲烷量分别提升了78.68%和55.41%(膨润土添加量不同的组差异显著(P0.05))。当鸡粪添加量为19.91 g挥发性固体,膨润土添加量为3.0%(占干基比)和接种量为80 m L(体积分数20%)时,单位挥发性固体产甲烷量最高为301.92 m L/g,比对照组高87.8%,此时可变成本也最低为2.43元/m~3,比两对照组分别低1.29和1.68元/m~3。方差分析表明:膨润土添加可提高鸡粪厌氧消化过程中挥发性脂肪酸,pH值,可溶性有机碳和可溶性无机碳的稳定性。膨润土可加强鸡粪厌氧消化系统的稳定性,降低产甲烷的可变成本,为膨润土强化鸡粪厌氧处理提供了试验验证据。     

蘑菇废弃菌棒及其与猪粪混合发酵对沼气产量及质量的影响

为了研究厌氧消化过程中日产气量、累计产气量和甲烷含量随厌氧消化时间的变化规律,在中温35℃±1℃条件下,采用批式单相厌氧消化工艺,分别用香菇、杏鲍菇和平菇废弃菌棒与猪粪混合发酵。结果表明,蘑菇菌棒具有很好的产气潜力,其中香菇菌棒TS产气量最高,为142．9mL·g^-1,平均产气量664.1mL·d^-1,杏鲍菇菌棒所产气体甲烷含量最高,平均63．8％;添加猪粪调节蘑菇菌棒C／N至25／1,对香菇菌棒前期严重酸化现象起到了很好的缓冲作用,使香菇菌棒、杏鲍菇菌棒和平菇菌棒累计产气量较单一物料分别提高了131．5％、97．9％和79．9％。研究结论为：香菇、杏鲍菇和平菇废弃菌棒均具有良好的产气潜力;添加猪粪能显著提高蘑菇菌棒累计产气量,同时提高香菇菌棒甲烷含量,降低杏鲍菇菌棒甲烷含量,对平菇菌棒甲烷含量影响不大。     

猪粪比例对烟草废弃物高温堆肥腐熟进程的影响

以烟草废弃物为基本原料进行堆肥试验,研究了不同比例猪粪与烟草废弃物混合堆肥体系中温度、pH、全氮、C/N比、水溶性NH＋4-N和种子发芽指数（GI,germination index）的动态变化规律,探讨了不同猪粪比例对烟草废弃物高温堆肥腐熟进程的影响。结果表明,在烟草废弃物中加入猪粪能缩短进入高温分解阶段的时间,增加高温分解持续时间,增加全氮含量,加快物料NH＋4-N和C/N比降低的速率,加快烟草废弃物堆肥腐熟化进程。添加一定比例猪粪的处理（烟草废弃物∶猪粪=7∶3、烟草废弃物∶猪粪=8∶2和烟草废弃物∶猪粪=9∶1）,分别在堆肥第3、4、5 d进入高温分解阶段（〉50 ℃）,高温持续时间分别为11、10、8 d;而纯烟草废弃物处理,最高温度为43 ℃,未进入高温分解阶段;至堆肥26 d,NH＋4-N含量分别比纯烟草废弃物对照降低47.7%、61.9%和25.6%;GI分别达到81.4%、84.1%和83.7%。     

温度对畜禽粪便稻草混合干式厌氧发酵的影响

通过在畜禽粪便中添加稻草进行混合干式发酵来产生沼气,在发酵原料C/N=28.3、TS=21.3的条件下,研究了常温、中温（36℃）和高温（55℃）条件对畜禽粪便稻草混合干式厌氧发酵产沼气性能的影响。结果表明,常温组启动慢,日产气量少,不宜进行干式发酵;中、高温条件下干式发酵具有较好的产气效果,中温是较为合适的发酵温度。中温组和高温组的有机负荷率分别为1.69kg·m^3·3d^-1和1.89kg·m^3·3d^-1,TS产气率分别为0.237m^3·kg^-1和0.208m^3·kg^-1,池容产气率分别为0.401m^3·m^-3·d^-1和0.393m3·m^-3·d^-1,实验研究结果对干式发酵的实际应用具有一定的指导意义。     

不同原料配比对厌氧发酵过程中产气量VFA和脱氢酶活性的影响

以牛粪和小麦秸秆为发酵原料,研究了不同牛粪（M）与小麦秸秆（S）的干物质配比（牛粪与秸秆的比例为1∶1、2∶1和3∶1）对厌氧发酵产气过程的影响。结果表明,添加小麦秸秆处理的产气量显著高于秸秆与牛粪单独发酵处理（P〈0.05）,其中牛粪与秸秆的配比是1∶1的产气量为（31823.7±691.2）mL,比秸秆、牛粪以及牛粪与秸秆比例为2∶1和3∶1四个处理的产气量分别提高了208.7%、11.5%、2.8%和5.2%。因此,以M∶S=1∶1进行混合厌氧发酵效果最好。挥发性脂肪酸（VFA）与日产量间呈极显著性正相关（P〈0.01）,但脱氢酶活性与产气量相关性不显著（P〉0.05）。     

Effects of Initial Total Solids on Composting of Raw Manure with Biogas Recovery

A batch anaerobic composting process was investigated to evaluate the potential for biogas recovery from animal manure under the worst scenario of high initial solids and non-well adapted microorganisms. The effects of composting time and initial total solids content on biogas recovery and reduction of solids during anaerobic digestion of swine, poultry and beef manure were studied. Volatile solids reductions averaged 10% or less over a 30-day period for all initial solids contents, which was considerably lower than expected. Reductions in VS increased slightly as initial solids content in the reactor decreased. Reductions in COD were somewhat higher than for VS. The pH values were fairly stable during the composting experiments and within the range suitable for anaerobic digestion. Decreases in TKN and ammonia nitrogen during the process were insignificant, and greater decreases were observed for lower initial solids content in the reactors. Cumulative biogas production increased with decreasing solids content in the reactor for all types of manure. For the lowest initial solids contents (12-14%), swine manure produced more biogas, but at the higher initial solids contents there was little difference among the manure types. Biogas yields were about 0.5 m³/kg VS consumed for the lowest solids contents; however, yields were only about 0.2 m³/kg VS consumed for the higher initial solids. Methane content of the biogas samples averaged 49%. Based on these results, it appears that adapting microbial populations in the high solids feedstock may obtain reasonable biogas production rates and VS reduction during anaerobic digestion. Although some differences in results among the three types of manure were noted, they were not large and likely would not be significant with adapted microbial populations.     

含固率和接种比对猪粪中温厌氧消化特性的影响

利用全自动甲烷潜力测试仪(AMPTSII),通过猪粪中温批式厌氧发酵试验,比较了不同含固率(4%、6%、8%)和接种比(r_(I/S)=1.5、2.0、3.0)对猪粪产气特性的联合影响。结果表明,含固率和接种比对产气速率及累积甲烷产量均有显著影响,且含固率对厌氧消化产气特性的影响大于接种比。在试验研究参数范围内,单位底物累积甲烷产量随接种比的增加而增大,随含固率的提高呈现先增加后减小的趋势,在含固率为6%,接种比为3时,获得最大累积沼气产量和甲烷产量,分别为469.1m L·g~(-1)VS和333.2m L·g~(-1)VS。在本试验研究条件下,含固率越低,接种比越高,越有利于提高日平均产甲烷速率,缩短反应迟滞期。动力学模型参数表明,First-order模型较修正的Gompertz模型能更好地模拟猪粪厌氧发酵产甲烷规律,且在一定程度上,接种比例越大,含固率越高,First-order模型对试验数据的拟合精度越高。