牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵工艺优化及动力

为实现牛粪与水稻秸秆资源化利用,采用批式试验,分别研究了预处理剂种类（H2O2、H2SO4、NaOH）、预处理剂浓度（2%、4%、6%）及牛粪与水稻秸秆物料比 （1∶1、2∶1、4∶1）对牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产气效果的影响。结果表明,采用2% H2O2预处理剂,物料配比控制在1∶1,系统平均原料产气率为3980 mL·g-1,发酵效果最佳。动力学研究发现,一级动力学模型与Modified Gompertz方程均可较为准确地对牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产气过程进行动态模拟,其中,Modified Gompertz方程的模拟效果更优。     

牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产沼气工艺优化分析

牛粪与水稻秸秆混合物进行厌氧发酵,不仅能够产出生物质能源、改进能源结构,还能降低农业废弃物对生态环境造成的危害,促进生态、经济同步发展。在牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵过程中,原料配比、预处理剂差异、外部温度等因素都会影响厌氧发酵效果。为了促进生物质能源生产效率与质量的进一步提升,本文开展试验优化牛粪与水稻秸秆混合物厌氧发酵产沼气工艺。结果表明,水稻秸秆和牛粪按照1∶1比例获取混合物进行厌氧发酵,并将浓度为2%的H_2O_2作为预处理剂,厌氧效果最佳。     

牛粪与玉米秸秆不同配比厌氧发酵的产气性能

【目的】研究牛粪与玉米秸秆不同配比混合厌氧发酵的产气性能,为提高厌氧发酵产气效率提供依据。【方法】采用自制的1 L厌氧反应器,以牛粪和玉米秸秆为发酵原料,设置牛粪与玉米秸秆干物质质量比分别为10∶0(对照), 8∶2,6∶4,4∶6,2∶8和0∶10共6个处理,在物料总干物质质量分数8%、发酵温度(35±1)℃条件下进行厌氧发酵产气试验,分析不同产气指标的变化规律。【结果】在产气方面,牛粪与玉米秸秆按不同比例混合厌氧发酵的4个处理日产气量变化趋势为先快速升高后平稳下降,发酵第2～3天达到产气峰值,较对照提前2～3 d;当牛粪与玉米秸秆的干物质质量比为2∶8时,累积产气量、甲烷总产量及挥发性固体产甲烷量均高于其他处理,分别达13 061.7 mL、6 911.4 mL和0.170 L/g,较单一牛粪发酵处理(对照)分别提高52.47%,41.48%和34.92%。在发酵系统稳定性方面,牛粪与玉米秸秆不同比例混合厌氧发酵的4个处理均在发酵第5天pH值达到最低,挥发性脂肪酸质量浓度达到最高,较对照提前2 d达到极值;发酵5 d时,牛粪与玉米秸秆干物质质量比为2∶8的处理pH值低于其他处理,为5.75,较对照降低了7.70%;挥发性脂肪酸质量浓度高于其他处理,为1 675.6 mg/L,较对照提高了59.04%。【结论】牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵产气效果优于单一原料发酵,且二者干物质质量比为2∶8时厌氧发酵具有较好的产气特性和发酵潜力。     

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)。     

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。     

响应面优化猪粪、牛粪与玉米秸秆混合发酵工艺

【目的】研究猪粪、牛粪与玉米秸秆混合原料厌氧发酵的最佳工艺条件。【方法】采用单因素试验考察了猪粪与牛粪的混合比例(质量比)、粪秆比(猪粪和牛粪总量与玉米秸秆干物质质量比)、总固体质量分数3个因素对厌氧发酵过程累积产气量的影响,并在此基础上通过Box-Behnken试验设计及响应面分析对厌氧发酵工艺进行优化。【结果】在单因素试验中,当猪粪与牛粪混合比例为1∶1,粪秆比为1.86∶1及总固体质量分数为11%时,累积产气量均较高。猪粪、牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵的最佳工艺条件为:猪粪与牛粪混合比例为1.06∶1、粪秆比为2.94∶1、总固体质量分数为10.68%。【结论】在猪粪、牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵的最佳工艺下,累积产气量可达17 170mL。     

牛粪与卷心菜尾菜混合厌氧发酵产气性能的研究

为促进卷心菜尾菜厌氧发酵性能，提高发酵系统产气效率，研究以卷心菜尾菜与牛粪为发酵原料，设置卷心菜尾菜与牛粪不同TS混合比例0∶1(T1)、1∶0(T2)、1∶1(T3)、1∶2(T4)、1∶3(T5)、2∶1(T6)和3∶1(T7)，在接种量为30%，温度为37℃，初始pH值8.0，在1 L的自制厌氧发酵装置中进行30 d的批次厌氧消化研究，并利用一级动力学模型分析不同混合比例尾菜牛粪厌氧发酵产气动力学。结果表明：卷心菜与牛粪混合比例为2∶1时，与卷心菜尾菜单独消化相比，甲烷含量增加了16.0%，甲烷产率和产甲烷速率分别提高了111.6%和90.2%，沼气产率和产沼气速率分别提高了61.1%和37.5%。利用一级动力学模型及速率公式进行产气速率分析可得，动力学常数k由0.129 d-1提高到0.150 d-1。卷心菜尾菜与牛粪混合发酵可以显著提升产气性能。研究结果可为卷心菜尾菜及牛粪厌氧消化的资源化利用提供理论支撑。     

水稻秸秆-猪粪混合发酵研究

[目的]对水稻秸秆与猪粪进行混合发酵研究。[方法]在不对秸秆进行预处理的情况下,在35℃恒温下进行发酵,研究稻秆-猪粪VS比、底物-接种物VS配比(S/I)和VS浓度对混合厌氧发酵产气量的影响。[结果]当稻秆-猪粪VS配比为1∶4、底物-接种物VS配比(S/I)为2∶1、VS浓度为6%,产沼气量及甲烷产量均达到最大,产气效率高,其累积产气量为548.90mL/g。[结论]在水稻秸秆不进行预处理的情况下,水稻秸秆-猪粪进行中温发酵工艺最佳发酵条件为VS比1∶4、S/I2∶1、VS浓度6%。     

秸秆类木质纤维原料产甲烷潜力及动力学分析

为进一步了解木质纤维素类物料内部组成成分对其厌氧消化的影响,以及木质纤维素类物料在厌氧发酵过程中的产气特性,从而为其在工程上的利用提供依据,使大型沼气工程发酵物料的评估和利用达到标准化、科学化和高效化。以玉米秸秆、水稻秸秆、苜蓿秸秆为研究对象,采用中温批次厌氧发酵工艺,接种物与底物挥发性固体(VS)比为2∶1,发酵温度(37±0.1)℃且固体浓度为10%,研究各木质纤维原料厌氧生物转化甲烷的潜力(BMP),并利用修正Gompertz模型对原料累积产甲烷过程进行动力学分析。结果表明:玉米秸秆、水稻秸秆、苜蓿秸秆各原料发酵底物总固体(TS)浓度为10%时的单位质量挥发性固体(VS)生物甲烷产量分别为266.86,225.19,286.24mL·g~(-1),占各自理论生物甲烷潜力(TMP)的83.8%、66.4%、90.8%,BMP1%时的反应时间分别为28,32,26d。不同秸秆的产甲烷潜力与原料组分中木质素和无定形全纤维素的含量有较大关系。采用修正Gompertz方程对累积产甲烷曲线拟合,能较好模拟玉米秸秆、水稻秸秆、苜蓿秸秆的累积产甲烷变化过程,拟合方程的R2分别为0.998,0.984,0.990;动力学常数K和延滞期时间λ分别为0.122,0.101,0.065d-1和0.35,0.57,0.48d,为木质纤维原料的产甲烷潜力评估预测及实际沼气生产中原料的选择提供依据。     

牛粪和白菜尾菜混合厌氧发酵产甲烷潜能和动力学解析

厌氧发酵是利用畜禽粪污资源化的重要手段。然而,牛粪中木质纤维素含量高、难以降解,导致其厌氧发酵产气效率低,限制了在牛粪中的应用。为优化牛粪厌氧发酵性能,拓宽原料来源,在中温(37℃)下进行不同比例白菜尾菜与牛粪混合的批次试验(混合比例为100∶0、75∶25、50∶50、25∶75和0∶100)。结果表明,与白菜混合发酵可以提高牛粪的厌氧发酵性能。当白菜与牛粪混合比例为75∶25时,产甲烷潜能达到最大值(419 mL·g^-1)。此外,根据Gompertz模型的拟合结果,最佳混合比例下的累积甲烷产量、有效产甲烷时间和产甲烷速率均显著优于其他组。因此,白菜尾菜与牛粪混合厌氧发酵是实现较好产气效果的一种有效方法。     

温度对牛粪与番茄秸秆厌氧发酵产气的影响

以挥发性固体(VS)占物料干质量(TS)43.72%的鲜牛粪与VS/TS为86.61%的番茄秸秆为发酵原料,利用10 L厌氧发酵罐为反应器,设置25,30,35,40℃共4个反应温度,进行为期80 d的厌氧发酵试验,以探究不同温度对鲜牛粪与番茄秸秆混合干物质比为1∶1厌氧发酵产气特性的影响。结果表明,在该试验设置下,鲜牛粪与番茄秸秆适宜的发酵温度为35℃,其累积产气量为(148.09±2.95)L,产甲烷量为(91.52±1.03)L,TS产气量为(246.82±0.003)mL/g,均高于其他设置处理。该温度下,体系挥发性脂肪酸浓度及pH值均在正常范围内,发酵体系运行稳定。     

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。     

腐熟剂预处理对水稻秸秆厌氧发酵的影响研究

农作物秸秆中含有大量的纤维素、半纤维素和木质素,通常需要预处理后再对其进行厌氧发酵。试验采用腐熟剂对水稻秸秆进行生物预处理,研究了不同预处理时间和腐熟剂的添加量对厌氧发酵效果的影响,分析了发酵过程中产气量、p H和沼气中甲烷含量的变化。结果表明:腐熟剂预处理时间2d、腐熟剂投加量为秸秆用量的0.2%时,发酵前期物料p H下降显著、产气量高。预处理时间过长或腐熟剂添加量过多,会导致易降解有机物的大量消耗,不利于产气量的增加和发酵后期甲烷含量的稳定。     

超声联合NaOH预处理小麦秸秆与猪粪混合厌氧发酵特性

【目的】研究NaOH及其与超声联合预处理对小麦秸秆与猪粪混合厌氧发酵特性的影响。【方法】采用0%,3%,6%NaOH单独(分别命名为CK,3%,6%处理)或其联合250 W超声波15 min (分别命名为CK+,3%+,6%+处理)预处理小麦秸秆,用扫描电镜观察小麦秸秆表层结构的变化,之后将预处理的小麦秸秆与猪粪按照2∶1,1∶1,1∶2比例(质量比)进行混合发酵,测定小麦秸秆与猪粪不同配比下混合厌氧发酵过程中产气量、pH、碱度和挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFA)的变化。【结果】经NaOH单独预处理或其与超声波联合预处理后,小麦秸秆表面结构均受到了明显破坏。从发酵开始,各处理的日产气量均在第3天左右达到第1次峰值,在第8天左右下降到最低值;随着水解酸化的进行,各处理的日产气量又出现第2次高峰,但出现高峰时间差异较大。在NaOH单独预处理组或其与超声波联合处理组中,当小麦秸秆与猪粪按照2∶1,1∶1比例混合时,随NaOH含量的增加,累积产气量均呈增大趋势;当小麦秸秆与猪粪按照1∶2比例混合时,NaOH单独预处理组中CK组累积产气量最大,而联合预处理组中3%+处理累积产气量最大。预处理小麦秸秆与猪粪混合厌氧发酵效果依赖于两者混合比例。在整个发酵过程中,当小麦秸秆与猪粪配比分别为2∶1,1∶1和1∶2时,NaOH单独预处理的pH分别为5.6～7.7,5.6～7.6,5.7～7.7,NaOH与超声波联合预处理的pH分别为5.7～7.9,5.6～7.6,5.7～7.7,可见NaOH单独预处理及其与超声波联合预处理的pH并无明显差异。当小麦秸秆与猪粪按照2∶1比例混合时,碱度增加速率最快,并在整个发酵期内总体较高,其次是1∶1配比组,1∶2配比组最低。在发酵过程前期VFA质量浓度变动幅度较大,发酵后期VFA质量浓度变动幅度较小。总体上各预处理小麦秸秆与猪粪配比为1∶1时的VFA质量浓度与1∶2配比组接近,但是高于2∶1配比组。超声单独预处理可提升产气效果,但相比NaOH单独处理,超声与NaOH联合预处理并不具有增强产气效果的协同作用。【结论】经6%NaOH预处理后小麦秸秆与猪粪按照2∶1比例混合后,可获得良好的产气效果。     

三种主要农村废弃物混合产沼气试验研究

随着我国农村经济的发展,农村废弃物越来越多,利用其生产沼气,不仅可以为人们提供清洁能源,还能大力改善农村生活环境。本研究选取农村三种主要废弃物(玉米秸秆、有机生活垃圾和牛粪)按照不同的质量比(1∶0∶0、1∶2∶0、1∶1.5∶0.5、1∶1∶1、1∶0.5∶1.5、1∶0∶2)混合进行产沼气试验。结果表明,相比单物料和双物料,三物料混合厌氧发酵能显著提高产气率和减少发酵周期。玉米秸秆、有机生活垃圾和牛粪产沼气性能最佳的配比为1∶0.5∶1.5。     

芦苇、牛粪、有机垃圾多物料厌氧发酵产沼气性能研究

在发酵原料TS固定的情况下,研究了有机生活垃圾与芦苇、牛粪以0∶2∶1、1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5和1∶2∶0不同配比对厌氧发酵产沼气性能的影响。结果表明,对于芦苇来说,与有机垃圾和牛粪三物料混合发酵优于与有机垃圾或牛粪双物料混合发酵,三者比例为1∶0.5∶1.5的组合产气效果最好,发酵周期为37 d,最高日产气量达3.2 L/d,单位TS产气量为361.88 m L/g,单位VS产气量为411.22 m L/g。     

秸秆、牛粪与啤酒糟混合厌氧发酵特性的研究

以啤酒糟作为秸秆厌氧发酵的补充氮源,研究了玉米秸秆、牛粪与啤酒糟的混合厌氧发酵特性。选取m(啤酒糟):m(牛粪):m(玉米秸秆)=3∶3∶4,分别考察了总固体含量(TS)为9.3%,14%和27%时混合料液的发酵特性,测取了日产气量、p H值、甲烷含量等参数随发酵时间的变化情况。结果表明,当TS为27%时产气效果最好,产气量达到334 m L·g-1,平均甲烷含量达到51.3%,产气周期为36 d,p H值在发酵周期中先降低后升高,为甲烷正常发酵所需的p H值范围。     

玉米秸秆-牛粪不同配比对沼气产量的影响

试验设牛粪-玉米秸秆质量比2∶1(A)、牛粪(B)、玉米秸秆(C)、牛粪-玉米秸秆质量比1∶2(D)4个处理,在温度为(30±1)℃、发酵液(TS)浓度为10%的条件下,研究粪秆比对沼气厌氧发酵产气量的影响。结果表明,试验55 d各处理总产气量大小依次为ADBC。发酵过程中各处理日产气量变化和日累积产气量差异明显,A处理产气高峰主要在17~26 d,D处理主要在22~33 d,A和D处理总产气量分别为6 997 m L和6 842 m L,高于B处理和C处理。因此,牛粪-秸秆混合发酵可明显提高产气速率,改善产气状况,提高发酵原料产气潜力。     

鸡粪与水稻秸秆混合厌氧发酵特性研究

【目的】研究温度、原料配比对鸡粪与水稻秸秆混合原料厌氧发酵产气特性的影响,为提高厌氧发酵的产气效率提供依据。【方法】采用自行设计的可控性恒温沼气发酵装置,以不同配比(0.5∶1,1∶1,2∶1,3∶1)的鸡粪与水稻秸秆为发酵原料,在总固体(TS)质量分数为8%的情况下,研究各配比鸡粪与水稻秸秆在25,30,35,40℃下的厌氧发酵情况,并用SAS软件对温度、鸡粪与水稻秸秆配比和累积产气量的关系进行多元回归分析。【结果】25~40℃条件下,各配比鸡粪与水稻秸秆均能正常发酵产生沼气,发酵时间随温度上升而下降,鸡粪与水稻秸秆各配比对发酵时间无显著影响;随着温度的升高,除鸡粪与水稻秸秆配比为1∶1时的累积产气量升高外,其余配比处理的累积产气量均呈先增加后降低的变化趋势。通过模型分析,可知在发酵温度为35.5℃,鸡粪与水稻秸秆的配比为1.86∶1时,累积产气量最大可达9 290.9 mL。【结论】确定了鸡粪水稻秸秆沼气发酵的最佳温度和最适配比,为提高厌氧发酵的产气速率提供了依据,也为秸秆的合理利用提供了条件。     

不同黄贮预处理对水稻秸秆干法厌氧发酵特性的影响

针对长三角水源区高C/N水稻秸秆干法厌氧发酵产气效率低的问题,利用自制全自动不锈钢发酵罐装置,探索了不同黄贮预处理技术对厌氧发酵效率的影响,并从预处理前后物料结构变化与降解效果方面对秸秆产沼机理进行了初探。结果表明,在发酵物料C/N为50的条件下,8 mg·L~(-1)Ca(OH)_2的稀碱处理组和稀释20倍沼液的微生物处理组产气效果最佳,单位干物质产气量分别达407 L·kg~(-1)VS与397 L·kg~(-1)VS,总产气量分别是对照组的1.64倍和1.59倍,可以达到最佳C/N条件下的80%～115%,表明适宜的预处理方式可在一定程度上解决因氮源不足造成的产气效率低下问题。两种预处理方式均可使水稻秸秆表面蜡质层、颗粒物与丝状物分解,进而提高纤维素类物质降解效率。研究表明,稀碱预处理可缓冲发酵前期酸化对产气的抑制作用,沼液处理组可显著提高发酵初期沼气中的甲烷含量,但所需预处理时间相对较长,约为稀碱预处理的4倍,工程应用中可根据实际需求选择适合的预处理方式。