覆膜槽沼气规模化干法发酵技术与装备研究

研制了以覆膜槽生物反应器(MCT)为核心的沼气规模化干法发酵系统。该系统采用\"软管充气膨胀压力密封联接装置\",实现了反应器厌氧―好氧状态的快捷转换,解决了大规模快速进出料的问题,并可直观判断反应器中沼气的存留量,操作简便、安全;利用固态有机物料好氧发酵产生的生物能获得中温厌氧发酵所需温度,并辅以高效的保温措施,无需外加热源,即可维持厌氧发酵的中温(35～42℃)运行;采用单元化设计,通过增减启动厌氧反应器的数量,可满足不同用气量的要求。建设了生物反应器容积为180 m3的沼气干法发酵中试工程。该中试工程容积产气率为0.598 m3/(m3.d),沼气甲烷含量55%～60%。     

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℃。     

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.     

蔬菜废弃物中温厌氧发酵酸化失稳预警指标筛选

厌氧消化是一种可以较好地将有机废弃物处理和能源回收结合的生物技术,它是多种厌氧微生物共同参与、分阶段有序进行的复杂串联代谢过程。其中产甲烷菌对环境最敏感、代谢速率最慢,产甲烷阶段往往是厌氧消化系统的瓶颈,水解酸化与产甲烷两阶段不能较好地匹配,极易受到抑制。针对蔬菜废弃物厌氧发酵易酸化的特点,该试验旨在筛选发酵体系酸化失稳预警指标,采用自行设计的70 L反应装置,在中温35℃条件下进行蔬菜废弃物厌氧发酵的连续冲击负荷试验。通过对发酵过程中的气相及液相指标监测,该研究筛选出4类失稳预警指标,分别为:1)甲烷与二氧化碳的比值。当CH_4/CO_21.06时,系统出现酸化现象,提前18 d对厌氧发酵系统做出预警指示,具有最强的失稳预警性;2)挥发性脂肪酸。当丙酸、正/异丁酸、正/异戊酸出现突变时,系统出现酸化征兆,分别在17、15和15 d对厌氧消化体系做出失稳预警;3)碱度。包括总碱度(total alkalinity,TA)、碳酸氢盐碱度(bicarbonate alkalinity,BA)、及挥发酸盐碱度(intermediate alkalinity,IA)的耦合性指标,当BA1500 mg/L、BA/TA0.8或IA/BA0.4时,系统提前13、12和12 d做出酸化预警指示,此时发酵体系缓冲性能较差,系统极易出现挥发性脂肪酸的累积进而导致系统酸化失稳;4)氧化还原电位和pH值在整个厌氧消化过程中均持续微弱变化,利用其绝对值很难做出失稳判断,利用其相对变化值可做出失稳判断,骤变分别发生在产气彻底停止前第5天和第4天,预警能力较弱。在工程实际应用中,相比液相指标而言,气相指标的监测更容易实现,建议CH_4/CO_2作为预警指标。     

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。     

基于地下水源热泵的寒区沼气工程加热模式的探讨

合理选择节能环保型沼气发酵料液加热增温的模式和设备,是北方高寒地区发展大中型沼气工程必须解决的问题。该文提出了利用地下水源热泵对沼气发酵系统进行加热的模式,通过沼气工程应用实例与现场测试,验证了地下水源热泵加热系统对保持沼气中温发酵系统稳定运行的作用;获得了热泵机组的平均能效比为4.39,加热系统平均能效比为2.71;热泵机组一次能源利用系数为1.27,高于燃煤锅炉直接供热方式近1倍。同时通过对加热系统在2010-09-29—2011-02-25供热期内的实时跟踪监测,获得系统的实际能耗为4.79×108kJ,与燃煤锅炉直接供热方式相比,可节约标准煤10.8t,节约标准煤44%,减少二氧化碳排放量25.9t。结果证明地下水源热泵加热系统应用于沼气工程中是可行的,具有高效节能,运行稳定可靠,环境效益显著等优点,可为热泵技术在寒区沼气工程中的应用提供参考。     

梯度提高进料浓度对鸡粪连续中温发酵产甲烷的影响

通过长期中温甲烷发酵试验,考察了不同进料总固体质量分数(total solid,TS)(5%、7.5%、10%和15%)和有机负荷(organic loading rate,OLR)(2.5、3.75、5和7.5 g/(L·d))下鸡粪中温甲烷发酵效果,采用批次试验测定了各阶段污泥利用乙酸的产甲烷活性。330 d的连续试验显示,TS由5%增至15%,出料氨氮质量浓度由(2 110±370)mg/L增至(6 890±220)mg/L,挥发性脂肪酸由(360±100)mg/L增至(8 800±500)mg/L,TS产甲烷率由(253±9)m L/g降至(173±22)m L/g。长期采用TS10%和15%的进料,氨氮质量浓度分别达到(6 510±300)和(6 890±220)mg/L,TS产甲烷率分别为(203±13)和(173±22)m L/g,比TS5%的降低了20%和32%。批次试验结果表明,氨氮累积导致微生物利用乙酸产甲烷的能力降低,当氨氮质量浓度达到6 500和7 000 mg/L时,乙酸产甲烷活性分别降低59%和98%。鸡粪中温甲烷发酵能够在进料TS为5%和7.5%下稳定运行;进料TS达到10%,甲烷发酵水解、酸化和产甲烷将受到抑制,造成有机物转化率的降低。该研究建议鸡粪中温甲烷发酵的TS不超过10%。     

重庆养猪场自给能源废水中温发酵系统温度调控研究

该文提出了针对中小规模养殖场废水治理的一种能源自给的中温UASB(上流式厌氧污泥床)工程系统。该系统中发酵温度高于常温UASB,并且随季节变化不大,反应速度快,处理效果好,产气率高且稳定。在设计实例的基础上分析了中温UASB工程系统工作的合理废水温升选择的依据和方法和废水加热系统的调节方法。为了适应重庆的气候特点,计算分析得出了适当的温升控制方案。研究结果表明：在年平均气温高于14.2℃的地区,不需要额外的燃料补充即可使用该系统进行中温厌氧处理废水,发酵温度可维持在28℃以上。     

镁离子对沼气反应器中莴笋皮和马铃薯皮发酵产气特性的影响

为了提高沼气反应器对发酵原料利用率,缩短发酵周期,提高产气率,该文试验研究了镁离子添加量分别对以莴笋皮和马铃薯皮为发酵原料的抗结壳沼气反应器产气性能的影响。结果表明:以莴笋皮为发酵原料,每升沼液中镁盐最佳添加量为0.30g,池容产气率为0.398m3/(m3·d),发酵后期甲烷浓度稳定在70%左右,总产气量提高了71.4%;以马铃薯皮为发酵原料,每升沼液中镁盐最佳添加量为0.10g,池容产气率达到0.804m3/(m3·d),发酵后期甲烷浓度稳定在68%左右,总产气量提高了41.6%。因此适量的镁离子添加量能缩短沼气反应器的发酵启动时间,促进甲烷合成,显著提高反应器的产气性能。     

农村户用沼气发酵原料产气潜力及区划研究

结合能值潜力估算动物数据库模型,建立了中国农村户用沼气主要发酵原料理论户均产气潜力估算模型。并利用该模型对2007年中国农村主要沼气发酵原料理论户均产气潜力进行了估算。结果表明:发酵原料理论户均产气潜力居前五位的是西藏、青海、吉林、内蒙古和新疆,均高于2 300m3/a,其中西藏高达9 492m3/a,山西、上海、福建、广东、重庆、陕西和浙江发酵原料理论户均产气潜力较低,均低于540m3/a。在此基础上,构建了农村户用沼气发酵原料区划指标,对中国各地农村沼气发酵原料理论户均产沼气潜力进行分区,划分为沼气发酵原料最适宜区、适宜区、次适宜区和非适宜区。根据区划结果,形成了中国农村户用沼气发酵原料适宜性区划图。     

大中型沼气工程不同加热方式的经济效益分析

为解决大中型沼气工程的加热升温问题,该文以一个猪场废水处理沼气工程为例,对沼气锅炉、太阳能和沼气发电余热利用3种加热方式进行了经济效益分析。结果表明：沼气锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热利用加热3种方式的投资比为2︰11.2︰1,沼气发电余热利用加热方式的费用年值仅为沼气锅炉加热和太阳能加热方式的60%和12%;沼气发电余热利用加热方式无论从经济效益、技术性能,还是适应性、运行持久性等方面都明显优于太阳能加热和沼气锅炉加热。因此,基于中国的自然经济状况,大部分大中型沼气工程应优先选择沼气发电余热利用加热方式。     

寒区低能耗厌氧发酵反应器热工性能参数研究

厌氧发酵反应器是沼气工程中的核心装置,研究寒区低能耗厌氧发酵反应器,不仅有助于降低沼气工程的能量损耗,提高耗能与产能的产出比,而且对大中型沼气工程在北方寒冷地区的推广与应用尤为重要。低能耗厌氧发酵反应器围绕的核心问题就是在保证反应器厌氧发酵功能的前提下,能的\"量\"和\"质\"合理有效利用程度。该文以建筑于地上全混合式厌氧发酵反应器为研究对象,采用能量分析和?分析方法,从反应器的体形、围护结构保温性能以及低?供热方式等方面对寒区低能耗厌氧发酵反应器节能特性进行了分析和研究,得到了低能耗厌氧发酵反应器最佳体形为高径比为1∶2的圆柱形;提出了哈尔滨、沈阳、北京地区在冬季室外计算温度下不同规模节能型反应器顶部、侧壁围护结构导热热阻的阈值;中温厌氧发酵反应器低?热水供热系统进出口温度分别为45和38 ℃,供热系统?效率为86%,反应器供能与用能间能级差为0.018,表明能级匹配合理,用能效率较高。该研究结论可为今后寒区低能耗厌氧发酵反应器的节能设计提供参考依据。     

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。     

基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性

为同时解决农业秸秆和分散式畜禽养殖废水的资源化问题,以打捆秸秆为固定相,以猪粪废水为流动相,构筑秸秆床厌氧反应器,并在反应器后部连接废水二级厌氧反应器,研究秸秆床发酵系统的产气特性及可行性。结果表明:秸秆床发酵系统可同时处理打捆秸秆和猪粪废水,且不影响各发酵原料的厌氧生物转化率,秸秆床发酵系统中秸秆干物质产气量为394.96 mL/g,略高于秸秆单独发酵(382.11 mL/g);秸秆床发酵系统产气稳定性大幅提高,避免了单一发酵原料日产气量波动较大的问题,对产气中平均甲烷体积分数影响明显,秸秆床发酵系统、纯猪粪废水和纯秸秆发酵产气中平均甲烷体积分数分别为57.40%、60.37%和47.32%;与各物料单独发酵相比,秸秆床发酵系统平均容积产气率大幅提高,纯秸秆和猪粪废水单独发酵容积产气率仅为秸秆床发酵系统的69.42%和66.94%;试验35 d后,秸秆机械强度和孔隙度明显降低,秸秆互相粘结导气性下降,造成秸秆上浮严重及进水短流,反应器出水化学需氧量浓度快速增加并稳定在较高浓度,故在秸秆床反应器后部必须连接废水二级厌氧反应器以进一步处理秸秆床反应器出水。综合以上结果,采用秸秆床发酵系统同时处理打捆秸秆和猪粪废水是可行的,但需解决发酵后期秸秆上浮、导向性下降和进水短流等问题。     

柔性膜覆盖车库式厌氧干法发酵系统结构设计与应用

针对目前厌氧发酵中沼液沼渣量大难处理、原料预处理难、耗水量大、原料适应性差等问题,导致沼气工程运行成本高、效率低、劳动强度大、费工费时,该文设计一种柔性膜覆盖车库式厌氧干法发酵系统,可适用于多元有机物料混合厌氧发酵。该系统是将国外车库式干发酵技术和国内柔性膜覆盖技术耦合研制而成,根据厌氧干发酵生产工艺要求,确定了该发酵系统关键结构参数和运行工作参数,进行了干发酵库体的结构设计、冬季发酵增温系统设计、喷淋强化传质传热系统设计与试验。通过生产应用表明:干发酵库体的结构设计合理,增温系统设计能够满足干发酵工程冬季增温工艺要求,喷淋系统能够达到传质传热目的,发酵系统运行状况良好,产气率为0.81 m~3/(m~3·d),CH_4体积分数为67%,原料降解率为48%,该发酵系统运行稳定、可靠,大大提升了处理农村有机废弃物的能力,促进了厌氧干发酵技术的持续、健康、快速发展。     

高寒地区两相厌氧户用沼气系统设计与试验

针对高寒地区农村户用沼气发酵周期过长、产气量少的状况,该文提出并设计了适用于高寒地区农村户用的两相厌氧发酵装置,通过确立合理的工艺方案,控制两相厌氧发酵中产酸相、料液温度和pH值、水力滞留时间等因素,探讨了在哈尔滨地区最寒冷季节,所设计的新型农村户用沼气发酵装置产气量与维持发酵罐体内料液温度所消耗沼气量之间的关系。结果表明:基于两相厌氧发酵的高寒地区高效户用沼气发酵装置最高产气率为1.35m3/(m3·d),是传统沼气池产气率(0.35m3/(m3·d))的4倍。冬季1月份日均结余4.08m3沼气量足以满足三口之家照明、炊事所需能源,实现高寒地区户用沼气全年正能输出,可以取代传统沼气池。该文研究成果为今后寒地户用沼气的发展提供技术支持和参考依据。     

玉米秸中温与常温厌氧生物气化的比较研究

为解决玉米秸的资源化利用问题,提出通过厌氧消化的方法把其转化成生物气体。比较了在中温和常温条件下,不同负荷率（35、50、65 g/L）对玉米秸秆日产气量、累积产气量、总干物质（TS）和挥发性有机物（VS）消化率的影响。试验结果显示,不论是在中温还是在常温条件下,50 g/L TS负荷率都获得了较高的累积产气量;相对于常温而言,中温厌氧消化的累积产气量提高了63%,总干物质（TS）和有机物（VS）消化率分别增加33%和49%,产气速率也明显提高。因此,使用50 g TS/L负荷率,在中温条件下对玉米秸秆进行厌氧消化是比较好的。该试验结果可为玉米秸秆的大规模生物气化提供重要设计依据。