畜禽粪便与玉米秸秆厌氧消化的产气特性试验

为设计厌氧消化器的有效容积提供参考,该文研究了不同混合比例下的粪便与秸秆在厌氧消化过程中的膨胀特性,同时在35℃条件下,采用批次模拟厌氧消化,对3种典型畜禽粪便和3种不同贮存方式的玉米秸秆进行中温厌氧产气特性试验,分析了6种典型物料的产气规律。试验结果表明:猪粪在厌氧消化过程中会发生膨胀,且干物质含量越高,膨胀系数越大;3种典型畜禽粪便以猪粪的产气效果最好,干物质产气量达到375.5mL/g;不同贮存条件下农作物秸秆的理化特性对产气特性有很大的影响,3种贮存条件的玉米秸秆以黄贮秸秆的产气效果最好,干物质产气量达到445.8mL/g。该文为物料贮存条件选择和优化厌氧消化工艺提供了依据和参考。     

CaO预处理提高玉米秸秆厌氧消化产沼气性能

为探索CaO预处理方法对玉米秸秆厌氧消化产沼气的影响,采用了3种不同质量百分数的CaO分别在3种不同处理时间下对玉米秸秆进行预处理,并在中温条件下进行了厌氧消化试验。试验结果表明,经过CaO预处理后,玉米秸秆的组分被不同程度破坏,厌氧消化产沼气能力有较大提高,厌氧消化时间有所缩短。综合日产气量、累积产气量、厌氧消化时间等各项参数来看,以5%CaO预处理3d的处理效果最佳,与未经预处理的效果相比,累积产气量提高了136.85%,消化时间缩短了5d,总固体（TS）和挥发性固体（VS）去除率分别提高了21.72%和7.18%,综合效果要优于其他处理组,有效地提高了玉米秸秆厌氧消化的产气量和产气效率。     

秸秆厌氧消化产甲烷的研究进展

近年来,随着国际能源紧缺与环境污染的日趋严重,秸秆厌氧消化产甲烷技术再次成为国内外学者研究生物质固废处理的热点之一。农作物秸秆厌氧消化产甲烷为大量廉价易得的生物资源转化为可再生能源提供了一个新机会。通过厌氧消化,不仅改善农村生态环境质量,还产生了清洁能源沼气,真正实现变废为宝,对解决农村用能和种植业污染问题有重要意义,也是目前中国最有希望实现产业化的生物质能源之一。然而,由于秸秆的特殊物理化学结构,使得微生物与酶很难对其吸附、降解,并因此限制了秸秆厌氧消化的推广、应用。尽管在当前中国的鼓励政策下,许多秸秆沼气示范工程建成并投入生产,但实际运行中依旧有些问题亟待解决。该文根据国内外关于秸秆厌氧消化产甲烷技术的最新研究成果,基于厌氧消化原理和原料特性分析的基础上,分析了影响秸秆产甲烷的因素及不足,总结了产气优化的方法,展望了秸秆厌氧消化产甲烷的发展方向。该项研究结果对推广秸秆厌氧消化产甲烷、加快生物质固废的资源化成果转化具有积极的推动意义。     

储存方式对生物质燃料玉米秸秆储存特性的影响

为了解不同储存方式对农作物秸秆理化特性变化规律的影响,该文针对整株、打捆、粉碎3种预处理方式、且分别储存在露天、覆盖、密封条件下的秸秆进行为期5个月的试验研究。结果表明,粉碎秸秆的全水分、灰分较高,分别比整株与打捆秸秆高出约3.46%、3.83%与5.95%、4.62%;但挥发分较整株、打捆秸秆分别低5.81%、4.47%;密封储存全水分、灰分较露天、覆盖储存高,挥发分较露天、覆盖储存低。秸秆储存期间,温度平均值变化不明显,极差仅在3.24~3.71℃之间,温度最高值可达50℃左右,故应保持良好的通风。发热量与全水分呈负相关变化,与整株和打捆秸秆相比,粉碎秸秆发热量下降约1 000 k J/kg左右。秸秆长期储存时,应优先选择整株或打捆秸秆,露天和覆盖储存则需要进一步研究。     

固体浓度对猪粪厌氧消化甲烷产出特性的影响

利用自动甲烷潜力检测仪(AMPTS),在35℃条件下,设置TS2%、TS6%、TS10%和TS14%共4个总固体浓度的猪粪水进行厌氧消化试验,观测其日产气量及其甲烷浓度的变化过程。结果表明:各处理的日产气量均在第一天达到最高值,并随着消化天数的增加逐渐下降,固体浓度越高产气结束越晚。固体浓度越高初期产生的甲烷浓度越低,但随发酵时间延长高浓度处理的甲烷浓度逐渐提高,TS6%处理后期产甲烷浓度最高可达76.1%。在TS2%~10%时随固体浓度升高甲烷的总产量逐渐提高,而TS14%处理与TS10%处理的甲烷总产量无显著差异。计算表明,TS2%、TS6%、TS10%和TS14%处理的单位化学需氧量(CODcr)产甲烷率分别为311.5、409.7、488.8和357.4mL/g,单位挥发性总固体量(VS)产甲烷率分别为330.1、491.3、473.1和333.4mL/g,其中TS6%和TS10%处理的单位甲烷产率较高。说明固体浓度对猪粪厌氧消化过程及甲烷产率有较大影响,选择适宜的固体浓度有利于提高厌氧消化的甲烷产率。研究结果可为猪场沼气工程控制参数选择和粪便管理温室气体清单编制提供数据参考。     

NaOH预处理甘蔗叶与猪粪-牛粪混合厌氧消化工艺参数优化

为探究Na OH预处理甘蔗叶与猪粪、牛粪混合厌氧消化性能,该文在研究甘蔗叶分别与猪粪、牛粪不同配比厌氧消化性能及动力学特性的基础上,采用Box-Behnken试验设计方法开展3种物料混合厌氧消化试验,并运用响应曲面法模拟和优化温度、混配比、C/N 3个工艺参数。结果表明,甘蔗叶与动物粪便混合厌氧消化时产生了协同作用,累积沼气产量比假设未产生协同作用的理论计算值提高了8.13%～15.01%;修正的Gompertz模型可以较好地模拟2种物料混合厌氧消化的动力学过程,相关度系数大于0.998;甘蔗叶与猪粪/牛粪(1:1)混合(甘蔗叶与粪比为1)厌氧消化的最优工艺条件为:温度36.5℃,C/N比27∶1,该条件下混合物料的单位干物质产沼气量实测值为337.5m L/g,与预测值(331.92 mL/g)非常接近。     

搅拌转速对稻草厌氧消化性能的影响

为了提高稻草厌氧消化效率,采用批式厌氧消化,研究了不同搅拌转速（高转速120 r/min、中转速80 r/min和低转速40 r/min）对稻草厌氧消化性能的影响。结果表明,搅拌转速对稻草厌氧消化的产气性能有很大影响。高转速搅拌时厌氧消化效果较好,单位挥发性固体VS产气量为451.6 mL/g,分别比中转速搅拌和低转速搅拌提高了20%和107%;高转速搅拌的消化时间T80为46 d,比中转速搅拌缩短了16 d。高转速和中转速搅拌时,厌氧消化反应器的混合效果良好,物料混合均匀,系统中适宜的pH值和较高的碱度有利于维持系统的稳定和较高的微生物活性,其总固体TS、挥发性固体VS降解率均高于低转速搅拌,产气性能明显优于低转速搅拌。因此,增加搅拌转速可以提高稻草的厌氧消化性能。     

低温产甲烷菌群对玉米秸秆低温厌氧消化的生物强化作用

为研究产甲烷菌群对秸秆低温厌氧消化的生物强化作用,将长期驯化的低温产甲烷菌群投加至秸秆厌氧消化体系中,对比不同添加剂量（3%、6%、9%、12%、15%和18%）对低温（20 ℃）批式厌氧消化性能的影响。对产甲烷性能、中间代谢产物进行统计学和动力学分析,评价生物强化效果,确定最佳剂量,结合微生物群落分析揭示生物强化作用机制,结果表明：生物强化可促进秸秆低温厌氧消化,提高甲烷率1.27～2.35倍,促进乙酸和丙酸的降解,避免酸抑制,相比对照组缩短厌氧消化时间（T80）12～19 d;动力学分析表明：生物强化可缩短厌氧消化的延滞期;统计学分析表明：强化甲烷产量的最佳剂量为12%,单位质量菌群强化甲烷产量的最佳剂量为6%;微生物群落分析显示生物强化促进低温厌氧消化的主要原因是提高了产甲烷菌Methanothrix 和Methanosarcina相对丰度。     

载体对牛粪厌氧消化性能及微生物附着的影响

在30℃条件下，采用两步流动发酵方法，观察尼龙纤维、玻璃纤维和聚丙烯网状球形载体对牛粪厌氧发酵pH值、沼气产量和载体表面微生物附着的影响。实验结果表明， 随着牛粪浓度的增加，pH值有增加的趋势。反应器的沼气产量明显随着牛粪浓度的增加而提高，当牛粪浓度由5%提高到7%时，沼气产量提高12.5%，而牛粪浓度提高到10%时，沼气产量提高33.3%。在7%牛粪流动发酵期间和10%牛粪流动前期，添加尼龙纤维和玻璃纤维载体可显著提高沼气产量。扫描电镜照片显示，不同载体表面附着的微生物种类和数量不同，尼龙纤维表面附着的微生物种类和数量高于玻璃纤维和聚丙烯球形载体。     

载体对牛粪厌氧消化性能及微生物附着的影响

在30℃条件下,采用两步流动发酵方法,观察尼龙纤维、玻璃纤维和聚丙烯网状球形载体对牛粪厌氧发酵pH值、沼气产量和载体表面微生物附着的影响。实验结果表明,随着牛粪浓度的增加,pH值有增加的趋势。反应器的沼气产量明显随着牛粪浓度的增加而提高,当牛粪浓度由5％提高到7％时,沼气产量提高12．5％,而牛粪浓度提高到10％时,沼气产量提高33．3％。在7％牛粪流动发酵期间和10％牛粪流动前期,添加尼龙纤维和玻璃纤维载体可显著提高沼气产量。扫描电镜照片显示,不同载体表面附着的微生物种类和数量不同,尼龙纤维表面附着的微生物种类和数量高于玻璃纤维和聚丙烯球形载体。     

堆肥预处理对稻秸厌氧发酵产气量的影响

堆腐作为秸秆厌氧发酵的预处理技术已广泛使用,但堆腐也会使秸秆中部分有机物损失,了解堆腐损失有机物对秸秆总产气量的影响,可以更客观地评价堆腐预处理技术的可行性。该试验在室内中温（35℃）、总固体（TS）质量20%条件下,研究了稻秸堆肥预处理、添加猪粪对稻秸产沼气的影响,分析了堆肥预处理以及厌氧发酵前后稻秸组分的变化,估算了堆肥预处理对稻秸总固体质量产气量的损失。结果表明：稻秸堆肥预处理并不能增加稻秸产气量与甲烷含量,堆肥预处理使稻秸的半纤维素量损失了12%以上,从而降低了稻秸总固体质量产气量。厌氧发酵中稻秸半纤维素降解率最高,对稻秸产气贡献率最大。由此可见,堆肥预处理方式并不能提高稻秸厌氧发酵的产气量。     

稻草与鸡粪配比对混合厌氧消化产气率的影响

为获得稻草与鸡粪混合厌氧消化较佳的原料配比,以稻草和鸡粪为原料,在初始挥发性固体(VS)负荷为6%和中温(37℃)条件下,考察不同的稻草与鸡粪VS配比(0:1、1:2、1:1、2:1、1:0)对混合厌氧消化过程的影响。结果表明,不同配比条件下厌氧消化均没有出现挥发性有机酸或氨氮抑制,整个发酵过程的pH值稳定在6.8～8.2;与稻草和鸡粪单独厌氧消化相比,混合厌氧消化能够显著提高原料产气率;在稻草与鸡粪VS比分别为0:1、1:2、1:1、2:1、1:0时,实际挥发性固体甲烷产率分别为212.43、240.45、250.28、206.09和178.03mL/g,实际平均甲烷体积分数分别为58.8%、50.5%、50.8%、49.2%和50.1%;C/N在11.2～47.5,甲烷产率和沼气产率的实际值与理论值之比(Ya/Ym)呈现先上升后下降趋势,在C/N为17.8时,Ya/Ym达最大值。在中温厌氧消化工程应用中,建议稻草与鸡粪VS比为1:1,或控制配比后混合原料的C/N约为17.8,设计发酵停留时间为23d,挥发性固体产气率为446mL/g。     

稻秸厌氧发酵产沼气预处理

秸秆厌氧发酵是一种有效的秸秆利用途径,秸秆预处理对发酵过程影响显著,为了探索合理的预处理方法,该文对秸秆预处理工艺进行了研究。以稻秸为原料,首先研究了不同浓度的Ca(OH)2溶液浸泡对秸秆有机物降解的影响,当采用9 g/L Ca(OH)2溶液时,5 d溶出化学需氧量（COD）可增加75.9%,说明碱处理能有效促进秸秆水解。但同时,碱处理容易导致厌氧系统酸化,在未调节pH值的情况下,碱处理的总产气量较对照组降低17.4%。然后通过二次正交旋转组合设计试验,研究了秸秆厌氧发酵预处理中秸秆粉碎粒度、C/N、堆沤时间3个因素的改变对产沼气量的影响。建立了沼气产量的二次多项式数学模型,得到了秸秆厌氧发酵预处理的优化工艺条件：秸秆粉碎粒度为4～6 mm,C/N为40,堆沤时间为8 d。表明预处理过程中秸秆无需过度粉碎,且预处理使得高C/N原料正常发酵,为利用秸秆等高C/N原料厌氧发酵提供了试验依据。     

香蕉秸秆与牲畜粪便固体联合厌氧发酵产沼气的特性

为了探讨香蕉秸秆与牲畜粪便的组合对固体厌氧发酵产沼气特性的影响,该文在20%的固体质量分数和中温(35±1)℃条件下,分别开展了不同质量分数的牛粪或猪粪与香蕉秸秆的联合厌氧发酵产气性能的比较研究。结果表明,与香蕉秸秆单独厌氧消化相比较,分别组合质量分数为75%的牛粪和猪粪,沼气累积产量可提高1.3～2.0倍。虽然组合猪粪或牛粪皆可改善底物厌氧消化产气性能,促进产气量的提高,但二者对改善底物的厌氧产气特性的影响不同,组合猪粪可以显著增强产气效率。对于猪粪与香蕉秸秆的组合底物,当猪粪的质量分数为50%时,甲烷产率和累积甲烷产量达到最高值,分别为191 mL/g和12.7 L,较牛粪与香蕉秸秆的组合底物分别提高了69%和92%。而沼气产率和累积沼气产量最高值出现在猪粪的质量分数为75%时,较牛粪与香蕉秸秆的组合底物分别提高了18%和32%,达到365 mL/g和23.9 L。此外,2种牲畜粪便的组合亦可显著增强底物中纤维素和半纤维素降解,它们的降解率相较于香蕉秸秆单独厌氧消化最高可提高1.2和3.6倍。该文研究结果可为香蕉秸秆和牲畜粪便固体厌氧产沼气工程提供参考。     

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。     

粪草比对干式厌氧发酵产沼气效果的影响

弄清粪草比对干式厌氧发酵产气效果的影响,对改进干式厌氧工程具有重要意义。该文按A、B、C、D设计了4组试验：A组为单独猪粪,B组为单独稻草,C组为猪粪与稻草质量比2︰1,D组为猪粪与稻草质量比1︰2。试验进行了62 d,反应温度设定为（35±1）℃,各组反应的TS（总固体）浓度均为30%。结果显示,产气曲线出现拐点的时间A组在第48 d,B组在第40 d,C组在第26d,D组在第25 d。C、D两组总产气量分别为15715 mL和13186 mL。而根据A、B两组单独原料产气量推算,C、D两组的产气潜力分别为15168 mL和13838 mL。实际测量值与计算值没有显著差别。调节粪草比可以从原料转化速率方面促进发酵效率,并不能提高原料的产气潜力。因此,粪草比改善的优势可能是改良原料结构和调节原料营养,而不是改善发酵原料的转化潜力。     

水稻秸秆序批式干发酵产沼气中试及其动力学研究

干发酵处理有机废弃物或生物质废弃物等具有处理量大,用水量少,处理周期短等优势。该试验以水稻秸秆为原料(269 kg,TS为89.19%±0.24%),用沼液(500 kg)调节水稻秸秆含水率至67.58%,覆膜堆沤3 d,并以运行良好沼气池污泥为接种物(300 kg,接种量为28.06%,TS为1.88±0.07%),室温(30~35℃)条件下进行周期为55 d的干发酵中试试验。试验结果表明:反应55 d后,秸秆累积产气量为308.20 m3/t,累积产甲烷量为167.44 m3/t,最高甲烷体积分数达57.88%,最大日产气量为2.33 m3。通过Gompertz模型对水稻秸秆产甲烷曲线进行拟合,拟合出的产甲烷潜力值和实际的产甲烷潜力值很接近,R2为0.990 7,显示出较高的准确性。该研究可为序批式干发酵法处理水稻秸秆提供理论依据和指导。     

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。