射流搅拌提高牛粪中温厌氧发酵产沼气性能

现有中温沼气工程的搅拌方式以机械搅拌和沼液回流搅拌为主,存在产气率低、设备难以维护、长期运行不稳定等问题。该研究设计了一种射流搅拌技术,集沼液回流搅拌和沼气搅拌于一体,试验用于牛粪中温厌氧发酵产沼气。通过沼气产率、营养基质消耗、微生物种类和数量的变化等方面分析射流搅拌强化牛粪中温厌氧发酵产气的效果及机理。结果表明:发酵期30 d内,无搅拌、机械搅拌、沼液回流搅拌和射流搅拌的总产气量分别为52.34、64.30、61.97和71.22 L;原料产气量分别为0.238、0.292、0.282和0.324 L/g,射流搅拌厌氧反应器的原料产气量比无搅拌、机械搅拌、沼液回流搅拌分别提高了36.1%、22.9%、18.4%;射流搅拌方式中化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)降解率最高达到60.8%;在产甲烷高峰期发酵第10天左右,射流搅拌反应器内产甲烷菌最大值达2.0×108个/m L;挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)浓度的降速较其他有搅拌方式快,VFA无积累,不受高浓度VFA的产物反馈抑制或底物抑制。     

蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用

该文采用蒸汽爆破技术对秸秆进行预处理,探讨提高秸秆厌氧发酵产气量的新工艺.研究蒸汽爆破预处理的关键参数"爆破压力"和"保留时间"对秸秆厌氧发酵效果的影响.结果表明:蒸汽爆破预处理后的秸秆比未经预处理秸秆厌氧发酵的产气量提高34%～67.36%,蒸汽爆破预处理压力在3.0 MPa、保留时间为90 s时,每克干秸秆厌氧发酵沼气产量最大值达到304.72ml;蒸汽爆破预处理后,秸秆厌氧发酵的启动时间和发酵周期大大缩短.     

柔性顶膜车库式干发酵装置运行参数优化

针对湿发酵工艺存在需水量大、沼液处理成本高、发酵原料单一、发酵浓度小、单位容积产气率低等不足,研究一种新型干法厌氧发酵工艺,并对干发酵工艺条件进行优化研究,旨在为干发酵沼气工程提供发酵原料最佳配比、沼液传质传热最佳效果、发酵原料最大降解率、单位容积产气率最高、沼气工程运行时间最短、成本最低等工艺参数,为当前国内干发酵沼气工程的健康、稳定运行提供一定的科学依据。该文应用设计的柔性顶膜车库式干发酵装置,以秸秆、牛粪混合物为发酵原料,进行了厌氧干发酵生产试验。研究了物料配比、发酵温度、沼液喷淋次数、发酵时间四因素对产气量和原料降解率的影响,通过L9(34)正交试验设计,对运行工艺进行优化,并与湿发酵方式进行了比较。结果表明:该装置的最佳运行工艺参数为:物料配比牛粪∶秸秆为4∶1、发酵温度35℃、沼液每天喷淋2次、发酵时间35 d。此时容积产气率为0.63m3/(m3·d)、CH4体积分数为65%、原料降解率为45%,容积产气率和原料降解率均高于湿法厌氧发酵方式。该厌氧发酵工艺克服了湿法厌氧发酵的不足,为厌氧干发酵规模化生产提供参考。     

膜技术在沼气工程沼液减量化处理中的应用

厌氧发酵产沼气作为主流的能源化技术,在有机废弃物的处理中发挥了重要作用。沼液作为沼气工程的主要副产物,由于其产量大、含水率高,在资源化利用过程中存在储存运输困难、难以及时消纳利用等问题,需要进行减量化处理。利用膜技术浓缩沼液可大幅降低沼液体积,产生大量淡水资源,同时获得含高浓度营养物质的浓缩液,已展现出广阔的应用前景。该研究归纳了厌氧发酵沼液的水质特性,综述了固液分离预处理,微滤(Microfiltration,MF)、超滤(Ultrafiltration,UF)、纳滤(Nanofiltration,NF)、反渗透(ReverseOsmosis,RO)、膜蒸馏(MembraneDistillation,MD)和减压膜蒸馏(Vacuum Membrane Distillation,VMD)等沼液膜浓缩技术,总结了各技术的处理原理及当前国内外研究进展,重点探讨了需解决的关键瓶颈问题,并对膜技术应用于沼气工程沼液减量化处理进行了展望与建议。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

江苏省大中型沼气工程调查及沼液生物学特性研究

近年来,中国大中型沼气工程发展迅速,然而有关沼气工程运行情况的研究甚少。为探索沼气工程运行中存在的问题,该文对江苏省21家畜禽养殖场大中型沼气工程进行了实地调查,并采集发酵料液以及出料样品,分析了进出料液COD(化学需氧量)质量浓度、沼液产气潜力、粪大肠菌群数等指标。结果表明:江苏省沼气工程设计施工规范,配套设施较完备,但运行效率低,沼气、沼液处理或利用能力低。大多数沼气工程以处理养殖废水为主,发酵料液固体质量分数<3%,62%的出料沼液的COD质量浓度达到5000mg/L以上;沼液残余产气潜力较大,在35℃条件下,有12家沼气工程的沼液残余产甲烷量达100mL/L以上。沼气发酵处理可以显著降低粪大肠菌群含量,平均可减少92.9%,但厌氧消化后的沼液中仍含有较高浓度粪大肠菌群,不能达到无害化要求。该调查结果可为畜禽养殖场沼气工程的健康稳定运行与管理提供科学依据。     

沼液联合冻融预处理对水稻秸秆理化特性的影响

农业秸秆厌氧发酵生产沼气、氢气潜力巨大,然而受其自身结构影响,秸秆直接厌氧发酵生物质能转化率较低,需要经过前期预处理以打破秸秆木质素的复杂结构,提高秸秆纤维素、半纤维素的利用率。冻融预处理秸秆技术操作简单、预处理效果好,但目前冻融预处理过程常用的酸碱浸泡液易造成潜在环境污染风险。该研究针对中国北方冬季气温低的特点,以水稻秸秆为原料,选取富含氨氮的厌氧发酵副产物：沼液作为浸泡液,模拟北方冬季自然平均最低气温（-20 ℃）,基于单因素、正交试验,系统研究沼液浸泡联合冻融预处理水稻秸秆的理化特性及规律。结果表明：沼液联合冻融预处理后,水稻秸秆的木质素结构及分子间氢键发生显著破坏,O-H、C-H、C＝C、C＝N、N＝N、N＝O等基团的吸收峰均呈现减弱趋势,水稻秸秆晶型结构未改变,但结晶度显著降低,最低降至29.82%,比较原秸秆结晶度减少21.38%;沼液浸泡过程可将水稻秸秆C/N显著降至30以下,而冻融过程对沼液浸泡后秸秆C/N的影响不显著,最低降至28.19;浸泡时间与冻融循环次数对木质素去除率交互影响显著,而浸泡温度与浸泡时间、液固质量比对挥发性脂肪酸（VFAs）浓度均具有显著交互影响,沼液联合冻融预处理水稻秸秆过程木质素去除率和VFAs浓度最高达到40.06%和4 140 mg/L。研究结果为北方冬季秸秆冻融预处理的低成本广泛应用及冻融预处理的无害化奠定理论基础。     

NaOH预处理对水稻秸秆沼气发酵的影响

以水稻秸秆为原料,在试验室自行设计的小型沼气发酵装置上进行了厌氧发酵试验,研究不同质量百分数NaOH预处理对水稻秸秆沼气发酵的影响。结果表明,经过NaOH预处理后,水稻秸秆组分被破坏,其中半纤维素降解十分明显;产气量较对照组有明显增加,发酵时间有所缩短。其中NaOH质量百分数为6%的处理组产气率最高,为246.6 mL/g（干物质）,且甲烷体积分数最高达50%。综合来看,以NaOH质量百分数为6%的预处理效果最为理想。     

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。     

基于能值分析的规模化沼气工程沼液回流工艺生态效益评价

为评价沼气工程沼液回流以及不回流2种模式的优劣,该研究引入相对能值转换系数和生态投入能值的概念,给出了三沼分配产出能值的方法,并选取D(CSTR工艺)和L(USR工艺)2座具有代表性的沼气工程实例应用,每个工程均设定沼液回流和不回流2种模式相对应,利用能值评价指标对2座工程进行了详细的分析。结果表明D工程各项评价指标优于L工程,沼液不回流模式优于沼液回流模式;但当沼气工程无途径消纳产生的沼液时,回流模式可以降低沼液对周边环境的污染,此时沼液回流模式优于不回流模式,L工程周边土地较少,采用回流工艺使环境负载率由2.15降低为1.05,能值可持续指标由0.41增加到0.93。采用何种模式要根据工程实际情况而定,建议沼气工程每处理每吨VS(鸡粪)需配备的土地为0.5 hm~2/t,处理每吨VS(牛粪)需配备土地0.2 hm~2/t,当周边土地小于需配备土地时,沼气工程应适当采用沼液回流。     

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。     

喷淋次数和接种量对序批式秸秆牛粪混合干发酵产气性能的影响

序批式干法厌氧发酵产沼气技术可明显提高有机废弃物处理能力,但在提高以秸秆为主的农业废弃物发酵效率核心工艺及产气性能方面还缺乏系统的研究。该文通过调节喷淋次数和接种量研究了以玉米秸秆为主要原料的序批式干法厌氧发酵产气性能,并通过模型拟合、水解产物分析等手段揭示了影响水解和甲烷生产的制约因素。结果表明,调节喷淋次数和接种量均对沼气产量具有显著性影响（P<0.05）。喷淋次数为4次/d,接种量不低于质量分数20%时,沼气产量最大为251.6 L/kg。而且,产气高峰期甲烷体积分数平均为55%左右。增加接种量、提高喷淋次数可有效促进底物的水解。但是,甲烷产量、最大产甲烷率却呈现先增加后降低的趋势,并明显受到有机酸（丙酸）、氨氮积累浓度的制约,水解产物高效转化对提高产气效率具有重要作用。该研究可为改善秸秆序批式干法厌氧发酵工艺优化提供理论指导。     

大中型畜禽养殖场粪污厌氧发酵处理与6G新工艺技术的应用

建设沼气工程是解决我国大中型畜禽养殖场粪便污染行之有效的措施之一,目前实际运行过程中普遍存在着投料浓度低、发酵温度不高、产气率低、沼液量大且难以有效再利用等诸多问题。采用高浓度厌氧发酵技术以及高温发酵技术,可以在总含固率10%~30%的高浓度和52℃的高温度下,实现90%的高搅拌率、2.0 m3.m-3.d-1以上高产气率、节省90%能量的高节能、罐体节省50%投资的高性价比的综合效果。     

沼液预处理玉米秸秆产沼气工艺参数优化

沼液作为厌氧发酵的废弃物处理存在困难,但沼液可以对秸秆类原料进行预处理,为沼液的综合利用提供可能。为优化沼液预处理玉米秸秆的条件,提高玉米秸秆厌氧消化产气量,该文以沼液预处理前后的纤维素、半纤维素、木质素含量以及产气量为指标,根据CCD(centralcompositedesign)试验设计原理,选取沼液添加比例、温度和时间为因素,建立三者之间的模型。试验结果表明:随着预处理TS(total solid)的降低,时间的延长,木质纤维素的降解率越高,而温度在30℃时木质纤维素的降解率达到最大。从产气量来看木质纤维素降解率并不是越高越好,过分的追求木质纤维素的降解会对产气量产生影响,经过响应面法优化产气量后得出最佳的预处理工艺为:沼液添加比例19.08%、预处理温度(30±1)℃、预处理时间为5 d,总产气量可提高30.76%。     

麦秸与牛粪混合堆沤预处理厌氧干发酵产沼气中试试验

为阐释堆沤预处理对厌氧干发酵的影响,该文以小麦秸秆和牛粪为发酵原料,采用新型柔性顶膜车库式干发酵装置,在环境温度为26~35℃及发酵底物总固体质量分数为20%的条件下,研究麦秸与牛粪混合堆沤预处理后厌氧干发酵产气特性,分析了堆沤预处理以及厌氧发酵前后麦秸组分的变化。结果表明:堆沤预处理可以明显缩短厌氧干发酵的启动时间,提前工程运行中甲烷体积分数达到30%的产气收集要求时间,加快干发酵进程,进而间接加大了干发酵装置的处理能力,同时能使产气中甲烷体积分数提高10%以上,有效提升沼气品质。堆沤过程中虽有部分半纤维素被降解,损失了部分碳源,但堆沤后麦秸中纤维素的降解率提高了7%以上,累计产气量略有减少,但影响不大。