牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵工艺优化及动力学研究

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(H_2O_2、H_2SO_4、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%H2O_2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 m L·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。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

菌渣厌氧发酵制取沼气研究

以酒糟菌渣为原料,在实验室内利用自行设计的发酵装置进行了批次发酵试验,探讨了菌渣厌氧发酵的产沼潜力及影响因素,并在农户沼气池内进行了应用试验。结果表明:菌渣经过适当处理可实现高效发酵产出沼气,原料产气率可达0.133 m3/kg干物质,产气潜力约为秸秆的一半,但菌渣产沼气具有预处理方式简便、启动迅速等优点。菌渣产沼气的最佳参数为:将菌渣和牛粪以7∶3的配比(以干物重计)制作发酵原料,发酵原料、沼液、水以5∶3∶2的比例(按重量计)混合,堆沤预处理3~5 d后,投入发酵装置,添加10%的鸡粪沼液为接种物启动发酵。菌渣用于农户沼气池发酵产气可行,气温较高的季节可满足农户日常生活所需,应用时宜采取分批进料方式。     

沼气发酵不同物料比对氮素损失的影响及施用沼肥的增产效应

为探索沼气发酵的最佳物料比及施用沼肥的增产效应,分别在室内和田间进行了试验。结果显示,沼气发酵全氮平均损失率仅为482％,有效氮却为发酵前的354倍,发酵后有效氮占全氮的621％。沼气发酵处理产生有效氮量为堆肥发酵有效氮量的613倍。沼气发酵法中的氮素损失率按以下次序递减: 处理1(猪粪∶稻草=4∶1)(997%)> 处理2(猪粪∶牛粪∶稻草=1∶1∶05)(434%)> 处理3(猪粪∶牛粪∶人粪=3∶1∶1)(268%)。沼气发酵的氮素有效化率平均比堆肥发酵高415倍。在不同土壤中,水稻、玉米、小麦、棉花、油菜上施用沼肥的增产率为65%～157%,平均增产达到1138%。     

沼液预处理对蔬菜秸秆厌氧消化性能的影响

为探究不同沼液预处理时间对蔬菜秸秆厌氧消化产甲烷特性的影响，以黄瓜、番茄、茄子和辣椒4种蔬菜秸秆为原料，用猪粪沼液在（35.0±0.5） ℃分别处理3、5、7和9 d后进行中温批式厌氧消化试验。结果表明，预处理时间对蔬菜秸秆木质纤维素降解效果及其厌氧消化性能均有较大影响。随着预处理时间的延长，各蔬菜秸秆中纤维素和半纤维素的降解率逐渐提高（1.53%～24.47%和2.11%～52.48%），但木质素难以降解。不同蔬菜秸秆的最佳预处理时间不同，番茄秸秆和辣椒秸秆的最佳预处理时间均为5 d，最大累积甲烷产量分别为147.95和99.17 mL·g^-1，较未处理分别提升36.52%和26.33%；黄瓜和茄子秸秆的最佳预处理时间均为7 d，最大累积甲烷产量分别为152.42和129.84 mL·g^-1，较未处理分别提升38.00%和27.42%。同时，沼液预处理能够缩短蔬菜秸秆的厌氧消化周期（T₉₀缩短了3～8 d）。整体上，沼液处理后4种蔬菜秸秆的产甲烷性能从大到小依次为：黄瓜秸秆>番茄秸秆>茄子秸秆>辣椒秸秆。综上所述，猪粪沼液作为预处理剂可以有效提高蔬菜秸秆的厌氧消化性能，且最佳预处理时间为5～7 d。     

不同配比污泥对玉米秸秆产气特性的影响

[目的]研究玉米秸秆不同接种物浓度下的产气特性,为秸秆在大规模沼气工程中的应用提供参考.[方法]以玉米秸秆为发酵原料,接种不同比例的厌氧污泥,采用批量发酵工艺,在38℃左右条件下进行厌氧发酵.[结果]经过50d的发酵后,秸秆中大部分物质可以得到分解.当厌氧污泥和秸秆比例为10∶3(两者TS比0.57、VS比0.46)、总TS浓度为10.16%时,秸秆产气效果最佳,TS产气率为370 mL/g,沼气中甲烷含量为56.04%.[结论]玉米秸秆发酵过程中,随接种污泥比例加大,秸秆的产气量和产气率逐渐升高,但接种量达到一定比例时,原料产气量和产气率升高不再明显.     

3种添加剂对牛粪厌氧发酵的影响

在以牛粪为原料的厌氧发酵过程中,向厌氧生物反应器中分别添加FeSO4.7H2O、皂土、活性炭,研究它们对牛粪厌氧发酵产气特性的影响。试验结果表明:添加FeSO4.7H2O、皂土、活性炭均能促进牛粪的厌氧发酵,与对照组相比,产气量分别提高了11.8%、20.4%、8.8%。     

户用沼气不同发酵原料产气效果试验

对不同发酵原料的产气量、产气品质进行比较试验,结果表明：稻草和食用菌废菌料与猪粪干物质以1∶2混合发酵能提高产气量和产气品质。     

黑龙江省水稻秸秆厌氧发酵制取沼气的主要工艺条件研究

研究了发酵温度、水稻秸秆的预处理状态、接种物与原料的不同配比、发酵液酸碱度等主要工艺条件对水稻秸秆厌氧发酵产沼气的影响。设计了自动加热恒温系统,对秸秆进行了氨化处理,进行了接种物与原料不同配比、发酵液不同pH值等一系列试验,试验结果表明接种物与原料比例为1：1,发酵液pH值为7．0左右时候,产气效果好,效率高。     

基于连续运行条件下的稻秸干法厌氧发酵中试研究

为了探索连续进料运行下秸秆干法厌氧发酵的产气情况,设计了一种适用于稻秸干法厌氧发酵中试系统,研究了牛粪单发酵启动试验、不同进料方式和氮源添加下的产气特征并且进行了技术经济性分析评估。结果表明:中试装置可实现含固率为20%的秸秆物料均匀混合,提高进料效率和实现连续发酵均衡产气。发酵启动试验阶段,牛粪单发酵29 d后具备处理稻秸所需的最佳厌氧微生物体系、适宜的发酵温度等,从而使连续进料阶段快速启动。在连续进料稳定运行阶段,秸秆进料量80 kg·d~(-1)并添加猪粪(干质量)4.54 kg·d~(-1)为补充氮源,单日CH4产气量从137.28 L·kg~(-1)VS达到227.8 L·kg~(-1)VS,并能连续维持20～22 m~3·d~(-1)。对于缺乏猪粪等氮源的地区可采用一次性投加的方式,单次补充68.1 kg猪粪(干质量)且定期补充时间为20 d。研究表明,该适用于稻秸干法厌氧发酵中试系统技术可行且可实现连续进出料和稳定运行产气,并产生可观的经济效益。     

鸡粪与玉米秸秆混合发酵沼气产量影响因子研究

为探索物料配比、发酵温度、初始发酵浓度与产气量之间的关系以及各因素的重要性,通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置,以玉米秸秆和鸡粪混合物为原料,在20、25、30、35、40℃下按不同干物质配比及初始发酵浓度分别进行厌氧发酵,分析不同物料配比、发酵温度、初始发酵浓度对发酵过程中pH值、累积产气量和TS产气量的影响,并对影响沼气发酵的各因子进行重要性排序。结果表明,物料配比、初始发酵浓度和发酵温度是影响产气量的重要因子,鸡粪与玉米秸秆2∶1、初始发酵浓度为20%时沼气产量最大;发酵温度在35℃左右时,各处理均能达到最优发酵效果;各因子对沼气产量影响的重要性依次为温度>初始发酵浓度>配比。因此,适当调整发酵温度以及初始发酵浓度将会有效提高沼气发酵利用效率。