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。     

低温环境下水稻秸秆与牛粪混合堆肥效果研究

[目的]实现低温季节水稻秸秆和牛粪的资源化利用。[方法]以25%水稻秸秆+75%牛粪作为对照(CK),设置25%水稻秸秆+75%牛粪+5‰低温发酵剂、35%水稻秸秆+65%牛粪+5‰低温发酵剂2个处理,分别进行堆肥,研究低温发酵剂及不同水稻秸秆用量对堆肥效果的影响。[结果]25%水稻秸秆+75%牛粪+5‰低温发酵剂、35%水稻秸秆+65%牛粪+5‰低温发酵剂处理的高温期持续7和8 d,高温持续时间长。CK堆温始终未进入高温期。堆肥结束时,25%水稻秸秆+75%牛粪+5‰低温发酵剂、35%水稻秸秆+65%牛粪+5‰低温发酵剂处理和CK的有机质含量分别较初始降低了31.72、30.54和14.10个百分点,粗纤维降低了32.44、33.09和15.00个百分点。经方差分析,水稻秸秆用量为25%~35%时,有机质及粗纤维降解率差异不显著,而对照与2个处理间差异达到极显著水平(P0.01)。[结论]低温发酵剂可促使堆体升温,加快有机质及粗纤维的降解。     

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。     

水稻秸秆预处理对厌氧发酵产沼气的影响

为了研究不同的预处理方法对水稻秸秆厌氧发酵的影响,本实验分别采用物理、化学、物理与化学联合三种预处理方式对水稻秸秆处理后厌氧发酵,测定各组的产气量并分析产气变化趋势,比较得出产气效果较好的秸秆预处理方法。结果表明,三种预处理方法均不同程度地提高了水稻秸秆产沼气的能力。比较来看,联合处理略强于化学处理,明显强于物理处理,其中,联合4%的处理效果最理想,总产气量相对于对照组提高了114.4%,发酵启动时间缩短了5d,最大日产气量提高了106.5%。     

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。     

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。     

醋酸预处理对牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵特性的影响

为了探究醋酸预处理提高厌氧发酵产气量的原因,研究用醋酸预处理水稻秸秆,之后将预处理后的水稻与牛粪混合进行厌氧发酵,测定发酵初始环境和发酵过程中纤维素酶活力、还原性糖含量、VFA 含量、pH 及日产气量,并且对其发酵过程中的稳定性系数进行分析。结果表明,水稻秸秆在 4%的醋酸浓度下预处理 4 d 处理组的总沼气产量最高为 11 605 mL,且显著高于未经预处理总沼气量 6 450 mL（P<0.01）,且该处理的日产气量的峰值提高和出现的时间提前;厌氧发酵的初始环境、过程环境、环境稳定性以及他们之间的相互作用关系受醋酸预处理影响;醋酸预处理提高总沼气产量的主要原因是,醋酸预处理使厌氧发酵初始环境和过程环境更加协调,使发酵系统更加稳定。研究表明,醋酸预处理能够显著提高沼气产量,为醋酸预处理技术提供一定的参考。     

稻草与牛粪混合腐解的最佳配比筛选

【目的】以腐殖质组成特征为评价依据,筛选稻草与牛粪混合腐解的最佳配比,为两类农业固体废弃物的资源化应用提供参考。【方法】以稻草和牛粪为材料,采用室内培养法,研究稻草与牛粪质量比为10∶0(Rs),9∶1(Rd1),7∶3(Rd2),5∶5(Rd3),3∶7(Rd4),1∶9(Rd5)和0∶10(Dm)混合腐解90 d,各处理水溶性物质(WSS)、可提取腐殖酸(HE)、胡敏酸(HA)、胡敏素(Hu)组分的有机碳含量(依次表述为C_(WSS)、C_(HE)、C_(HA)、C_(Hu)),以及胡敏酸碱溶液E_4/E_6、腐殖化系数(C_(HA)/C_(FA))的动态变化,筛选稻草与牛粪腐解的最佳配比。【结果】与0 d相比,在腐解完成(90 d)后,各处理C_(WSS)含量均有不同程度降低,相比于稻草,牛粪腐解后更易促进微生物对C_(WSS)的利用,使其下降86.2%;Rd2和Rd5处理使物料C_(HE)含量分别增加10.2%和28.6%,其余处理C_(HE)均有不同程度消耗;与0 d相比,腐解完成后,Rd1、Rd3和Dm处理均有助于C_(HA)的积累,其中牛粪腐解更易促进C_(HA)的形成,使其增加30.5%。在各处理下,物料HA分子均先发生降解、脂族化,而后逐渐缩合、芳香化,但HA分子结构仍趋于简单;在促进HA分子脂族化方面,Rd4处理的优势最大,而Dm处理更有利于HA结构的稳定。Rd3处理在促进腐殖质品质方面的贡献最大,其次为Rd1处理,Dm和Rs处理次之,但Rd2和Rd5处理不利于腐殖质品质的改善;Rs、Rd1、Rd2、Rd3和Rd4处理在腐解过程中更有利于C_(Hu)的分解,且Rd3处理的优势最大,使C_(Hu)含量下降91.0%,而牛粪比例≥90%更有助于C_(Hu)的累积。【结论】稻草与牛粪按照质量比5∶5混合腐解,易促进C_(Hu)的分解和C_(HA)的积累,利于腐殖质品质提升。     

碱预处理稻秆与猪粪混合厌氧发酵特性研究

采用不同浓度的Na OH对稻秆进行预处理,对碱处理的糖化效果、作用机制以及对混合厌氧发酵产甲烷的影响进行了研究。结果表明:当NaOH溶液浓度为1.5%(W/V)时产还原糖质量分数最高,达到71.6 mg·g~(-1)稻秆,远高于对照组(P0.01);扫描电镜(SEM)分析发现预处理后稻秆结构松散,细胞壁松弛,外壁比表面积增大,生物可利用性增加;傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和同步热分析仪(TG)分析均发现,NaOH预处理改变了稻秆的结构特征,木质素和半纤维素含量发生了变化;采用全自动甲烷潜力测试系统(AMPTS)对预处理稻秆及其与猪粪混合发酵产甲烷特性进行了分析,发现经1.5%NaOH预处理的稻秆中温厌氧发酵累积产甲烷量为327.10 m L·g~(-1)VS,远高于对照组稻秆的产甲烷量(P0.01);将经1.5%Na OH处理后的稻草秸秆与猪粪进行混合厌氧发酵,累积甲烷产量达到了340.95 mL·g~(-1)VS,比未处理稻秆猪粪混合组的272.23 mL·g~(-1)VS提高了25.24%(P0.01),比单一碱处理稻秆组提高了4.23%(P0.05)。研究结果表明1.5%Na OH预处理能够有效改善稻秆纤维结构,提高其与猪粪混合厌氧发酵的产甲烷效率。     

进料浓度对猪粪混合稻秆厌氧产甲烷特性的影响

为研究猪粪（Pig manure,PM）与稻秆（Rice straw,RS）的组配比例与进料的固形物（Total solid,TS）浓度对中温条件下厌氧产甲烷特性的影响,通过批次厌氧发酵试验摸清不同挥发性固体（Volatile solids,VS）配比（PM/RS=1：0、4：1、2：1、1：1、1：2、1：4、0：1）下的原料产甲烷规律,并选择VS配比（均以PM/RS计）为1：1、4：1的混合原料开展进料浓度（TS分别为4.6%、7.1%、9.6%、12.1%）梯度提升的连续厌氧发酵试验。结果表明：批次发酵试验中VS配比为4：1时产甲烷性能表现最好,产甲烷潜力（P值）、反应动力常数（k）、最大产甲烷速率（R_m）及甲烷产率达到峰值时间（t_max）分别为380.3 mL·g^-1 VS、0.098 d^-1、37.2 mL·g^-1 VS·d^-1、4.4 d。连续发酵试验中,在水力停留时间为30 d、VS配比为4：1时连续产甲烷性能更优,甲烷产率、产甲烷潜力转化率和容积产甲烷率分别达到354.8 mL·g^-1 VS、93.3%、0.88 L·L^-1·d^-1。但混合物料中猪粪比例越高,发酵系统的氨抑制风险也越高。在进料浓度达到12.1%条件下,VS配比为4：1时的游离氨浓度是VS配比为1：1时的1.47倍,达到223.2 mg·L^-1。研究表明,猪粪与稻秆混合原料VS配比为4：1（配比后的C/N=22~23：1）时,可提高发酵原料转化效率和容积产甲烷率;同时,进料TS浓度低于12.1%（有机负荷率为2.87 g VS·L^-1·d^-1）可降低厌氧发酵中的氨抑制,保证沼气工程稳定运行。     

猪粪添加稻草对高温堆肥腐熟进程及物质变化的影响

以猪粪和水稻秸秆为材料,采用发酵槽内堆置,分别设置低量秸秆、高量秸秆和纯猪粪三个处理,分析堆肥33天过程中的物理、化学和纤维素类等指标的变化,探讨堆肥过程中添加不同比例的水稻秸秆对堆肥特性的影响。结果表明,添加高量秸秆堆肥处理的升温速率最佳,纯猪粪处理的水分散失率大于其他两个处理。堆肥结束时,各处理的p H值为8.46-8.66,电导率稳定在1.4-2.4 ms/cm,E4/E6降至3.12-3.37,堆肥达到了腐熟;高量秸秆处理的(终点C/N)/(初始C/N)介于0.53-0.72,其堆肥效果较好、腐熟程度较高。各处理堆肥产品的全磷含量均有提高;纯猪粪处理的纤维素、木质素和半纤维素的总降解率均高于其他两个处理。整体来说,添加高量秸秆处理腐熟速度较快,且效果较好,这可为猪粪快速资源化利用和猪粪堆肥产品质量的提高提供科学依据。     

混合花卉秸秆厌氧发酵产甲烷特性及动力学研究

为研究混合花卉秸秆厌氧发酵产甲烷特性,选取玫瑰(Rosa rugosa),百合(Lilium lancifolium),满天星(Gypsophila paniculata),向日葵(Helianthus annuus)花卉秸秆混合物与驯化过的猪粪、牛粪混合物进行厌氧发酵试验。设置3种不同的总固体(Totalsolids,TS)浓度(3%、5%和7%)观察厌氧发酵产甲烷特性及系统稳定性。采用3种模型(修正的Gompertz、Cone和Logistic模型)进行厌氧发酵动力学分析。结果表明,TS浓度3%产甲烷量最高,累计产甲烷量258.07 mL·g^-1 VS。随TS浓度升高(3%～7%),延滞期时间相应延长(19～32 d)。挥发性脂肪酸含量(volatile fatty acids,VFAs)在3种TS浓度中均呈先升高后降低趋势。3种TS浓度化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)平均消解率为60.19%～68.53%。通过动力学分析表明,Cone模型相比修正的Gompertz与Logistic模型,具有较高的拟合优度(R²     

不同接种量对稻秆厌氧发酵特性的影响

以稻秆为原料,厌氧发酵后剩余的沼液为接种物,在中温35℃的条件下,采用批式发酵试验,研究接种量分别为40、80、120 g 3个处理对其产气特性的影响。结果表明,适量的接种物可以提高消化系统的缓冲能力,有利于产气高峰提前,同时对稻秆的降解有促进作用。其中接种量为80 g的总产气量最高,为3 452 mL;TS产气量达到256.27 mL·g-1;分别比接种量为40和120 g的试验组高93.71%和15.14%。     

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。     

冬绿肥联合稻秆还田对水稻产量及稻田土壤肥力的影响

【目的】研究不同品种冬绿肥联合稻秆还田对汉中盆地水稻产量和土壤肥力的影响,为探索适宜汉中水稻生产的绿色栽培技术提供科学依据。【方法】通过连续2年定位试验,设置水稻秸秆不还田（WSN）、水稻秸秆还田（WS）、紫云英和稻秆还田（CS）、油菜秸秆和稻秆还田（RS）、毛苕子和稻秆还田（HS） 5个处理,研究紫云英、毛苕子、油菜、冬闲联合稻秆还田对水稻产量及其构成要素、土壤养分含量、微生物数量和酶活性的影响,并对各因子与水稻产量的关系进行相关性分析。【结果】与WSN处理相比,冬绿肥联合稻秆还田显著提高了水稻产量,CS、HS和RS处理水稻产量2年平均增产14.51%,14.52%和8.49%。稻田土壤速效磷、有机质和全氮含量均以CS处理最高,且均与WSN处理达到差异显著水平。与WSN比较,CS、RS和HS处理稻田土壤微生物总量分别增加70.15%~336.19%,48.57%~183.11%和57.33%~293.55%,其中CS处理显著提高了土壤微生物数量,细菌数量比例上调,而真菌和放线菌数量比例下调,细菌与真菌数量的比值（B/F）升高,有效改善了稻田土壤微生物群落结构。CS处理土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、脱氢酶活性显著高于其他处理,较WSN处理分别增加17.69%,3.85%,35.36%和62.32%。相关性分析表明,水稻产量与土壤速效磷、全氮含量,土壤细菌、放线菌数量及土壤脲酶、过氧化氢酶活性之间呈显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）正相关。【结论】冬季种植紫云英联合稻秆还田有利于提高水稻产量和土壤养分含量,改善土壤微生物群落结构,增强土壤酶活性,是适宜汉中水稻生产的绿色高效栽培种植模式。