玉米秸秆与巢湖蓝藻混合厌氧发酵的产沼气性能

为了提高蓝藻的资源化利用效率,该研究利用玉米秸秆和蓝藻混合厌氧发酵制备沼气。结果表明,与单一的玉米秸秆或蓝藻发酵过程相比,玉米秸秆和蓝藻混合发酵能够有效促进沼气的生成。当玉米秸秆、蓝藻和接种污泥混合挥发性固体(volatile solid,VS)质量比是2:8:1,产气效果最佳,挥发性固体产气量为687.3mL/g,其中甲烷体积分数达到63.3%。同时该体系液相磷酸盐含量、总碳、总有机碳也最高,表明该系统内发生为了蓝藻的有效降解。研究结果对于农业废弃物和巢湖蓝藻的资源化利用具有一定的意义。     

秸秆床厌氧发酵产沼气系统优化试验

针对前期研究中发现秸秆床反应器内秸秆在发酵后期上浮、进水短流等问题,采取在秸秆床反应器内增加导气管、在秸秆捆底部预留缓冲空间以及2种方式组合的方式,研究改进措施对秸秆床反应器及整个发酵系统产气、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除等的效果。结果表明:直接以打捆秸秆为固定相,以猪粪废水为流动相的处理在猪粪废水有机负荷为2.13 kg/(m3/d)条件下出现轻度酸化,产气受到明显抑制,日产气量明显低于其它处理,继续提高猪粪废水有机负荷后各处理间无明显差别;采用增加导气管、增加缓冲空间以及导气管+缓冲空间的方式改善了秸秆床反应器内发酵环境,未出现酸化现象,日产气量稳定性明显提高。试验结束时,各处理秸秆床反应器累积产气量较对照分别提高了18.90%、9.05%和22.48%,累积产甲烷量较对照分别提高了23.02%、9.34%和25.21%;采用该研究提出的改进措施对二级反应器产气组成无明显影响,各处理平均甲烷含量均在68%左右,对整个秸秆床发酵系统累积产气量、平均甲烷体积分数以及COD去除率无明显影响。以上结果表明,在秸秆床反应器内增加导气管对提高反应器产气量、甲烷含量及产气稳定性有较好的效果,在条件允许的情况下可以考虑在反应器底部增加缓冲空间。     

玉米秸秆厌氧产氢工艺参数优化

为解决玉米秸秆结构致密导致秸秆发酵难于直接降解的问题,首先分别采用0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的HCl溶液对其进行预处理,以厌氧活性污泥为接种物进行中温(38℃)发酵产氢试验。结果表明,玉米秸秆的累积产氢量和产氢速率随着盐酸质量分数的增大先增加后降低,0.6%HCl处理效果最佳,单位累积产氢量和产氢速率分别为87.90 m L/g和3.05 m L/(g·h)。再以0.6%HCl溶液预处理的玉米秸秆为底物进行发酵产氢的单因素和正交试验,研究了秸秆粒径、底物浓度、初始p H值对玉米秸秆厌氧发酵产氢过程的影响。结果表明:玉米秸秆粒径越小越利于发酵产氢;适度增加底物浓度可增加产氢量;适宜的发酵初始p H值有利于产氢细菌的生长繁殖;得到较佳的工艺参数组合为秸秆粒径150μm、底物浓度15 g/L、初始p H值为7,此时累积产氢量为112.87 m L/g。     

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%。     

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。     

玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢工艺优化

该文主要以粒度小于0.088 mm秸秆粉的酶解上清液为底物与热预处理后的活性污泥进行厌氧发酵产氢试验,以累积产氢量为考察指标,基于响应面Box-Behnken模型研究不同影响因素对玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢的影响,对玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢工艺进行优化。结果表明:温度、初始p H值和还原糖浓度三因素中,温度和还原糖浓度对玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢的影响最大。采用Box-Behnken模型获得的最佳产氢条件为:温度38.32℃,初始p H值4.93,还原糖浓度20.70 mg/m L,最大产氢量685.59 m L,此时最大产氢率为57.13 m L/g(玉米秸秆)。通过试验验证,实际最大产氢量为659.24 m L,产氢率为54.94 m L/g(玉米秸秆),与模型预测值相比,相对误差为3.84%,说明该模型具有较好的拟合性。该优化工艺可为后期连续流状态下的生物制氢系统提供参考。     

玉米秸秆与废弃白菜的混合青贮品质及产沼气能力分析

为实现干玉米秸秆(dried maize straw,DMS)的长时间保质贮存,利用青贮原理将DMS与废弃白菜(cabbage waste,CW)连续混贮90 d,设置DMS单贮组和6个不同质量比例(DMS:CW=29:19、27:21、25:23、23:25、21:27和19:29)混贮组,间隔30 d分析其贮存品质,筛选适宜贮存条件,并考察秸秆贮存前后的微观结构变化和产沼气潜力。结果表明,与单贮组相比,6个混贮组的p H值均显著下降(P0.05),乳酸含量显著升高(P0.05),混贮品质优于单贮。6个混贮组贮存30 d时的p H值均为最低,乳酸含量最高,感官评价均为优级,30 d后p H值有所上升,乳酸含量急剧下降,60d时的木质素含量显著降低(P0.05),综纤维素含量显著升高(P0.05)。随着CW比例增加,混贮组p H值逐渐减小,乳酸含量逐渐增加,MEⅤ组(DMS:CW=21:27)p H值最低,乳酸含量最高,能使DMS连续贮存60 d不变质。扫描电镜结果显示,青贮发酵使干秸秆原先致密复杂的木质纤维结构开始瓦解,青贮秸秆表面有很多裂缝和孔洞,与微生物或酶的可接触面积增加。沼气发酵试验表明,MEⅤ组混贮秸秆的累积产气量略高于未贮存干秸秆,且累积甲烷产量提高了61.67%,是未贮存干秸秆的1.6倍。Modified Gompertz模型显示混贮秸秆的甲烷生成速率增加,产甲烷能力提高。总之,当DMS∶CW质量比为21∶27(含水率为73%)时DMS能连续保质贮存2月,且贮存后秸秆的甲烷产量明显提升。     

农作物秸秆产沼气研究进展与展望

用秸秆发酵产沼气是获取生物质能源的一种有效和潜在途径，但是相应的工程实践一度遭受挫折，这源由发酵技术问题。近年来秸秆产沼气在以下方面：通过营养调节和质地改善等预处理改善原料发酵特性、在反应器中增加格栅防止漂浮结壳、时差进料调节产气平衡、变换反应器接种物和接种浓度加速反应启动以及改进发酵工艺调控反应条件等，进行了许多探索，获得了有益成果，也为进一步发展指明了方向。找到合适预处理方法、改进反应器结构、开发高效商品接种物、保持沼气池温度相对恒定，以及把产酸和产气彻底分离是农作物秸秆产沼气未来努力的重点方向。     

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。     

花生秧厌氧发酵产沼气试验

试验以花生秧为原料,采用厌氧发酵工艺,对其沼气发酵潜力进行研究,结果表明花生秧沼气发酵潜力达0.349m3/Kg。采用正交试验方法对花生秧沼气发酵的工艺参数优化配置进行了研究,结果表明发酵温度,发酵料液总固体浓度,pH值对其发酵结果均有不同程度影响,其中发酵温度和总固体浓度对沼气产量和甲烷产量的影响显著。最优的工艺条件为：发酵温度35℃,总固体浓度20%,pH=7.5,接种量1∶1。添加一定比例牛粪能明显提高产气速度。该文为规模化利用花生秧生产沼气提供了参考。     

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。     

猪粪秸秆不同物料比对固体产酸发酵效果的影响

在沼液回流的条件下,研究猪粪和秸秆固体产酸发酵过程中,不同原料配比（猪粪与秸秆质量比分别为4︰1、2︰1、1︰1、1︰3和0︰1即纯秸秆）对产酸发酵效果的影响。试验结果表明：增加发酵原料猪粪比例有利于调节发酵体系pH值,但酸化液中氨氮质量浓度较高;沼液回流能有效避免体系过酸现象;上述不同原料质量配比产酸发酵产物以乙酸为主,试验周期内,累积产乙酸质量分别占各反应器挥发性脂肪酸（VFAs）总质量的80.8%、81.8%、77.1%、78.3%和73.8%,酸化液中丙酸质量浓度均低于1.6 g/L,累积产生质量分别占各反应器VFAs总质量的4.8%、2.8%、7.2%、6.5%和8.4%。综合分析表明,猪粪与秸秆比为2︰1时,发酵过程中产酸效果优于其他配比试验。     

粪草比对猪粪与稻草干发酵产沼气及古菌群落的影响

为获得猪粪与稻草联合厌氧干发酵较佳原料配比,采用批次试验在进料有机负荷(organic loading rate,OLR)为90 g/(L·d)和中温((37±1)℃)的条件下研究猪粪与稻草挥发性固体(volatile solid,VS)质量比(1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1)对干发酵厌氧消化性能的影响。结果表明,猪粪与稻草不同配比累积VS甲烷产率分别为188.8、204.0、213.4、198.1、168.5、169.6和124.7 mL/g,猪粪与稻草配比为2∶1时累积VS甲烷产率最高,与猪粪单独发酵处理相比甲烷产率提高13.0%。协同效应分析表明,猪粪与稻草不同配比联合厌氧干发酵均存在协同作用,当配比为2∶1时协同效应最大,增率达到27.5%。古菌群落分析表明,发酵前后各配比古菌Shannon指数下降幅度与累积甲烷产率变化规律一致,当配比为2∶1时Shannon指数下降幅度最大,达到29.1%;Methanosphaerula为试验中优势菌属,其相对丰度与累积甲烷产率呈正相关。在中温厌氧干发酵工程应用中,建议猪粪与稻草VS配比为2∶1,设计水力停留时间为36 d。     

海泡石对猪粪秸秆厌氧发酵产物中Cd的钝化效果研究

由于饲料添加剂的使用,畜禽粪便中重金属含量增加。因此,为降低厌氧发酵过程中的重金属污染风险,该文以猪粪和玉米秸秆混合为发酵原料,重金属Cd为研究对象,通过添加2.5%的海泡石作为钝化剂,在35 ℃的条件下进行为期60 d的发酵。利用H2O、KCl、Na4P2O7、NaOH、HNO3分级提取法对有机碳含量和重金属Cd在有机质中的分布变化情况进行分析,结果表明：随着发酵的进行,沼渣中有机质含量呈现前中期迅速降低,后期缓慢降低的趋势,且添加钝化剂后沼渣中有机质含量降低;总可提取态有机碳在10%～20%之间,发酵过程中胡敏酸（humic acid,HA）所占比例明显增加,富里酸（fulvic acid,FA）所占比例明显降低,HA/FA也随之增大,说明添加海泡石提高了腐殖质的腐殖化程度;沼渣中所提取的Cd含量达到总量的80%以上,其中大部分的重金属Cd存在于腐殖质中。水溶态和可交换态重金属Cd所占比例随着发酵过程的进行会逐渐降低,矿物质态和残渣态逐步增加,并且添加海泡石这种增加趋势进一步增强;沼渣中腐殖质大部分Cd主要与FA结合。随着发酵的进行,HA含量增加,FA含量降低,HA/FA也逐渐增大,增强了腐殖质中Cd的稳定性,从而降低了沼渣中重金属Cd的毒害作用。因此猪粪秸秆混合厌氧发酵或在这个过程中添加2.5%海泡石作为钝化剂可减少重金属污染的风险。     

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。     

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。     

畜禽粪便与秸秆厌氧-好氧发酵气肥联产碳氮元素变化研究

传统沼气工程的气肥联产工艺中,厌氧发酵产气与好氧发酵产肥互相独立,产气和产肥周期均较长、有机肥品质差,影响工程的高效运行。为缩短发酵周期、提高产气效率和有机肥品质,该研究将猪粪、鸡粪和秸秆混合进行15和30 d的干法厌氧发酵,将得到的沼渣添加秸秆辅料混合,分别设置65%和70%的发酵物料初始含水率进行15 d的高温好氧发酵,对比分析了不同厌氧-好氧发酵组合对产气和产肥的影响。结果表明:厌氧发酵阶段,混合物料的日产气率自发酵开始后逐渐上升,并在第8天达到最高峰,至第15天降至峰值的50%以下,此时累积产气量达到30 d发酵周期的71%,平均容积产气率达到1.91 m~3/(m~3?d),比发酵30 d平均容积产气率高41.5%。好氧发酵阶段,各处理组碳元素含量持续下降,氮元素含量先下降后增加,所得发酵产物均达到腐熟标准。采用15 d厌氧发酵所获得的沼渣进行好氧发酵,所得发酵产物的电导率、腐殖化程度和发芽指数均优于采用30 d厌氧发酵所获得的沼渣进行好氧发酵所得的发酵产物,同时总有机碳和总氮含量也较其分别提高了6.0%～21.7%和3.0%～10.2%,不同好氧发酵物料初始含水率对发酵产物的品质影响较不明显。因此,采用厌氧、好氧发酵周期均为15 d的组合,可缩短发酵周期、大幅提高产气效率和发酵产物的碳氮营养元素含量,有利于提高沼气工程运行效率和经济效益。     

沼渣与畜禽粪便混合堆肥发酵效果的综合评价

采用正交试验设计方法实施了4组不同物料配比（以干质量计）沼渣与畜禽粪便混合物料堆肥试验,并采用模糊综合评价、灰色关联分析和属性识别法对其发酵效果进行了评价,为沼渣的肥料化利用提供参考。结果表明：T3（沼渣∶猪粪∶鸡粪=5.85∶8.49∶8.19）升温速率最快、高温维持时间最长,所达温度最高,T2（5.85∶7.425∶6.825）次之,T1（7.02∶7.425∶8.19）、T4（7.02∶8.49∶6.825）最差;从pH值、有机质、C/N、NH4＋-N、NH4＋-N/NO3－-N和总养分等化学指标看,T2、T3发酵效果优于T1、T4;堆肥结束后,T1、T2、T3、T4粪大肠菌值分别为1、10-1、10-2、1,发芽指数GI分别为96.72%、103.35%、98.42%、85.13%。上述3种评价方法对T1、T2、T3发酵效果评价一致：较好腐熟,但对T4评价结果分别为较好、基本和极未腐熟。综上所述,由单一指标或单一评价方法评判堆肥腐熟度有局限性。对堆肥发酵效果的评价应综合考虑物理、化学和生物学指标,对比3种评价方法原理,灰色关联分析法是评价堆肥发酵效果的较优方法。     

玉米秸秆厌氧消化预处理方法及工艺优化

为提高玉米秸秆厌氧消化性能,该文采用碱液、酸液、沼液等方法对玉米秸秆进行预处理,比较不同预处理方式对秸秆成分、含量以及厌氧消化能力的影响。试验结果表明,经超声波辅助碱预处理后,秸秆的木质素和半纤维素总含量显著降低,产气量显著提高。基于Box-Behnken(BBK)试验设计,选择碱液预处理的固固比(Na OH/秸秆,下同)、预处理温度、预处理时间为试验因素,结合响应面分析法对碱液预处理条件进行响应面优化,结果表明,最佳玉米秸秆预处理条件为固固比22.4%,预处理温度37.9℃,预处理时间39.7 h,在此条件下还原糖产量的试验值为738.6 mg/g,沼气累积产量的试验值为661 m L/g,试验值与预测值误差不到0.5%,证明了响应面优化法的准确性和可行性。