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。     

餐厨废弃物厌氧发酵工艺优化

[目的]考察温度、有机负荷、接种量3个关键参数对餐厨废弃物厌氧发酵过程的综合影响。[方法]采用正交试验法综合考察了批量式发酵过程餐厨废弃物产沼气及降解效果,并进行了验证试验。[结果]温度是影响餐厨废弃物厌氧发酵的显著因素;最佳发酵条件为温度35℃、接种量350 g、有机负荷40 g,在此条件下发酵产气中平均CH4含量可达68.75%,TS产气率及VS产气率分别为661.96和708.97 m L/g,能源转化效率可达79.92%。[结论]可为以餐厨废弃物为原料的沼气工程提供技术参考。     

菌群预处理对高粱秸秆乙醇-甲烷联合转化效率的影响

生物燃料的生产和利用可减少人类对化石能源的依赖。秸秆富含木质纤维素,是生产生物燃料的重要原料之一,但其结构致密、复杂,生物降解难度大,需要预处理以提高能源转化效率。本研究利用复合菌系MC1预处理高粱秸秆,分析了不同处理时间秸秆的降解特性,比较了秸秆单产甲烷发酵与乙醇-甲烷联产发酵的生物转化效率。结果表明：复合菌系MC1能有效降解高粱秸秆,预处理5 d秸秆的质量损失率达到39.64%,其水解液中可溶性化学需氧量（sCOD）及挥发性有机酸（VFAs）浓度达到最高,分别为8.10 g·L^-1和2.92 g·L^-1。预处理后秸秆单产甲烷发酵时,5 d-预处理体系的甲烷产量（以挥发性固体计）最大,达到180.68mL·g^-1,比未处理秸秆提高了60.56%。预处理后秸秆乙醇-甲烷联产发酵时,5 d-预处理体系乙醇（以挥发性固体计）和甲烷产量最高,分别为79.18 g·kg^-1和239.50 mL·g^-1,比未处理秸秆分别提高了173.78%和138.74%,且总产能达到11 947.04 kJ·kg^-1,是未处理秸秆总产能的2.45倍。高粱秸秆预处理后进行乙醇-甲烷联产比其单产甲烷总产能高出8.21%~65.06%,表明微生物菌群MC1预处理与乙醇-甲烷联合转化是提高高粱秸秆能源转化效率的有效手段。     

添加硒、钨元素对猪粪厌氧发酵的促进机制

为更精确地了解微量元素硒(Se)、钨(W)在厌氧发酵系统中的影响效应,提高发酵底物的生物产甲烷效率(BDA),以猪粪为发酵底物,添加微量元素Se、W,应用一级动力学模型和Gompertz模型拟合厌氧发酵过程。研究显示:适量添加微量元素Se、W对厌氧发酵产甲烷过程具有积极的促进作用,其中,M组(Se 0.8 mg·L~(-1)、W 1.8 mg·L~(-1))促进作用最为显著,累积产气量、平均甲烷体积分数和甲烷产率(以挥发性固体计)分别为177 001 mL、68.3%和398.3 mL·g~(-1),比CK组分别提高了10.2%、6.1%和21.4%。相关性分析表明:添加微量元素Se、W能够加快产甲烷菌对总挥发性脂肪酸(TVFAs)的利用率(对丙酸降解作用最为显著),促进产甲烷进程,TVFAs浓度与甲烷产率呈负相关,M组具有最低TVFAs累积量(809 mg·L~(-1))、最大产甲烷速率(31.0 mL·g~(-1)·d~(-1)),相比CK组水力停留时间(HRT)缩短了4 d、BDA提高了21.4%,厌氧发酵过程符合Gompertz模型(R~2=0.999 2)。     

不同黄贮预处理对水稻秸秆干法厌氧发酵特性的影响

针对长三角水源区高C/N水稻秸秆干法厌氧发酵产气效率低的问题,利用自制全自动不锈钢发酵罐装置,探索了不同黄贮预处理技术对厌氧发酵效率的影响,并从预处理前后物料结构变化与降解效果方面对秸秆产沼机理进行了初探。结果表明,在发酵物料C/N为50的条件下,8 mg·L~(-1)Ca(OH)_2的稀碱处理组和稀释20倍沼液的微生物处理组产气效果最佳,单位干物质产气量分别达407 L·kg~(-1)VS与397 L·kg~(-1)VS,总产气量分别是对照组的1.64倍和1.59倍,可以达到最佳C/N条件下的80%～115%,表明适宜的预处理方式可在一定程度上解决因氮源不足造成的产气效率低下问题。两种预处理方式均可使水稻秸秆表面蜡质层、颗粒物与丝状物分解,进而提高纤维素类物质降解效率。研究表明,稀碱预处理可缓冲发酵前期酸化对产气的抑制作用,沼液处理组可显著提高发酵初期沼气中的甲烷含量,但所需预处理时间相对较长,约为稀碱预处理的4倍,工程应用中可根据实际需求选择适合的预处理方式。     

稻田土壤氧化态有机碳组分变化及其与甲烷排放的关联性

稻田土壤有机碳是甲烷排放的关键底物之一,不同研究者由于采取的有机碳研究方法不同而得出稻田甲烷排放与土壤有机碳关系的结论不一。为明确影响稻田甲烷排放的土壤有机碳组分,设计了稻田施用不同外源有机碳(稻草还田、鸡粪和猪粪)的田间试验,对稻田甲烷排放和土壤有机碳组分的动态变化及其关联性进行监测和分析。结果表明,猪粪处理的甲烷排放与化肥处理无显著差异,而鸡粪和稻草2个处理的甲烷排放分别比化肥增加1.67倍(P<0.05),2.69倍(P<0.05);甲烷排放量与土壤易氧化有机碳含量显示相同顺序:稻草>鸡粪>猪粪>化肥;通径分析表明,土壤易氧化有机碳组分1(被33 mmol/L KMnO₄氧化的有机碳)与甲烷排放直接相关,其他有机碳组分仅通过组分1间接作用于水稻生育后期甲烷排放,且排放量较低。由此推断,易氧化有机碳组分1是甲烷排放的主要底物,通过有效措施降低肥源中易氧化态有机碳组分1是减排甲烷的关键技术之一。     

有机负荷对鸡粪厌氧发酵产气特性及其动力学的影响

[目的]研究有机负荷对鸡粪厌氧发酵过程中产气特性及其产气动力学的影响。[方法]在中温条件(37±1)℃下采用半连续搅拌反应器(CSTR)进行研究。[结果]有机负荷为2.5~5.3 g VS/(L·d)时,厌氧消化系统中氨氮浓度低于6.7 g/L,沼气最大容积产气率为2.58 L/L;同时有机酸浓度也处于较低范围。然而,当有机负荷提高到6.0 g VS/(L·d)时,氨氮浓度升高到6.7 g/L时引起了乙酸(7 000 mg/L)和丙酸(1 900 mg/L)的快速累积,沼气容积产气率也降低了23.5%。通过基质平衡动力学分析得出,鸡粪中温厌氧消化的基质转化为沼气(YS/G)和甲烷(YS/M)的比例系数分别为1.085 7和1.686 1 g VSremoved/L。[结论]该研究可为高氨氮浓度鸡粪沼气工程的稳定运行提供科学依据。     

半连续餐厨垃圾与猪粪混合厌氧消化动力学研究

采用逐渐提高有机负荷的半连续进料方式,研究中温（35℃）条件下餐厨垃圾与猪粪混合厌氧消化规律和性能,并利用一级和准二级动力学模型对其试验结果进行动力学分析。研究表明,在0.5和0.75 gVS/（L.d）有机负荷条件下,厌氧消化系统产酸到产甲烷阶段微生物的消长与生化反应均能达到动态平衡。当有机负荷为0.75 gVS/（L.d）时,厌氧消化性能达到最佳,系统出现最大单位原料产气率和最大平均甲烷含量,分别为0.78 L/gVS和51%。对试验进行动力学分析,发现一级动力学模型标准偏差值r2=0.970 0,大于准二级动力学模型的标准偏差值0.935 5。这说明一级反应动力学模型能较好地反映0.75 gVS/（L.d）负荷下的产气动力学过程。     

不同预处理方法对麦秆厌氧消化产气特性的影响

【目的】探索不同的生物和化学预处理方法对麦秆厌氧发酵产气的影响,为提高麦秆能源转化率提供依据。【方法】采用自行设计的可控恒温发酵装置,以经生物（复合菌剂、糖酵酶、沼液）和化学（NaOH（添加量为60 g/kg）和氨水(20 mL/L)）方法预处理过的麦秆和未处理麦秆（CK）为发酵原料,以常温厌氧发酵池的底物为接种物,在总固体（TS）质量分数为8%的条件下进行批次厌氧发酵（35 ℃）,分析复合菌剂、糖酵酶、沼液、NaOH和氨水对麦秆厌氧发酵产气量、甲烷含量和pH值变化的影响,并对其产气指标（干物质产气率、挥发性干物质（VS）产气率和甲烷平均含量）进行比较。【结果】各预处理方法均可明显提高麦秆的日产气量峰值,并可提早产气高峰的出现时间。各处理总产气量的高低顺序为：NaOH＞复合菌剂＞糖酵酶＞沼液＞氨水＞CK;与CK相比,不同生物和化学预处理方法可提高麦秆产气量5.85%～48.16%,提高甲烷平均含量15.06%～39.47%。经NaOH预处理的麦秆发酵后总产气量为12 620 mL,比CK提高了48.16%;甲烷平均含量为46.8%,比CK高出39.47%。随着发酵时间的延长,所有处理pH均呈先下降后升高直至趋于稳定的变化趋势。经NaOH处理的麦秆发酵后TS、VS产气率显著高于其他处理(P＜0.05)。【结论】用NaOH（添加量为60 g/kg）对麦秆进行预处理后在35 ℃下厌氧发酵,可以有效提高麦秆的产气量。     

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     

MC1预处理对豆秸水解特性及产甲烷效率的影响

为提高大豆秸秆厌氧发酵产气性能,本文利用复合菌系MC1对灭菌秸秆(SS)及未灭菌秸秆(NSS)进行预处理,研究预处理时间对秸秆水解特性及产甲烷效率的影响。结果表明:MC1能有效降解大豆秸秆,SS经12 d预处理,其纤维素及木质素降解率分别为41.71%和29.92%,显著高于NSS(P0.05)。SS预处理体系中VFAs含量显著高于NSS(P0.05),且两者分别在预处理3 d及7 d浓度达到最高,分别为2.18 g·L~(-1)(SS)和1.52 g·L~(-1)(NSS),预示杂菌减缓了MC1对秸秆的降解速率。乙酸是预处理体系中最主要的VFAs产物,整个预处理期间SS和NSS水解液乙酸含量分别高于72.41%和56.23%。与未处理大豆秸秆相比,经过3 d预处理,SS和NSS预处理体系的甲烷累积产量分别提高了36.86%和34.27%,其最大产甲烷速率分别为21.69 mL·d-1·g-1VS和17.44mL·d-1·g-1VS,表明MC1预处理能有效提高大豆秸秆厌氧发酵性能。     

玉米秸秆水解残渣厌氧消化的产气性能

为了考察玉米秸秆水解残渣(Unhydrolyzed solid,UHS)的厌氧消化产甲烷潜力,研究了接种物类型、接种比例以及发酵温度对UHS产气性能的影响。结果表明,餐厨垃圾厌氧消化液作为接种物时,UHS具有较高的产气能力,累积甲烷产量达到208.06 m L·g~(-1)VS;UHS的累积甲烷产量与接种物对底物的比值(Inoculum to substrate ratios,RI/S)有关,其值随着接种比例的减小而逐渐降低,当接种比例RI/S为0.1∶1~3∶1时,累积甲烷产量为111.20~224.48 m L·g~(-1)VS,UHS的生物降解率为27.89%~56.29%,其降解能力随着底物浓度的升高而降低;在高温发酵(55℃)和中温发酵(35℃)条件下,相同接种比例的对照组中,UHS累积甲烷产量较为接近,但高温发酵的产气速率明显高于中温发酵。     

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。     

法国梧桐落叶与厨余垃圾、牛粪混合厌氧发酵产沼气试验研究

研究了法国梧桐树落叶在中温(35℃)条件下与厨余垃圾、牛粪混合厌氧发酵产沼气的特性。固定发酵液C/N为25~30、落叶质量含量为16.7%,落叶:厨余垃圾:牛粪的质量比分别为:1∶2∶3、1∶3∶2,发酵液总固体物(TS)质量分数分别为2%、4%和6%。采用批式发酵,研究了发酵过程中pH值、日产气量和甲烷含量等参数的变化情况,得到了混合底物在不同厌氧消化条件下的产沼气特性。结果表明,落叶:厨余垃圾:牛粪质量比为1∶3∶2,TS为4%时,3种原料混合厌氧发酵效果最好。其甲烷产率达201.8 mL·g~(-1),甲烷平均含量达45.3%,发酵周期为59 d。     

接种率及尿素添加量对农村生活垃圾厌氧发酵产甲烷的影响

为了解接种率及尿素添加量对农村生活垃圾厌氧发酵产甲烷的影响,选取3个水平的接种率（0.3、0.5、1.0）和3个水平的尿素添加量（1%、3%、5%）进行农村生活垃圾厌氧发酵实验。结果表明,在相同尿素添加量的条件下,接种率（0.3~1.0）越高越有利于甲烷产生,同时挥发性脂肪酸降解速率越快;而在相同接种率的条件下,随尿素添加量（1%~5%）的增加,甲烷产量呈先升高后降低的趋势。Gompertz动力学模型拟合结果表明,在接种率为1.0、尿素添加量为3%的条件下,厌氧发酵产甲烷延滞期较短（12 d）,70 d累积甲烷产量最高（0.44 L·g^-1 TS）,发酵过程未发生酸化现象。     

8m~3玻璃钢沼气池质量性能与产气效果

在对以不饱和聚酯树脂和玻璃纤维布为关键制作材料的8 m3农村户用玻璃钢沼气池的结构设计、性能参数、加工工艺等质量性能进行测试的基础上,以混凝土沼气池为对照,对其产气效果进行了初步研究。结果表明,沼气池的玻璃钢平均产气可达0.442 L.L-1.d-1,而混凝土的只有0.299 L.L-1.d-1,前者比后者提高了47.8%;沼气中甲烷的平均体积分数,玻璃钢的可达0.496 L.L-1,而混凝土的只有0.430 L.L-1,前者比后者提高15.3%。     

沼液与有机肥配施条件下氮损失风险的研究

本研究旨在探索沼液、有机肥配施等氮量替代化肥的模式,期望能够在保持产量稳定的前提下,降低稻田氮素损失的风险。本试验以太湖水稻土为研究对象进行盆栽试验,设置了空白对照(CK)、常规化肥(NPK)、100%沼液、75%沼液+25%猪粪有机肥、50%沼液+50%猪粪有机肥和100%猪粪有机肥六个处理,采用密闭室间歇通气法研究了不同生育时期的稻田氨挥发特性,同期测定稻田田面水氮含量,以及全施肥期径流流失量。试验结果显示,在等施氮量条件下,常规化肥处理水稻产量达12 752.70 kg·hm~(-2),其农田氨挥发总量为76.99 kg·hm~(-2),径流氮损失量39.11 kg·hm~(-2);100%沼液施用处理和75%沼液+25%猪粪有机肥配施处理氨挥发量较高,分别为120.66、88.01 kg·hm~(-2);而50%沼液+50%猪粪有机肥配施处理氨挥发总量和径流氮流失量均低于常规化肥处理,分别为58.03、22.00 kg·hm~(-2),其产量与常规化肥处理相比无显著性差异;100%猪粪有机肥施用处理尽管氨挥发总量和径流氮流失量表现最低,但其产量低于50%沼液+50%猪粪有机肥配施处理。综合比较而言,50%沼液+50%猪粪有机肥配合施用处理在保持一定产量的基础上又能减少氨挥发及氮流失风险,是一种比较适宜的施肥模式。     

微生物预处理稻草秸秆产沼气试验研究

[目的]寻求一种高效经济的微生物预处理方法。[方法]利用实验室培养的黑曲霉、青霉和根霉对稻草秸秆进行前期预处理,分预处理5和10d2组,将预处理后的稻草进行厌氧沼气发酵,考察经菌处理后的稻草产气效果。[结果]预处理5d的稻草发酵产沼气的周期为56d,产气高峰出现在发酵的第16天。经青霉、黑曲霉和根霉复合菌预处理的稻草产气效果最好,其TS产气潜力为136.03ml/g,比对照组提高了64.22%,VS产气潜力为166.07ml/g,比对照组提高65.92%。从经菌预处理10d的稻草产气效果来看,对照组产气总量高于试验组。[结论]从TS、VS产气潜力及产气总量来看,菌预处理稻草5d的效果要高于菌预处理稻草10d的;从不同菌剂预处理效果来看,以黑曲霉、青霉和根霉复合菌剂预处理的效果最好。     

秋闲期沼液施用对黑土区土壤氮素损失的影响

为探讨非种植期施用沼液的可行性,采用喷施加深翻及注施方式于2018年10月和2019年10月将不同氮素替代量的沼液施于东北黑土中,研究了黑土区作物收割后（秋闲期）沼液施用对玉米土壤有机质含量的影响,考察了黑土区玉米土壤铵态氮挥发和铵态氮及硝态氮淋溶特性。结果表明：沼液施用能够增加土壤有机质含量,注施沼液对土壤有机质的升高幅度要高于喷施处理。秋闲期在低温条件下以喷施加深翻的方式施用沼液能够减少土壤氨挥发量。秋闲期当喷施氮素替代量在135 kg·hm^-2·d^-1以下时可以施用沼液,此时未发生铵态氮和硝态氮淋溶风险,而采用注施方式时,即使沼液氮素替代量为90 kg·hm^-2·d^-1时仍有潜在发生铵态氮淋溶的风险。两年试验结果初步表明,黑土区秋闲期采用合理的氮素替代量及施用方式施用沼液是可行的。     

猪粪秸秆沼液短程硝化反硝化快速启动及稳定运行研究

短程硝化反硝化工艺具有节省碳源、节省曝气量、污泥产量低等优点,但由于启动时间长、短程硝化效果不稳定等问题限制了其工程应用。针对此问题,本研究采用泥膜一体化工艺(IFAS)处理猪粪秸秆沼液,并考察了短程硝化反硝化工艺生物强化快速启动及稳定运行效果。结果表明,通过添加实验室自制氨氧化菌剂与反硝化菌剂,可在17 d内完成反应器的快速启动;稳定运行阶段,系统猪粪秸秆沼液有机负荷(COD)平均为1 040.0 mg·L~(-1)·d~(-1),好氧池平均NH_3-N负荷为110 mg·L~(-1)·d~(-1);好氧池平均NO_2~--N积累率为91.4%;COD、NH_3-N、TN平均去除率分别达到92.1%、97.0%、90.1%,且COD和TN的去除主要发生在缺氧池。分子生物学分析表明,整个运行过程中,好氧池生物膜氨氧化细菌(AOB)的丰度由0.003 6%上升至0.014 3%,增长至原来的4倍;亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的丰度由0.004 8%下降至0,说明利用氨氧化菌剂、反硝化菌剂可快速稳定实现短程硝化反硝化脱氮工艺的启动。