羊粪厌氧消化影响因素分析及产气特性研究

发布时间：2020-08-02 13:04

【摘要】：当今世界对化石燃料的过度依赖和消耗对环境造成了极大的负面影响，导致人类健康风险和全球气候变化威胁的增加。因此，有必要发展替代能源和可再生能源（renewableenergy）。以厌氧消化（anaerobic digestion）制取沼气，因其技术简单、原材料来源广泛及成本低廉等优点，日渐成为主要的生物质能利用方式。在过去的二十多年中，厌氧消化已经作为一种有效的生物技术手段被广泛用来解决能源短缺及缓解化石燃料造成的环境污染。本研究以羊粪为主要研究对象，首先通过在不同温度条件下对羊粪、牛粪、猪粪和鸡粪分别进行单一原料厌氧消化，比较了羊粪同其他粪便产气效率的差异；其次，研究了不同总固体浓度与羊粪单一厌氧消化之间的关系、羊粪秸秆不同混合比例进行厌氧消化对提高沼气产量的作用，以及高效厌氧消化的最佳比例；最后，为进一步提高混合发酵的效率，研究了三种外源添加剂对羊粪厌氧发酵的促进作用。同时，对羊粪沼气化发展潜力进行了评价，为生产实践提供理论基础。本研究主要取得的研究成果如下： 1、以羊粪为主要研究对象，通过比较羊粪与牛粪、猪粪和鸡粪在低温（20°C）、中温（35°C）和高温（50°C）3种件条下的厌氧消化结果可以发现，在30d的消化周期中不同温度下各发酵组产气情况均表现为牛粪羊粪鸡粪猪粪，3个不同温度处理之间的产气情况表现为35°C50°C20°C。羊粪厌氧消化产气效果显著高于猪粪和鸡粪，但略低于牛粪。该结果表明，羊粪比较适合用于厌氧消化的底物进行沼气生产。 2、通过对不同总固体浓度（4%、6%、8%、10%和12%）与羊粪单一厌氧消化之间的关系进行研究，结果表明在总固体浓度为8%时，累积产气量可达最大；当总固体浓度为4%时，发酵过程中产气高峰来的较早，这是由于总固体浓度较低，底物容易降解，产气量受底物总量的限制，较早的结束发酵；5种总固体浓度产气量表现为：8%10%6%12%4%。通过回归方程拟合，获得最优发酵组合，当初始TS浓度为8.27%时，可达到最大累积产气量5531.18mL。该结果可为进一步优化羊粪厌氧发酵工艺提供理论依据。 3、利用羊粪分别与小麦、玉米和水稻的秸秆进行不同混合配比（10:90、30:70、50:50、70:30和90:10，m: m）厌氧消化，结果表明在35°C条件下，混合发酵方式不仅可以有效延长产气周期至55d，而且克服了单一原料发酵时C/N比的不平衡，对提高沼气产量是行之有效的。通过方差分析确定，最佳的混合配比分别为GM/CS30:70，GM/CS70:30，GM/RS30:70和GM/RS50:50。然而，羊粪与麦秆混合发酵并未引起沼气产量的显著提高，造成该现象的主要原因是小麦秸秆中碳含量较高而氮含量不足，过高的C/N比造成发酵体系pH偏低，抑制微生物生长和甲烷生产。本研究同时表明，pH和VFA密切相关，随着消化系统内VFA的大量积累造成pH值下降，从而抑制发酵底物的水解率。 4、选择磷酸二铵、蓬灰和斑脱土作为外源添加剂，研究其对羊粪厌氧消化的促进作用。分别向消化体系中添加1g/L、4g/L和7g/L的磷酸二铵、蓬灰以及斑脱土，证明了外源添加剂对羊粪秸秆混合配比厌氧发酵的沼气产量有促进作用。从试验结果可以看出，三种外源添加剂均为碱性，对厌氧消化底物产气都有不同程度的提高，从甲烷含量增幅来看，磷酸二铵在浓度为4g/L时对沼气产量的促进作用最为明显，浓度达到7g/L时，产气量下降，因为磷酸二铵虽属碱性，但是浓度过高容易产生氨抑制，从而影响沼气产量；蓬灰和斑脱土均在浓度为4g/L和7g/L有较大的提高，表明二者在浓度为4g/L时即可达到对发酵较好的促进作用。 5、通过对我国羊粪资源的估算统计，可以看到我国羊粪沼气化潜力巨大，每年理论沼气总产量可达1.29×1010m3，相当于921万吨标准煤，理论CO2减排量高达1.22×107t，SO2减排量达1.23×105t，环境效益明显。通过对羊粪资源的区域分布进行分析，可以发现西北牧区是羊粪资源的主要集中区域，尤其是内蒙古和新疆2个省区的羊粪沼气化潜力占我国羊粪总产气潜力的30%以上，分别达到2.33×109m3和1.59×109m3。然而由于传统发酵工艺的限制、羊粪资源丰富地区的复杂气候环境及沼气发展积极性缺乏等因素导致我国目前的羊粪沼气化水平不高。在分析相关制约因素的同时，提出了合理布局、加大投入、改进设备等相应对策，以期为进一步提高我国的羊粪沼气化生产水平提供指导和依据。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.4
【图文】：

能源消耗,厌氧消化,利用方式,能源短缺

精等）、转化为沼气（biogas）等。其中以厌氧消化（anaerobic digestion）方的利用方式因其技术简单、原材料来源广泛及成本低廉等优点，日渐成为主能利用方式（Rao et al. 2010）。在过去的二十多年中，厌氧消化已经作为一物技术手段被广泛使用来解决能源短缺及缓解化石燃料造成的环境污染（M011; Weiland 2010）。

产气速率,产甲烷,厌氧消化,底物

牛粪、鸡粪以及猪粪为发酵底物，分别在 20 °C、35 °C、50 °C 下进行单一厌氧消化，试验通过使用自主设计的厌氧发酵模式，在1000 mL锥形瓶内进行厌氧消化（见第2章）。其中包括 560 g 厌氧消化底物及 140 g 接种物。每组试验重复 3 次。发酵启动后，保证每天至少轻轻晃动发酵瓶 1 次，以使沼液与发酵底物充分混匀接触。发酵周期持续 30 d。3.3 结果与分析3.3.1 20 °C 时各消化组产气速率不同消化底物产甲烷量如图 3-1 所示。在 20 °C 发酵状态下，牛粪在发酵第 12 d 出现产气高峰，最大产甲烷量是 410 mL/d；猪粪在发酵中出现 2 个小高峰，最大产甲烷量是 175 mL/d 和 285 mL/d。分别在发酵的第 8 d 和第 21 d；羊粪的最大产甲烷量为 370mL/d，出现在第 19 d；鸡粪最大产甲烷量在第 12 d，为 290 mL/d。厌氧消化刚启动时，产甲烷量较低，这是由于消化初期为产酸阶段，甲烷菌含量较少，抑制发酵。

产气速率,底物,产气,高峰

图 3-2 35 °C 下 4 种粪便的产气速率Fig. 3-2 Biogas production rates of 4 manure under 35 °C condition.3.3.3 50 °C 时各消化组产气速率不同消化底物产甲烷量如图 3-3 所示。在 50 °C 发酵状态下，以牛粪和鸡粪为发酵底物，均在第 14 d 出现产气高峰，分别是 445 mL/d 和 320 mL/d；以猪粪为消化原料，分别在发酵进行到第 2 d 和第 14 d 时出现产气峰值（分别为 237 mL/d 和 245 mL/d）。而以羊粪为底物进行厌氧消化，在第 12 d 到达发酵高峰，为 430mL，之后发酵状态呈下降趋势，直至反应结束。

【参考文献】