（环境工程专业论文）农业废弃物干法厌氧发酵关键参数优化研究.pdf

摘要 随着农村城镇化以及畜禽养殖的集约化发展，对沼气集中供气及养殖场沼气工程的需求将 不断加大，农业废弃物规模化干法厌氧发酵将成为我国农业废弃物处理与资源化利用的新选择。 本研究拟在实验室条件下，从探索农业废弃物规模化干法厌氧发酵工艺的角度出发，综合前入 单因素分析结果，确定研究的因素及水平，进行多因素试验，获得较优的干法厌氧发酵工艺参 数组合，并对优化工艺的产气和造肥效果进行定量的描述和分析，为农业废弃物规模化干法厌 氧发酵工艺的生产性应用提供基础数据。 本研究在充分分析厌氧发酵机理的基础上，确定了在以牛粪和玉米秸秆为发酵原料、将发 酵原料自然堆沤7 天、进行进料干物质浓度为2 0 的中温( 3 5 c ) 干法厌氧发酵工艺条件下，以 发酵周期内的总产气量为试验指标，进行粪草比( 1 ：0 、2 ：1 、1 ：1 ) 、接种量( 1 5 、2 0 、2 5 ) 、 液流搅拌( 0 次、4 8 小时1 次、2 4 小时1 次) 的3 因素3 水平正交试验。正交试验结果表明，在 3 0 天的较优发酵周期内，较优的工艺参数组合为液流搅拌0 次、粪草比1 ：o 、接种量1 5 ，或者 液流搅拌0 次数、粪草比2 ：1 ，接种量1 5 。 本研究对正交试验中确定的两种较优工艺进行了产气与造肥效果的全面研究。试验结果表 明，这两种工艺的池容产气率较高、沼气质量较好，发酵过程中氮的损失少，发酵后物料的养 分含量较高，表观形状优良，干物质含量较高，是较为理想的农业废弃物处理与资源化利用工 艺。 关键词：农业废弃物，牛粪，玉米秸秆，干法厌氧发酵，沼气 a b s t r a c t w i t ht h er a p e ld e v e l o p m e n to fl a r g es 北b r e e d i n g , t h en e e do fb i o g a se n # n e e r i n gw i l l c o n t i n u a l l yi n c r e a s e a tt h es a l n et i m e ，t h en e e do fc e n t r a l i z e db i o g a ss u p p l yw i na l s oi n c r e a s eg o i n g w i l hc o u n t r ya n ds m a l lt o w nd e v e l o p i n g l a r g es c a l ed r ya n a e r o b i cf e r m m t a t i o no f a g r i c u l t u r a lr e s i d u e s d l lb ean e wc h o i c ef o rt h et r e a t m e n ta n du t i l i z a t i o no fa g r i c u l t u r a lr e s i d u e s i no r d e rt oo f f e r f o u n d a t i o na n dr e f e r e n c ef o rt h e 姆s c a l ed r ya n a e r o b i co fa g r i c u l t u r a lr e s i d u e sa p p l y i n gi no u r c o u n t r y , b a s e do nt h ep r e c e d i n gr e s u l to f t h es i n g l ef a c t o ra n a l y s i s ，t h i ss t u d yf o c u s e do i lo p t i m i z i n gt h e k e yp m m l 黼o fd r ya n a e r o b i cf e r m e n t a t i o np r o c e s sb ym u l t i f a c t o ra n a l y s i si nl a bs c a l e , e v e n t u a l l y e s t i m a t e dt h eo l 州妇e dp r o c e s sb yt h eb i o g a so u t p u ta n df e r m e n t a t i o nf e r f i l i z e fq u a l i t y u n d e rt h ep r o c e c o n d i t i o no fc a t t l ei n a n u r ca n dm a i z es t r a w 鹊f e r m e n t a t i o nm a t e r i a l , c o m p o s t i n gf e r m e n t a t i o nm a t e r i a l7d a y s ，2 0 t o t a ls o l i dc o n t e n to fi n p u tm a t e r i a la n dm e s o p h i l i c t e m p e r a t u r e ( 3 5 ) ，b ( 3 4 ) o r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a sr a n , t h ef a c t o r so f w h i c hw a t et h er a t i oo f c a t t l e m a n t w et om a i z es t a l k ( 1 ：0 , 2 ：i ，l ：1 ) i n o c u l a t i o np r 删( 1 5 ，2 0 ，2 5 ) ，h q i l i da g i t a t i o n ( 0 ，o n et i m e p e r4 8h o u r s , u n et i m ep e r2 4h o u r s ) b yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tw i t ht h et a r g e to f t o t a lb o g a sy i e l d d u r i n gf e r m e n t a t i o np e r i o d , t h i sp a p e rc o n c l u d e dt h a td u r i n g3 0d a y sf e r m e n t a t i o np e r i o dt h eo l 埘m 扬c d p r o c e s sp a r a m e t e 档c o m b i n a t i o ni sn e n - l i q n i d - a g i t a t i u n , 1 ：0t h er a t i oo fm a n u r et os t r a w , 1 5 i n o c u l a t i o np r o p o r t i o n , o rn o n - f i q u i d - a g i t a t i n n , 1 ：0t h er a t i oo fi n a n u r et of f f f a w , 1 5 i n o e u l a t i u n p r o p o r t i o n e v e n t u a l l y , t h i sp a p e re s t i m a t e dt h et w oo l t i m i z e dp r o c e s s e sb ye x p e r i m e n tr e a s e n c h t h e e x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h et w oo p t i m i z e dp r o c e s s e 8h a ds o m ec h a r a c t e r i s t i c s s u c h 鼬h i g h d a f f yb i o g a sp r o d l 枷o rc u l d ) ，h i g hm e t h a n ec o n t e n t , l o wn i t r o g e nl o s s ，c o m p a r a t i v e l yh i g bn u t r i e n t c , o n t e n t o f o u t p u t m a t e r i a l ，n i c e r a p p o a r l m c h a r a o t e m o f o u t p u t m a t e r i a l , c o m p a r a t i v e l y h i g h t o t a ls o l i d c o n t o n to f o u t p u tm a t e r i a l c o n s e q u e n t l y , w e c o n c l u d et h a tt h et w oo l 确m i z c dp r o c e s s e sa r ei d e a lf o r a g r i c u l t u r a lt r e a t m e n ta n du t i l i z a t i o n k e y w o r d s ：a g r i c u l t m n i r e s i d u e s , c a t t l e m a n u r e ，m a i z es t a l k , d r y a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ，b i o g a 8 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 牵想 时间：弘哆年5 月力刀日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科 学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 论文作者签名： 套想 导师张吨五职 加0 7 年g 月即日 。 年f 月乏。日 中周农业科学院硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国农业废弃物污染现状 农业废弃物的形式多种多样，但按其成分主要分为秸秆和畜禽粪便两大类( 张承龙，2 0 0 2 ) 我国是农业生产大国。秸秆资源相当丰富，秸秆年产量约6 5 亿吨，其中以稻草、玉米秸、麦秸 为主，占秸秆总量的7 5 6 ( 高志坚，2 0 0 4 ) 。另外，随着我国经济的快速发展，人们对肉、蛋， 奶的需求量日益增大，畜牧业得到飞速的发展，肉类产量达到7 9 8 0 万吨，禽蛋产量2 9 4 0 万吨， 奶类产量3 2 9 0 万吨( 中国农业年鉴编辑委员会，2 0 0 5 ) 。然而，畜禽粪便量也随之增加，2 0 0 5 年我国畜禽粪便产生量已经达到2 7 亿吨( 孔源，2 0 0 5 ) ，目前，这个数字还在随着畜牧业的发展 而不断增长。 我国农作物秸秆的利用率不到总量的2 3 ，其余的l 3 基本未得到任何处理和利用，其中被利 用的秸秆中有4 5 被用作农村生活能源( 杨懂艳，2 0 0 4 ) 然而，近年来我国农村能源结构正在 逐渐发生变化。使用商品能源的农村人口逐渐增加，秸秆的利用率呈明显的降低趋势，于是在麦 收和秋收季节，经济较发达地区出现了田问直接焚烧秸秆的现象。大量的秸季于露天燃烧，不仅没 有有效利用这部分资源，还导致大量c o z 温室气体的排放，污染了空气，加重了全球气候变暖。 我国大多数养殖场粪便、污水的贮存和处理能力不足，9 0 以上的规模化养殖场没有污染防 治设施( 陈通，2 0 0 4 ) 。畜禽粪便引发的环境污染已经对土壤、水体和空气构成了严重的威胁，主 要体现在以下几个方面：对土壤的污染，粪便中富含的n 、p 使农田富营养化，降低或使其失去 生产能力，粪便中含有的重金属一旦富集到土地中，将会造成持久的污染，危害作物品质，从而 危害人类健康：对水体的污染，高浓度畜禽有机污水排入江河湖泊，造成水质不断恶化，严重威 胁水产业的发展，同时，畜禽粪便中的有毒、有害成分易渗入到地下水中，造成对地下水的污染： 对空气的污染，畜禽粪便在自然堆放的过程中产生大量的甲烷，其对气候变化贡献的潜值是c 0 2 的2 1 倍，同时在自然堆放的过程中还会产生h 2 s ，氨甲基硫醇等有害气体，严重威胁人畜安全， 影响畜禽产品的品质( 孔志明，2 0 0 3 ) 。 农业废弃物引发的环境问题日益严重，有效地处理农业废弃物已成为当务之急。实际上，农 业废弃物也是物质和能量的载体，是一种特殊形态的农业资源，具有巨大的开发潜力。农业秸秆 含有丰富的有机质、纤维素、粗蛋白、粗脂肪和氮、磷、钾、钙、镁、硫等各种营养成分，可广 泛应用于饲料、燃料、肥料、造纸、轻工食品、养殖、建材、编织等各个领域( 何银平等，2 0 0 1 ) 。 畜禽粪便含有农作物所必须的氮、磷、钾等多种营养成分，施于农田则有助于改良土壤结构，提 高土壤的有机质含量，促进农作物增产( 郭云峰等，2 0 0 1 ) 。畜禽粪便蕴藏的生物质能，可开发 产生沼气，具有很好的经济效益( 方芳，2 0 0 5 ) 。因此，农业废弃物的资源化利用，是解决农业 废弃物污染的有效途径。不仅如此农业废弃物的资源化利用，还能够获得很好的社会效益和经 济效益，有利于我国农业的可持续发展。 1 2 我国农业废弃物资源化利用技术现状 1 。2 1 秸秆资源化利用技术 1 , 2 1 1 秸秆还田利用技术 秸秆退还土壤后，可以大量补充和更新土壤有机质，提供丰富的氮、磷、钾、硅等元素。同 时，农作物秸秆中含有大量的木质素和纤维素，腐烂分解后可使土壤腐殖质增加，孔隙度提高， 通气透水，理化形状大大改善。我国大约每年有1 0 0 0 多万吨的秸秆直接还田，获得了良好的社 会，经济效益( 杨懂艳，2 0 0 4 ) 目前的秸秆还田技术有翻压还田、覆盖还田、催腐剂堆肥技术、 速腐剂堆肥技术、酵素菌堆肥技术等( 蒋爱萍等，2 0 0 5 ；吕小荣等，2 0 0 4 9 彭珍风，2 0 0 2 ) 直 接还田技术因其易被掌握，目前仍被大量应用，间接还田技术中的沤制还田、过腹还田、过圈还 田也得到了普遍使用，而高温造肥及厌氧发酵后的高效清洁的现代还田技术还不够成熟，还有许 多因素制约它的发展。 1 2 1 2 秸秆气化利用技术 秸秆气化技术是将秸秆进行可控缺氧燃烧，生成一氧化碳、甲烷和氢气等可燃气体。2 0 世 纪8 0 年代初我国就开始对生物质气化技术进行了研究，主要研制出三种形式的气化炉( 邓可蕴， 2 0 0 1 ) ：上吸式，下吸式，层式下吸式。目前我国在生物质热解气化研究上有较大发展，从单一 固定床气化炉到流化床、循环流化床、双循环流化床和氧化气化流化床，从低热值气化装置到中 热值气化装置，从户用燃气炉到工业烘干、集中供气和发电系统等工程应用。我国已建立了各种 类型的试验示范系统。例如：山东省能源所成功地研制x f l 系列型生物气化机组及集中供气系 统，被列入“星火”示范工程( 翁伟等，2 0 0 4 ) ：海南建成了1 2 m w 示范电站，该电站是亚洲最 大的生物质气化发电系统，达到国际先进水平( 张承龙，2 0 0 2 ) 。目前，生产低热值燃气的固定 床、流化床生物质气化装置也相继研制成功，并开始投放市场。如，在山东、河北、北京等地， n d 型、x f f 型，g m q 型等下吸式气化器已用于燃气供热和农村集中供生活用燃气( 崔永章等， 2 0 0 1 ；郭正吴等，2 0 0 0 ) 。总体看来，我国秸秆气化技术已相当成熟，且集中供气在我国也具有 良好的市场前景。 1 2 1 3 秸秆成型及炭化技术 秸秆成型就是将秸秆粉碎，用机械的方法在一定的压力下挤压成型。这种技术能提高能源密 度，改善燃烧特性，实现能源优质转化。我国对秸秆成型技术的研究是从“七五”期间开始的， “八五”期间，中国农机院能源动力所、辽宁能源所，中国林业科学院林产化工所、河南农业大 学、中国农业工程研究设计院，对生物质冲压技术及装置、挤压式压块技术及装置、烘烤技术及 装置、多功能炉技术进行了攻关研究，解决了生物质致密成型关键技术问题。秸秆成型设备主要 有活塞冲压式，螺旋挤压式、环模滚压式等几种( 张无敌等，2 0 0 0 ) 。炭化技术是利用炭化炉将 生物质压块进一步加工处理，生产木炭随着炭化技术研究成果的出现，我国在生物质成型技术 上取得了可喜的成绩。例如，河北生产的n ，- a 型秸秆粉碎、成型、炭化设备，每套设备年可处 理9 0 0 t 秸秆。可生产3 0 0 t 成型碳、1 5 t 焦油( 张承龙，2 0 0 2 ) ；湖南省新晃县步头降乡实验厂， 2 中国农业科学院硕士学位论文 第一章绪论 有c 1 0 0 1 型碳化设备，年产量3 9 6 吨，年利润2 4 7 万元，产品价格4 0 0 元，吨( 翁伟等，2 0 0 4 ) 1 2 1 4 秸秆制沼气技术 农作物秸秆作为生物质，理论上完全可以进行厌氧发酵产沼气，其主要成分为甲烷。秸秆厌 氧发酵是发挥秸秆能量、肥料综合功能的技术，具有重要的实用价值。厌氧发酵产生的沼气是一 种清洁的可再生能源，不但可为农村提供生活能源，而且还有利于保护森林资源和生态环境。沼 渣和沼液的腐质酸含量高氦、磷、钾和微量元素齐全。是高效的有机肥料；沼液还可以用于浸 种、防治农作物和果树害虫。我国秸秆制沼气技术已经取得了一定的成效。例如，由大连市环境 科学院开发设计的大连市金州区登河沙镇姜家村1 0 0 0 立方米秸秆气化工程已正式投入运行，该 方法只需0 5 千克的秸秆就可以产气1 立方米，成本为0 1 6 元，经济效益较高( 高志坚，2 0 0 4 ) ； 山东泰安建设了一个大规模利用秸秆生产沼气的示范项目，该系统由五个反应器组成，年产气量 达4 8 万方，可供一个行政村8 0 户居民做饭使用( 杨懂艳，2 0 0 4 ) 。 1 2 1 3 秸秆饲料化技术 为了提高秸秆的饲料发酵率，农业科技人员研制出了一系列秸秆处理方法，处理后的秸秆， 其营养价值和中等水平的牧草相当( 周如太，1 9 9 5 ) 。当前，秸秆饲料加工中应用较多的是秸秆 青贮、氨化，碱化一发酵双重处理、膨化饲料、热喷、微生物发酵贮存及生产单细胞蛋白技术， 其中碱化一发酵双重处理和热喷技术是目前较理想的技术( 孔凡真，2 0 0 4 ) 。秸秆经热喷后，发 酵率可提高到5 0 ，利用率可提高到2 3 倍( 刘兴元，1 9 9 8 ) 。在生产单细胞蛋白技术上，湖南 采用“循环式二级释酸水解”糖化工艺，通过菌株混合研究，用稻壳生产单细胞蛋白已取得成功 ( 翁伟等，2 0 0 4 ) 。中国科技大学绿色化学研究室的“秸秆生化饲料研究与工业化示范”课题的 最新成果，成功地通过生物技术把秸秆转化为动物饲料( 翁伟等，2 0 0 4 ) 。总体看来，“膨化一发 酵”、“热喷一发酵”等多元复合技术是一种很有市场前景的秸秆饲料加工技术。 1 2 2 畜禽粪便资源化利用技术 1 2 2 1 肥料化技术 畜禽粪便中含有大量的有机物及丰富的氮、磷、钾等营养物质，是农业可持续发展的宝贵资 源。过去采用填士、垫圈的方法或堆肥方式将畜禽粪便制成农家肥。如今，伴随着集约化养殖场 的发展，人们开展了对畜禽粪便肥料化技术的研究。当前研究得最多的是堆肥法。堆肥法是指调 节粪便中的碳氮比，控制适当的水分、温度、氧气、酸碱度进行好氧发酵的方法( 魏辉等，1 9 9 9 ： 姚政等，1 9 9 9 ) 。这种方法处理粪便的优点在于最终产物臭气少，较干燥，容易包装和撤施，且 肥效好，有利于作物的生长发育。目前北京市峪口鸡场已建成鸡粪加工场，每年可生产干鸡粪1 万吨，上海松江区利江公司从大江集团下属的5 l 家家禽养殖场收集鸡粪，经过发酵、高温灭菌、 干燥粉碎后制成复合肥，年产6 万吨( 陆仁总等，2 0 0 0 ) 随着人们对无公害农产品需求的不断 增加，优质商品有机肥料的需求量也在不断扩大，用畜禽粪便制成有机肥具有很大市场潜力( 李 庆康，2 0 0 2 ) 。 3 中国农业科学院硕十学位论文 第一章绪论 1 2 2 2 能源化技术 目前，对于集约化养殖场产生的高浓度有机废水，常采用厌氧发酵法。厌氧发酵法具有低成 本、低能耗、占地少、高负荷等优点，是一种有效处理粪便和资源回收利用技术( 蔡昌达等，1 9 9 4 ) 。 它不但能提供清洁能源( 沼气) ，还能消除臭气，杀死致病菌和致病虫卵，可有效解决大型畜牧养 殖场的畜禽粪便污染问题( 彭武厚等，1 9 9 8 ) 。另外，沼渣和沼液都可用作农作物生长所需的营 养添加剂( 邓良伟，2 0 0 2 ) 。目前，这种工艺已经成熟，在我国的很多畜禽养殖场都已建成了大 中型沼气工程。大中型沼气工程有生态型和环保型两种处理工艺，其中环保型的出水水质能够达 到排放标准，处理成本较高，生态型处理工艺的沼渣和沼液作为肥料还田，大中型沼气工程主要 采用的是生态型处理工艺。截止到2 0 0 5 年底，全国已建成大中型沼气工程3 7 6 4 座，总池容达到 1 7 2 4 1 万m 3 ，年产沼气量达3 4 1 亿m 3 ( 农业部能源环保技术开发中心，2 0 0 5 ) 。 1 2 3 存在的问题 虽然我国秸秆资源化利用技术呈多元化发展态势，但是秸秆综合利用仍然存在诸多问题。秸 秆还田方面，随着秸秆还田量的增加，我国目前使用的普通脱切机和旋耕机已不能满足秸秆还田 的实际需要，另外，田间管理不到位，导致秸秆不能充分腐解，以致难以被作物利用。秸秆气化 方面，现行的熟解气化技术大都采用空气煤气制气法，所得燃气的热值较低( 5 0 0 0 k j m 左右) ， 并且存在焦油等问题。秸秆成型及炭化方面，对秸秆压缩成型基础理论方面研究薄弱，无法满足 生物质压缩成型设备开发与研制的需要，关键技术难以解决，另外，对秸秆成型燃料燃烧理论及 燃烧特性方面的研究不够深入，先进的秸秆成型燃料专用设备少，限制了秸秆成型燃料的大量生 产，制约了秸秆成型燃料行业的发展。秸秆饲料加工方面，我国在微生物菌种及相应的发酵工艺 上、发酵秸秆饲料对各类家畜的营养效果方面都缺乏深入的研究，且研究的领域大都集中在反刍 家畜。秸秆制取沼气技术方面，秸秆厌氧发酵产甲烷过程中，厌氧微生物对木质纤维素的降解发 酵能力较弱，导致作物秸秆厌氧发酵时间长、厌氧发酵效率低，产气量少、投入产出效率差，另 外，目前使用较多的秸秆厌氧湿发酵工艺需要消耗大量的水，发酵后的产物浓度低，脱水处理相 当困难，以至发酵产物难以有效利用。 近年来，在畜禽粪便资源化利用方面取得了一定的成就，但也存在着一些问题。例如，肥料 化利用方面，干燥法造肥能耗高。养分损失大，肥效偏低，另外大规模好氧堆肥处理畜禽粪便， 需要场地较大，堆肥周期长，并且在堆肥过程中有大量的矾5 挥发，造成了环境污染 目前国内 普遍采用的畜禽粪便湿法厌氧发酵技术，在处理采用干清粪的牛场或鸡场粪便时，需要将畜禽粪 便稀释到8 左右的浓度，消耗了大量的清洁水，发酵后的产物浓度低，脱水处理相当困难，以 至发酵产物难以有效利用。 我国农业废弃物资源化利用存在的上述问题，已经严重制约了我国农业废弃物的资源化利 用，不利于解决农业废弃物造成的环境污染问题。因此，在我国畜禽粪便资源化利用已经取得的 成就基础上，继续进行农业废弃物资源化利用技术的研究是十分必要的。厌氧发酵产沼气技术是 农业废弃物资源化利用技术的一个重要方面，本应在解决农业废弃物环境污染问题上发挥重要的 作用，但是由于湿法厌氧发酵技术在处理农业固体废弃物时，存在消耗大量清洁水、发酵后的产 物浓度低、脱水处理相当困难、发酵产物难以有效利用的问题，制约了该项技术在农业废弃物资 源化利用中所应发挥的作用。目前，在德国、荷兰等国家和地区运用的干法厌氧发酵技术为我国 4 中国农业科学院硕七学位论文 第一章绪论 农业废弃物发酵的处理与资源化利用来了新的希望，其具有如下一些优点，能够在干物质浓度较 高的情况下发酵产生沼气。节约了大量的水资源，处理后无沼液，沼渣可制成有机肥，基本上达 到了零污染排放。 1 3 国内外干法厌氧发酵研究现状 通常根据发酵原料干物质浓度不同，将厌氧发酵分为湿法厌氧发酵和千法厌氧发酵。湿法厌 氧发酵的原料浓度一般在1 0 以下，原料呈液态，是有机废水的处理方法。干法厌氧发酵的原料 浓度一般1 7 以上，培养基呈固态，虽然含水丰富，但没有或有少量自由流动水，是固体有机物 的处理方法( 李想等，2 0 0 6 # l u n i n g ，2 0 0 3 ；d eb a e r e ，2 0 0 0 ) 。千法厌氧发酵由于其发酵原料的干 物质浓度高而导致的进出料难、传热传质不均匀、酸中毒等问题，是其技术难点，对此国内外都 进行了深入的研究。 1 3 1 国内千法厌氧发酵研究现状 1 3 1 1 反应器研究 我国从2 0 世纪8 0 年代起开始了户用干法厌氧发酵反应器的研究，取得了一定的成果。吴香 强等( 1 9 8 5 ) 在黄淮海地区农村推广干湿一体沼气池，由于这种类型的沼气池提高了产气率，降 低了建池成本，取得了较好的推广效果。孙国朝等( 1 9 8 6 ) 对圆柱形活动密封沼气池、圆柱形红 泥塑料顶罩式沼气池进行了干法厌氧发酵生产性试验研究，最终认为该工艺具有池型简单，不用 日常进料和出料等优点，便于农村推广。叶森等( 1 9 8 9 ) 从1 9 8 6 年开始研究自动排料干法厌氧 发酵装置和相应的半连续干法厌氧发酵工艺，经过一年的小试和中试，成功研制了自动排料装置， 并于1 9 8 8 年8 月通过了由农业部能源环保局主持的技术鉴定，鉴定认为该装置具有先进性和实 用性在国内有一定的推广价值。马云瑞等( 1 9 9 0 ) 通过试验研制了分离储气恒压干法厌氧发酵 池，其产气量基本能够满足四口之家一日两锯( 6 1 0 月) 炊事用能及照明用能( 5 1 1 月) ，推 广示范3 0 户，深受群众欢迎。康恒德( 2 0 0 0 ) 发明了小型高效稳压式自动漫渗滤干法厌氧发酵 沼气池，专利号为9 9 2 5 1 5 9 9 8 。 我国在2 1 世纪初开始了大型干法厌氧发酵反应器研究，目前还处于小试研究阶段。甘如海 ( 2 0 0 4 ) 对畜禽粪便干法厌氧发酵处理搅拌反应器进行研究，设计试制出卧式螺带搅拌发酵罐，并 且通过发酵模式试验得出了操作参数对发酵产气过程的影响情况，确定了最优操作参数。晏水平 ( 2 0 0 4 ) 对大中型集约化养殖场畜禽粪便高温干法厌氧发酵处理工程中的罐体加热保温装置进行 研究，其具体研究内容是罐体加热保温装置的选型和操作参数设计，即从理论上推导出干法厌氧 发酵系统正常运转过程中各阶段传热所需的各种最优工艺参数( 如热媒温度、流量、加热时间等) ， 并通过试验来验证其可行性，为干法厌氧发酵系统的工程化提供一定的基础理论和参数。 1 3 1 2 主要工艺措施及发酵参数研究 千物质浓度 千物质浓度是影响干法厌氧发酵过程的重要因素。刘晓风等( 1 9 9 5 ) 对城市有机垃圾进行干 法厌氧发酵研究发现，t s 浓度在3 0 - 4 0 是比较理想的干物质浓度，因为干物质浓度在3 0 - 4 0 5 中国农业科学院硕士学位论文 第一章绪论 范围内垃圾经厌氧发酵，可保证获得较高的产甲烷量，又可大大减少厌氧发酵后脱水的困难。冷 成保等( 2 0 0 1 ) 在暗河式生活垃圾干法厌氧发酵处理研究中指出，在控制总c n ( 为3 0 ：1 左右) 满足厌氧发酵顺利进行的情况下，对垃圾固体含量从8 - - 4 0 进行实验，认为2 5 n 3 0 是较理 想的干法厌氧发酵浓度范围。 夺原辩配比 原料配比是影响干法厌氧发酵过程的又一重要因素。孙国朝等( 1 9 8 6 ) 在干法厌氧发酵生产 性试验中，在控制总固体物质浓度2 5 的情况下，采用2 份稻草和i 份猪粪，以及稻草加0 3 碳酸氢铵( 按有效容积计算) 进行干法厌氧发酵，试验结果表明发酵效果均良好。孙国朝等( 1 9 8 5 ) 在干法厌氧发酵的工艺条件研究中。以不同的草粪比l ：l 、2 ：l 进行试验，研究结果表明草粪比1 ：1 和2 ：1 的发酵过程好，并且产气效果没有明显的区别。邹元良等( 1 9 8 6 ) 选用猪粪、麦秸为原料， 进行了原料的配比试验，其结果见表1 1 ，可以看出猪粪干法厌氧发酵的效果最好，但是考虑到 农村地区秸秆多、粪便少等特点，选择7 ：3 或者6 ：4 的比较合适的。 表1 1 不周原料配比千法厌氧发酵试验结果( 嚣温) t a b l e l 1 t h er e s u l t o f d r y a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n w i t hd i f f e r e n t m a t e r i a l p r o p o r d o n ( n o r m a l t e m p e r a t u r e ) 发酵原料配比 童整：堑耋 ( t s 计) 1 0 ：09 ：17 ：36 ：40 ：1 0 预处理 预处理是影响干法厌氧发酵工艺的又一重要因素。邹元良等( 1 9 8 6 ) 在农村干法厌氧发酵的 研究中指出：发酵原料的堆沤有利于控制发酵原料的酸碱度，使原料获得抗酸化的能力，对防止 干法厌氧发酵中易出现酸化的问题有重要的作用。冷成保等( 2 0 0 1 ) 在暗河式生活垃圾干法厌氧 发酵处理研究中，为了保证发酵的顺利进行，对收集的垃圾用破碎机破碎以减小垃圾的粒径 接种 优质的接种物和足够的接种量是保证干法厌氧发酵顺利启动的重要因素。刘晓风等( 1 9 9 5 ) 对城市有机垃圾厌氧进行干法厌氧发酵研究中，选择厌氧发酵污泥作为接种物，按接种量为1 0 进行接种，结果表明发酵和产气均正常。孙国朝等( 1 9 8 5 ) 在干法厌氧发酵的工艺条件研究中指 出：加大接种量，是防止干法厌氧发酵前期偏酸、缩短干法厌氧发酵启动时间的关键措施，但是 干法厌氧发酵接种量达到一定时，分解率就达到了一定极限，接种剂量在2 0 一3 0 范围内为宣。 邹元良等( 1 9 8 6 ) 在农村干法厌氧发酵的研究中指出：干法厌氧发酵的接种物以占原料总量的2 0 为宣，无论是产气量提高的幅度，还是接种到产气点燃的时间，它都较明显优于5 和1 0 的 接种量，其挥发性酸的p h 值的变化与3 0 以上接种量的情况类似；取产气正常的沼气池中的活 性污泥为接种物，以比重1 0 3 、波美度4 作为一个粗略的指标，可保证接种剂的质量。 6 1 3 1 3 产气效果研究 产气率 干法厌氧发酵的一个重要目的就是获得清洁能源沼气，产气率是衡量干法厌氧发酵效果的重 要指标。孙国朝等( 1 9 8 6 ) 用稻草为原料进行干法厌氧发酵，起始总固体浓度为2 5 ，在发酵途 中添加厌氧发酵液和粪便，在1 2 9 天和1 2 7 天的整个发酵周期问获得了较高的产气率，产气率分 别为0 3 6m 3 ( m 3 d ) go 3 4m 3 ( m 3 d ) ，而常规湿发酵池经过9 6 天发酵期，产气率为0 1 9m 3 ( m 3 d ) 。 孙国朝等( 1 9 8 5 ) 以不同的草粪比1 ：1 、2 ：1 、1 ：0 进行试验，研究结果表明草粪比l ：l 和2 ：1 的产 气效果好，池容产气率分别为0 4 2 m l ( m 1 d ) ，0 3 8 m l ( m 1 d ) ，比草粪比i ：0 的产气率分别高5 2 和5 3 。邹元良等( 1 9 8 6 ) 在农村干法厌氧发酵的研究中。用秸秆和畜禽粪便作为发酵原料，总 固体含量( t s ) 在2 0 以上，平均气温为2 5 , - - 2 7 ( 2 ，发酵1 0 0 - , 1 2 0 天，平均池容产气率达0 3 - - 0 3 7 m 3 ( m 3 ，d ) ，原料产气量约为2 5 0 l k g t s ，气体中甲烷含量约为5 6 - 6 7 ，其产气量比相同容积的 水压式发酵提高了1 3 3 2 0 2 倍。王天光( 1 9 8 5 ) 在干法厌氧发酵的产气和造肥效果研究中指出，干 法厌氧发酵每吨干物质的产气量4 4 0 m 3 ，比对比试验中的湿发酵产气低1 0 左右。幽景元等( 2 0 0 3 1 在适当的p h 值和搅拌条件下，运用四因素三水平b ( 3 4 ) 正交实验设计的方法。研究反应温度， 总固体含量、碳氨比、接种物量对生活垃圾厌氧发酵产沼气的影响，得到在如下工艺条件下产气 率最高，即反应温度5 4 ，总固体含量2 5 ，c n 圪2 0 ，接种量为3 0 ，甲烷产率为1 7 0 1 j k g t s 。 曲静霞等( 2 0 0 4 ) 的研究结果表明：当发酵温度为( 3 5 1 ) ，t s 含量为2 0 。原料滞留期为 6 0 天时，发酵周期内的平均池容产气率为2 l ( l d ) ，甲烷含量达6 5 以上。何丽红( 2 0 0 4 ) 在畜 禽粪便高温干法厌氧发酵关键参数优化研究中，以碳氮比、搅拌、发酵温度进行三因素两水平正 交实验，确定了在发酵温度5 5 、c n 比1 2 5 、有搅拌操作的情况下产气效果最优，即在发酵周 期1 7 天内，实际产气量达到理论产气量的3 1 8 ，甲烷含量为6 3 2 。 夺原料利用率 原料利用率反映了干法厌氧发酵的原料利用和转化情况，是评价干法厌氧发酵产气效果的重 要理论依据。孙国朝等( 1 9 8 6 ) 干法厌氧发酵生产性试验中指出：干法厌氧发酵的t s 、v s 、c 和纤维素利用率都比常规发酵高，t s 高4 4 - 4 8 ，v s 高4 2 - 4 5 ，c 高卅1 6 ，纤维素高3 0 - 一3 4 。孙国朝等( 1 9 8 5 ) 在干法厌氧发酵的工艺条件研究中指出：草粪比l ：l ，t s 减量为4 3 8 8 、 v s 减量为s 2 5 7 ，总碳消耗率4 1 1 2 、纤维素降解率5 9 2 4 ：草粪比2 ：1 ，t s 减量为4 1 1 8 、 v s 减量为4 8 2 6 、总碳消耗率3 8 6 5 、纤维素降解率5 3 2 5 。邹元良等( 1 9 8 6 ) 在农村干法 厌氧发酵的研究中指出：在1 2 0 天发酵期内，t s 的减量约为l ，3 ，纤维素降解率为5 3 5 ，脂肪 降解率4 5 9 ，总碳消耗率为3 4 6 8 。曲静霞等( 2 0 0 4 ) 在农业废弃物干法厌氧发酵技术的研究 中指出：t s 减量为3 4 、v s 减量为4 0 2 、纤维素降解率为5 0 8 ，总碳消耗率为3 6 1 。 1 3 1 4 造肥效果研究 营养成分 全氦、速效氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾等指标是评价干法厌氧发酵产生的有机肥肥效 的重要依据，国内有许多学者对此进行了研究。孙国朝等( 1 9 8 6 ) 在干法厌氧发酵生产性试验中 指出：总氮损失1 2 2 5 ，氮损失少，肥料的质量高。王天光( 1 9 8 5 ) 在干法厌氧发酵的产气和 造肥效果研究中指出：干法厌氧发酵的全氮保存率为9 1 7 ，水压式厌氧发酵的全氮保存率为 7 中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论 8 8 8 ，敞口沤肥的全氮保存率为7 4 9 ，堆肥的全氮保存率为6 9 5 ；干法厌氧发酵的速效氮增 加率4 8 6 7 ，水压式发酵的速效氮的增加率为4 9 3 3 ，堆肥速效氮减少了2 6 6 ，沤肥略有减 少；干法厌氧发酵的速效磷的增加率为1 9 6 6 0 0 ，水压式发酵的速效磷增加率为1 9 6 6 、敞口沤 肥的速效磷增加率为2 0 0 ，堆肥的速效磷增加率为1 9 3 3 。何丽红( 2 0 0 4 ) 在畜禽粪高温干法 厌氧发酵关键参数优化研究中，确定了在发酵温度为5 5 c 、c n 比为1 2 5 、没有搅拌操作的工艺 条件下，全氮损失率最小，为1 - 1 8 0 4 ，并建立了全氮含量损失率的数学模型，最后还对正交实 验中的有机肥进行了模糊聚类分析，将其分为五类，分别为全量养分和速效养分含量均较低类、 全量养分较低但速效养分含量较高类、全氮和速效氮含量较高类、腐殖酸含量较高类、全量养分 和速效养分含量均高类。 卫生指标 卫生指标也是评价有机肥的重要依据，已有实验证明干法厌氧发酵杀卵灭菌效果较好。唐澄 宇等( 1 9 9 2 ) 用干法厌氧发酵沼气池处理城市生活有机垃圾，观察杀卵灭菌的卫生效果，其实验 结果如下：钩虫卵和蛔虫卵的杀灭效果均随沼气池发酵时间的增长而显著增高，经发酵4 0 天以上， 沼气池内各层钩虫卵全部死亡；发酵达4 个月时，沼气池内上层蛔虫卵死亡率为8 5 ，中层为9 5 ，下层为1 0 0 ，同时，细菌总数比发酵前下降9 8 以上，大肠菌群完全转阴。 1 3 2 国外干法厌氧发酵研究现状 1 3 2 1 反应器研究 从2 0 世纪4 0 年代起，德国、法国和阿尔及利亚就开始运用批量式干法厌氧发酵技术。2 0 世纪8 0 年代，德国、荷兰、瑞士、布基纳法索、尼日尔等国家对干法厌氧发酵进行了深入的研 究。2 0 世纪9 0 年代，德国大量资助新型批量式干法厌氧发酵技术的研发，在9 0 年代末，德国批 量式干法厌氧发酵工艺和装备通过了中试，并于2 0 0 2 年生产出工业级装备并投入实际运行。目 前，在欧洲和非洲有许多种不同类型的干法厌氧发酵系统，其中正在进行商业化推广或者已经得 到广泛使用的四套系统最具发展潜力，分别是车库型干法厌氧发酵系统( 有或无喷淋系统) 、气 袋型干法厌氧发酵系统、干湿联合型厌氧发酵系统、渗滤液储存桶型干法厌氧发酵系统。车库型 干法厌氧发酵系统( l u t z ，2 0 0 5w c i l a n de ta l ，2 0 0 3 ；k o t t n c r ，2 0 0 2 ) 采用穿孔地板，安装了排 水系统和过滤喷淋系统，其内墙上涂有隔热漆，并且采用装载机进出料，德国的b e k o n 公司和 b i o f e r m 公司正在大力推广这套系统。气袋型干法厌氧发酵系统( k o t m e t ，2 0 0 6 ：s c h a f c rc ta l ，2 0 0 6 ； s t o t t r u p ，2 0 0 5 ) 是由德国b u d i s s a 公司开发研制的，采用密封的塑料袋取代美国地窖干法厌氧 发酵技术中的地窖，大大降低了干法厌氧发酵设备的成本，采用装载机进出料。干湿联合型厌氧 发酵系统( b r a u n e t a l ，2 0 0 5 ；w e t l a n d c t a l ，2 0 0 5 e i t e z e t a l ，1 9 9 9 ) 对经过预处理的固体废弃 物进行干法厌氧发酵，对喷淋和浸泡产生的污水进行湿发酵，德国u ) o c k 公司采用这套系统对 德国汉堡的城市垃圾进行处理，取得了很好的效果。渗出液储存桶型干法厌氧发酵系统( k o t t n c r ， 2 0 0 5 ；o m e r c ta l ，2 0 0 3 ；t t o f f m a n n ，2 0 0 i ) 是由瑞士e r e ps a 工程公司对法国的小型批量式干 法厌氧发酵系统进行改进研制而成的，系统配置了一个喷淋水储存桶，储存桶内安装了加热设备， 采用铲车进料和出料，这套系统在瑞士的法语地区，非洲的北部和西部地区得到了广泛的使用。 8 1 3 2 2 主要工艺措施及发酵参数研究 发酵原料 对于不同的有机物，其可生化降解性不同。s a i n te ta l ( 2 0 0 0 ) 研究了以不同组成的有机固体废 弃物为原料的厌氧发酵过程，认为在相同的条件下。采用相同的发酵工艺，沼气产量会相差很大， 甚至达到4 0 以上。另外，原料组成不同，在发酵过程中的营养需求与调控也不同。对于以秸秆 为主的底物，须补充n 源，因为秸秆中的碳氦为7 5 ：1 ，而一般的厌氧发酵所需的碳氮比为2 5 3 0 ( h o f i n a n n ，2 0 0 0 , h i l l se ta l ，1 9 8 1 ) 。因此在秸秆发酵过程中需加入尿素、粪便等n 源物质。 z l m n gr u i h o n g o ta l ( 1 9 9 9 ) 指出向每g 干秸秆加入2 0 m gn h 3 以调节碳氮比为2 5 左右。w a l t e r ( 1 9 8 0 ) 指出当n 的含量很高时，高浓度的氨态氮( 瑚3 - n ) 抑制了厌氧发酵产甲烷，在发酵过程中当氨增 加到2 0 0 0 m g l 以上时，甲烷产量降低。与湿法厌氧发酵相比，干法厌氧发酵对原料的组成要求 较低，底物中可以含有2 5 左右的惰性物质如玻璃、石子等而不影响发酵过程( l i s s e n se ta l ， 2 0 0 1 ) 。 预处理 预处理包括物理预处理、化学预处理和生物预处理，国外有很多学者对此进行了研究。z h a n g r u i h o n ge ta l ( 1 9 9 9 ) 在用稻草为原料的干法厌氧发酵中，采用研磨和切碎两种物理预处理方法 处理稻草，研磨比切碎的预处理方法更有效，研窘比切碎的预处理方法在沼气产量上高1 2 5 。 p a t m o w s k ie ta l ( 2 0 0 0 ) 研究了厌氧发酵时有机废物颗粒大小的影响，对于纤维素含量高的