【毕业学位论文】（Word原稿）农业废弃物干法厌氧发酵关键参数优化研究环境工程硕士论文

密级 ： 论文编号 ： 中国农业科学院 学位论文 农业废弃物干法厌氧发酵关键参数优化研究 on on I 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，综合前人单因素分析结果，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 20%的中温（ 35）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 (15%、 20%、 25%)、液流搅拌 (0 次、 48 小时 1次、 24 小时 1次 )的 3 因素 3 水平正交试验 。正交试验结果表明， 在30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 1:0、接种量 15%，或者液流搅拌 0次数、粪草比 2:1、接种量 15%。 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 of of At of of be a of In to of in on of on of by in by of as 20% of 35 ), 4) of of to 1:0,2:1,1:1), 5%,20%,25%), 0,8 4 By of 0 is 1:0 of to 15% or 1:0 of to 15% by as L/ of of of we 目 录 第一章 绪 论 . 1 国农业废弃物污染现状 . 1 国农业废弃物资源化利用技术现状 . 2 秆资源化利用技术 . 2 禽 粪便资源化利用技术 . 3 在 的问题 . 4 内外干法厌氧发酵研究现状 . 5 内干法厌氧发酵研究现状 . 5 外干法厌氧发酵研究现状 . 8 究内容及技术路线 . 11 第二章 厌氧发酵机理分析 . 13 氧发酵基本原理 . 13 氧发酵过程 . 13 氧发酵的工艺条件 . 14 格的厌氧环境 . 14 酵 温度 . 14 酵 原料 . 15 种 . 16 . 17 拌 . 17 究因素的确定 . 18 第三章 试验装置的设计 . 19 计要求 . 19 验装置的设计思路 . 19 酵罐 . 19 热 保温 系统 . 20 流 搅拌 系统 . 20 气 计量 系统 . 20 备的选型及非标设备的设计 . 21 酵罐 的设计 . 21 热保温系统的设备选型 . 23 流搅 拌系统的设计与选型 . 23 气计量系统的设备选型 . 23 它 . 23 验装置的安装调试 . 23 第四章 干法厌氧发酵工艺关键参数优化试验 . 25 验目的 . 25 料与方法 . 25 验 原料 . 25 验方案 . 25 验 装置 . 27 验操作 . 27 试指标及方法 . 27 验结果与分析 . 27 酵周期 的优化 . 29 响因素 的主次分析 . 30 响因素 的水平变化与总产气量的关系 . 32 键 参数 的优化 . 33 结 . 34 第五章 优化工艺的产气与造肥效果试验 . 35 验 目的 . 35 料与方法 . 35 验原料 . 35 验方案 . 35 验装置 . 35 验操作 . 35 试指标及方法 . 36 验结果与分析 . 36 气效果 . 36 肥效 果 . 38 结 . 40 第六章 结论与建议 . 41 论 . 41 议 . 41 参考文献 . 43 致 谢 . 47 附 录 . 48 作者简历 . 51 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 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， 2002） 。我国是农业生产大国，秸秆资源相当丰富， 秸秆 年 产量约 吨，其中以稻草、玉米秸、麦秸为主，占秸秆总量的 高志坚， 2004） 。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 7980 万吨，禽蛋产量 2940 万吨 ，奶类产量 3290 万吨 （ 中国农业年鉴编辑委员会 ， 2005） 。然而，畜禽粪便量也随之增加， 2005年 我国畜禽粪便产生量 已经达到 27 亿吨 （ 孔源 ， 2005）， 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 1/3 基本未得到任何处理和利用，其中被利用的秸秆中有 45被用作农村生活能源 （ 杨懂艳 ， 2004） 。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间直接焚烧秸秆的 现象。大量的秸秆露天燃烧，不仅没有有效利用这部分资源，还导致大量 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， 90以上的规模化养殖场没有污染防治设施 （ 陈通 ， 2004） 。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 1 倍， 同时 在自然堆放的过程中还会产生 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 ， 2003） 。 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， 2001） 。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， 2001） 。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， 2005） 。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。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 2 国农业废弃物资源化利用 技术 现状 秆资源化利用技术 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 1000 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， 2004） 。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， 2005； 吕小荣 等， 2004； 彭珍风， 2002） 。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。 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。 20 世纪 80 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，2001） ：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 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， 2004） ；海南建成了 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， 2002） 。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，、 、 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 ，2001； 郭正昊 等 ， 2000） 。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。 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， 2000） 。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 秸秆粉碎、成型、炭化设备，每套设备年可处理 900t 秸秆，可生产 300t 成型碳、 15t 焦油 （ 张承龙， 2002） ；湖南省新晃县步头降乡实验厂，中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 3 有 碳化设备，年产量 396 吨 ，年利润 元，产品价格 400 元 /吨 （ 翁伟等， 2004） 。 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，氮、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 1000 立方米秸秆气化工程已正式投入运行，该方法只需 克的秸秆就可以产气 1立方米，成本为 ，经济效益较高 （ 高志坚， 2004） ；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 48万方 ，可供一个行政村 80户居民做饭使用 （ 杨懂艳， 2004） 。 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， 1995） 。当前，秸秆饲料加工中应用较多的是秸秆青贮、氨化、碱化 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 发酵双重处理和热喷 技术是目前较理想的技术 （ 孔凡真 ， 2004） 。秸秆经热喷后， 发酵 率可提高到 50，利用率可提高到 23 倍 （ 刘兴元 ， 1998） 。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， 2004） 。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， 2004） 。总体看来，“膨化 发酵 ”、“热喷 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。 禽粪便资源化利用技术 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。过去采用填土、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 ， 1999；姚政 等 ， 1999） 。这种方法处理粪便 的优点在于最终产物臭气少， 较干燥，容易包装和撒施，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 51 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 ， 2000） 。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， 2002） 。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 4 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 ， 1994） 。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 ， 1998） 。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， 2002） 。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 2005 年底，全国已建成大中型沼气工程 3764 座， 3，年产沼气量达 3（ 农业部 能源环保技术开发中心 ， 2005） 。 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，现行的热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（ 5000KJ/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 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 为我国中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 5 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 。 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干法厌氧发酵。湿法厌氧发酵的原料浓度一般在 10%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 17%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 ， 2006； 2003； 2000)。干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。 内 干法厌氧发酵 研究现状 应器研究 我国从 20 世纪 80 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 （ 1985） 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 （ 1986） 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 （ 1989） 从 1986 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 1988 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 （ 1990） 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 家一日两餐 (6 10 月 )炊事用能及 照明用能 （ 5 ），推广示范 30 户，深受群众欢迎。 康恒德 （ 2000） 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 我国在 21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(2004)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(2004)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。 要工艺措施及发酵参数研 究 干物质浓度 干物质浓度是影响 干法厌氧 发酵过程的重要因素。 刘晓风等（ 1995） 对城市有机垃圾进行 干法厌氧 发酵研究发现， 度在 3040是比较理想的干物质浓度，因为干物质浓度在 3040中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 6 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 （ 2001） 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 30:1 左右）满足厌氧 发酵 顺利进行的情况下，对垃圾固体含量从