太阳能恒温沼气产气性能研究硕士学位论文Word格式文档下载.docx

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导师签名：

目录

第1章绪论7

1.1课题背景7

1.1.1能源危机7

1.1.2环境危机7

1.2太阳热能和沼气利用概况8

1.2.1太阳热能利用8

1.2.2沼气利用9

1.3太阳能沼气的研究现状11

1.4国内外研究现状总结及对本课题的启示14

1.4.1国内外研究现状总结14

1.4.2国内外研究现状对本课题的启示14

1.5本课题研究的目标、思路、内容及意义14

1.5.1研究目标15

1.5.2研究思路15

1.5.3研究内容15

1.5.4研究意义15

第2章沼气发酵基本原理及发酵工艺条件15

2.1沼气发酵基本原理15

2.2厌氧发酵工艺条件17

2.2.1严格的厌氧环境17

2.2.2温度条件17

2.2.3pH值18

2.2.4固含率（TS）19

2.2.5发酵原料配比19

2.2.6接种物20

2.2.7搅拌20

2.2.8有毒物质21

2.3本章小结22

第3章不同发酵温度对厌氧发酵产气性能的影响实验22

3.1实验装置、测试指标及方法23

3.1.1实验装置23

3.1.2实验仪器25

3.1.3实验测试指标及方法25

3.2发酵浓度为8%实验结果与讨论28

3.2.2发酵原料理化性质29

3.2.3产气性能分析29

3.3发酵浓度为4%实验结果与讨论34

3.3.1实验控制条件34

3.3.2发酵原料理化性质34

3.3.3产气性能分析34

3.4不同发酵温度对牛粪与甘蓝菜叶混合产气性能的影响实验38

3.4.1实验控制条件38

3.4.2发酵原料理化性质38

3.4.3实验结果与讨论38

3.5本章小结42

第4章太阳能恒温沼气中试试验43

4.1实验装置、测试指标及方法43

4.1.1实验装置43

4.1.2测试指标及方法45

4.2实验结果与讨论45

4.2.1发酵原料理化性质45

4.2.2料液温度变化和沼气产量45

4.2.3典型日温度变化46

4.2.4累积产气量47

4.3本章小结47

第5章沼气化学能储存太阳能的综合效益分析48

5.1系统的经济效益评价48

5.1.1投入效益48

5.1.2产出效益49

5.1.3计算方法49

5.2系统的环境效益评价51

5.2.1不同发酵温度下二氧化碳减排分析51

5.2.2本装置对甘肃省二氧化碳减排潜力的预测52

5.3系统的社会效益评价53

5.4本章小结53

结论与展望53

结论53

创新点54

尚待解决的问题54

展望55

参考文献55

致谢61

附录A攻读学位期间发表的论文62

附录B攻读学位期间申请的专利63

附录C攻读学位期间申请的科创基金项目64

摘要

能源问题和环境问题是当今世界普遍关注的热点，太阳能和生物质能是可再生能源中，资源量最大、分布最普遍的，由于生物质厌氧发酵技术不仅能解决燃料短缺问题，而且实现了禽畜粪便无害化处理及多层次资源化利用,因而受到各国的普遍关注。

太阳能恒温沼气即利用太阳能集热系统生产的热水来加热料液，使料液升温进行恒温发酵，突破冬季气温、地温低，发酵温度波动大等不利因素的束缚，实现太阳能和生物质能的高效稳定规模利用。

本文以实验为主，首先就不同发酵温度对牛粪及牛粪和莲花菜混合发酵的影响进行了实验研究；

其次通过中试试验研究了太阳能恒温沼气装置的稳定性、产气性能、经济性和二氧化碳减排潜力。

（1）在自行设计的四个11.5L的发酵罐中并行实验研究了19℃、30℃、37℃和52℃下，发酵浓度为8%时的鲜牛粪恒温厌氧发酵过程，38天内，52℃、37℃、30℃和19℃下发酵罐的累积产气量分别为173.12L、187.59L、153.41L和39.12L；

52℃、37℃和30℃下厌氧发酵周期分别为22、22和27天；

池容产气率分别为0.71m3/m3·

d、0.76m3/m3·

d和0.51m3/m3·

d。

37℃时厌氧发酵的产气量和产气品质都是最大的。

（2）并行实验研究了30℃、37℃和52℃下，发酵浓度为4%时的鲜牛粪恒温厌氧发酵过程，30℃、37℃和52℃下厌氧发酵周期分别为16、15和14天；

累积产气量分别为41.69L、52.30L和55.57L；

发酵周期内池容产气率分别为0.23m3/m3·

d、0.32m3/m3·

d和0.36m3/m3·

虽然52℃下发酵周期和池容产气率较其它发酵温度下占优势，但是沼气品质却最差，从实验可以看出在37℃下具有更大的产甲烷潜力。

（3）牛粪与甘蓝菜叶VS质量比为3混合发酵时，52℃、37℃和30℃实验组发酵周期分别为31天、42天和58天，累积产气量分别为201.83L、225.18L和195.76L，池容产气率分别为0.65m3/m3·

d、0.54m3/m3·

d和0.34m3/m3·

d，干物质产气率为0.42m3/㎏、0.47m3/㎏和0.41m3/㎏，平均甲烷产量为49.20%、52.38%和52.16%。

牛粪和甘蓝叶混合厌氧发酵可以显著的提高牛粪和甘蓝菜叶的厌氧发酵转化率。

在试验条件下，周期内30℃、37℃和52℃混合原料厌氧发酵比牛粪单一原料厌氧发酵累积产气量提高了7.00%、34.08%和22.16%。

VS质量比为3时，最适发酵温度为37℃，较低或较高发酵温度不利于混合发酵；

自然发酵不能使其启动，应减少甘蓝的含量，减小VFA会对产甲烷菌的抑制作用，或者实时调节pH。

（4）太阳能恒温沼气装置能够在30±

2℃下稳定运行，总固体浓度为7%时，产气量最高达到2.059m3/d；

最大料容产气率0.86m3/m3·

d，发酵周期为28天。

太阳能恒温沼气装置的益本比为3，净现值（NPV）为9531元，动态投资回收期为2.68a，根据目前甘肃省农村的日常用能方式，则炊事时CO2年减排量可达2.35×

107t，沼气替代秸秆、薪柴和煤炭对CO2减排的贡献分别为47.47%、40.80%和11.73%。

有利于促进农村沼气能源技术的推广，提高农村可再生能源的利用率。

关键词：

太阳能；

沼气；

恒温发酵；

产气性能；

Abstract

KeyWords：

Solar;

Biogas;

Thermostaticfermentation;

Performanceofbiogasproduction

第1章绪论

1.1课题背景

能源问题和环境问题是当今世界普遍关注的热点。

世界化石能源面临枯竭,以化石燃料为基础能源的生产和消费正在加剧污染人类赖以生存的地球环境,二氧化碳、甲烷等温室气体排放导致气候变化,威胁全球安全与发展[1-3]。

通过科技创新,开发新能源取代石油、煤炭等传统能源；

发展以可再生、无污染为特征的清洁能源是发展经济、改善环境的重要方向[4-8]。

世界各国都在积极研究开发新能源，特别是可再生能源，主要有：

太阳能、生物质能、核能、氢能、地热能、风能、潮汐能等。

太阳能和生物质能是可再生能源中，资源量最大、分布最广的[9-14]，由于生物质厌氧发酵技术不仅能解决燃料短缺问题，而且实现了禽畜粪便及农业废弃物无害化处理及多层次资源化利用,因而受到各国的普遍关注[15-19]。

1.1.1能源危机

能源是经济发展和社会进步的重要基础资源。

从历史上看，人类对能源开发利用的发展过程也是不断推动人类社会文明进步的过程；

能源也是实现国民经济现代化和提高人民生活水平的物质基础，而能源的利用程度和能源的人均占有是衡量各国经济发展和人民生活水平的一项综合性指标，是一个国家技术进步程度的体现，因此能源在现代化国家建设中具有举足轻重的地位。

我国是世界上能源生产和消费大国，但我国能源资源有限，常规能源资源占世界总量的10.7%，人均能源资源占有量远低于世界平均水平。

随着我国经济的快速发展，对能源的需求量越来越大，预计到2020年，我国一次能源需求量将达25～33亿吨标准煤，将是2000年的2倍，能源供需矛盾将日益显现。

由于国内石油和天然气资源缺乏，预计2020年之后，石油供给的对外依赖性将超过60%，天然气对外依赖性将超过40%。

在各种可再生能源中，太阳能是最重要的基本能源，也是地球上分布最广泛的能源，每年地球表面接受到的太阳辐射能量约27万亿吨标准煤，是目前世界能源消费总量的2000多倍。

沼气是人类利用历史最悠久的能源，它的利用在不断的扩大，太阳能和沼气的联合使用是集能源建设和环境建设于一体的，具有显著的经济、社会、生态等综合效益，符合可持续发展的战略。

1.1.2环境危机

进入21世纪，随着农业结构的调整，畜牧业迅猛发展，增加了农民的收入，改善了人们的饮食结构，提高了人们的生活水平。

但畜牧业的发展，特别是规模集约化的养殖大量集中，畜禽粪便给环境带来了严重的污染。

绝大多数畜禽场在兴建时由于资金、技术、设备等方面的原因，对生产过程中产生的大量粪便、污水的处理措施考虑不够，大量的畜禽粪便与污水未经处理随意排放，不仅破坏了养殖场周边地区的生态环境，而且通过空气、水体、土壤等媒介污染和破坏居民的生存环境，直接或间接影响了人体健康，同时也给畜牧场自身发展以及畜牧业的可持续发展带来了不利影响。

我国畜牧业废弃物产量居世界前列，其中农作物秸杆年产量达5亿多吨（干重），畜禽粪便及污水的年产生量超过10亿吨.如果管理不善，每年25%的畜禽粪便及污水流失到水体中，也就是说有8.7吨COD，6.2吨BOD释放到水里，相当于具有一定规模的工业污染物的排放量。

美国每年畜牧业产生的固体粪肥约有20亿吨，其中50%来自集约化畜牧业。

欧盟每年产生的农业废物是污泥的3倍，城市垃圾的6倍。

目前畜牧业废弃物已成为农村及城郊环境污染的主要来源，越来越受到社会各方面的广泛关注。

（1）水体污染

粪便和冲洗粪便废水中含有氮、磷及粪渣等有害物质，可以通过地表径流污染地表水，也可以通过土壤渗入到地下污染地下水。

水中过多的氮、磷会使水体富营养化，导致藻类疯长，争夺阳光、空气和氧气，最终将使水体变黑发臭，导致鱼类及水生物死亡，并影响沿岸的生态环境。

畜禽粪便过量还田，残留在土壤中的N、P等物质渗入地下水，将导致地下水中NO2，N，N03浓度的升高，人若长期或大量饮用，可能诱发癌症[20]。

（2）大气污染

研究表明，畜禽养殖场中检测出的有害气体近200种。

奶牛、猪、鸡饲料中的70%左右的含氮物质被排泄出来，大量的畜禽粪便如果不及时处理，在高温下，发酵和分解产生的氨气和硫化氢等臭味气体，排放到大气中，会使臭味成倍增加，同时产生的甲基硫醇，二甲基二硫醚，甲硫醚，二甲胺及多种低级脂肪酸等有毒有害气体，污染空气，造成空气中含氧量下降，使动物及人的免疫力下降，呼吸道疾病频发。

（3）土壤污染

过量施用粪肥除了导致养分流失和引起地表水和地下水污染外，还会造成土壤中盐分和重金属的积累[21]。

畜禽粪便直接排放于地表，或施用粪肥造成土壤孔隙阻塞，土壤透气、透水性下降，引起土壤板结，尤其是猪粪。

为提高动物肉蛋产量，在畜禽饲料中往往使用各种饲料添加剂，如有机化学品、有机砷、铜、锌和铁等，经畜禽粪便浓缩后排入土壤，可造成土壤盐分和重金属的积累。

（4）病菌污染

禽畜粪便污染物中含有大量的病原微生物、寄生虫卵等，如不能及时妥善处理，会孳生蚊蝇，使环境中病原种类增多、菌量增大，出现病原菌和寄生虫的大量繁殖，造成人、畜传染病的蔓延。

据测定，每毫升禽畜场污水中有83万个大肠杆菌、59万个肠球菌[22]。

目前处理禽畜粪便的方法很多，主要包括干燥处理、除臭处理及综合处理（包括发酵法、利用低等动物处理和热喷技术等）。

由于厌氧发酵技术具有治理环境污染和开发新能源，同时还能提供优质的有机肥料，所以越来越受到人们的关注。

1.2沼气发酵技术概论

1.2.1沼气利用概况

沼气是由多种有机物在一定的温度、浓度、酸碱度和隔绝空气的条件下,经过微生物的发酵作用而产生的一种可燃性气体。

由于这种气体先是在沼泽、池塘中发现的,所以称为沼气。

沼气是一种混合气体,其中主要成份是甲烷（CH4）,占总体积的50%～70%,其次是二氧化碳（CO2）,占总体积的25%～45%。

除此之外,还含有少量的氮（N2）、氢（H2）、氧（O2）、氨（NH4）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H2S）等气体。

甲烷、氢气和一氧化碳是可燃气体,主要是利用这部分气体的燃烧来获得能量。

由于甲烷在沼气中含量为60%左右,二氧化碳35%左右,其它成分极少,尤其氧气更少,所以沼气的主要成分是甲烷,故它的性质主要由甲烷来决定。

甲烷是一种无色、无毒、无味的高质量气体,比空气轻一半,扩散度比空气快三倍,熔点-182.5℃,沸点为-161.5℃,着火点537℃.当它与适量的空气混合完全燃烧时,产生淡蓝色火焰,最高温度可达1400℃,并放出大量的热。

因为沼气中甲烷含量一般为50%～70%,故1m3的沼气完全燃烧,在标准状况下（一个大气压,温度为273K时）可放出17.9113～25.075KJ的热量,相当于1kg煤,或0.7kg汽油,能发1.25度电[24]。

在构成生物体的物质中，除了矿物质和木质素外，几乎所有的生物质都可以用来产生沼气，包括动物和人的排泄物、污水污泥、农作物秸秆、含碳工业废物等，所以沼气的成本相当低廉。

沼气的生产工艺比较简单，一个农村家庭就可以建造自己的沼气池。

沼气的用途也很广泛，它不仅能用于燃烧和照明，还可以作为燃料用于发电。

沼气这种来源丰富、成本低廉的优质气体燃料，无论在发达国家还是在发展中国家均得到高度重视。

发达国家主要从保护环境出发，建立了很多沼气工程，以处理城乡有机废弃物，并获得煤气替代品。

在发展中国家，沼气是解决农村能源的一项重要途径，印度和中国是最早大力开发沼气的国家，并且取得了巨大的成就。

沼气是一种高热值、高品位的能源，它是最合理利用和综合利用生物质能的有效形式，可以将植物机体的肥料、饲料、热能3种机能充分发挥出来。

在广大农村牧区普及沼气，可以把人畜粪便和杂草、秸秆、枯叶、蔬菜废弃物等一起投入沼气池发酵，制取沼气作燃料。

沼气池中的水和沉渣，保存了植物和粪便中的绝大部分氮、磷、钾元素，是优质的有机肥料，可以使生物质能利用3次至4次，使生物体内的能量和各种成份都能得到充分的利用。

在城镇利用工业生产中的废物和生活污水来生产沼气也正在迅速发展，造纸厂、酿酒厂、屠宰厂的废水和生活污水中均有大量的有机物，这些废物都可以作为沼气生产的原料，变废为宝，从而减少城市污染，造福市民。

我国是一个农业大国，农业废弃物资源分布广泛，其中农业秸秆年产量超过6亿吨，可作为能源利用的秸秆约3.5亿吨，约折合1.5亿吨标准煤；

工业废水和禽畜养殖场废弃物理论上可以产生沼气近800亿立方米，相当于5700万吨标准煤。

沼气已成为我国农村能源的重要组成部分，它不仅可解决农村的部分能源问题，而且可以把养殖业、种植业有机的融为一体，形成绿色农业、环保农业，促进农村经济的快速发展。

沼气技术在我国具有巨大的发展潜力。

据专家测算，安装一个6-8m3的沼气罐，能解决5口之家每年的做饭、取暖、照明、洗浴等生活能源。

每年可节约煤约8000块、节电约230度、薪柴和秸秆2吨左右（相当于3.5亩森林植被），折合人民币可节约2500元以上，同时还可减少2吨二氧化碳的排放，保护森林资源和防治水土流失。

一次产生的沼渣相当于300斤氮肥、250斤磷肥、200斤钾肥，含有17种氨基酸和多种微量元素，对40多种农作物病虫害有显著的防治效果[25]。

表1.1列出了常见发酵原料的沼气产气率、甲烷含量及产气时间[26]。

表1.1常用发酵原料的产沼气率

原料名称

每吨干物质产生的沼气量（m3）

甲烷含量（%）

产气持续时间（d）

牲畜厩肥

260—280

50—60

/

猪粪

561

65

60

牛粪

280

59

90

马粪

200—300

人粪

240

50

30

青草

630

70

亚麻梗

359

玉米秆

250

53

麦秸

342

松树叶

310

69

杂树叶

210—294

58

马铃薯梗叶

谷壳

651

62

向日葵梗

300

废物污泥

640

酒厂废水

300—600

碳水化合物

750

49

类脂化合物

1400

72

蛋白质

980

1.2.1沼气发酵基本原理

20世纪初，V.L.Omeliansky（1906）提出了甲烷形成的一个阶段理论，即由纤维素等复杂有机物经甲烷细菌分解而直接产生CH4和CO2；

从20世纪30年代起，有人按其中的生物化学过程而把甲烷形成分为产酸和产气两个阶段；

至1979年，M.P.Bryant等人根据大量的科学事实，提出把甲烷形成过程分为三个阶段，即水解阶段、酸化阶段和甲烷化阶段[47]，甲烷形成过程的三个阶段如图1[26]；

此外，还有人将甲烷形成过程划分为四个阶段，但现在使用较多的为三阶段理论。

（一）水解阶段

沼气发酵系统中，发酵细菌主要以纤维素、淀粉、脂肪和蛋白质为基质。

这些复杂的有机物首先是在水解酶的作用下分解为水溶性的简单化合物。

经过水解作用后，多糖分解为可溶性单糖，蛋白质分解为肽或氨基酸，脂肪分解为甘油和脂肪酸。

然后这些水解产物可以进入微生物细胞，参与细胞内的生物化学反应。

国、内外的研究表明，厌氧消化步骤进行的很快，产酸细菌的最小细胞停留时间只有几个小时，而水解过程进行缓慢，水解反应的速度往往对产甲烷的速度产生决定性的影响，是发酵阶段的“限速步骤”。

（二）产酸阶段

水解产物进入微生物细胞后，由产氢细菌、产乙酸细菌在胞内酶的作用下，将水解阶段分解的物质进一步分解成小分子化合物。

如低级挥发性脂肪酸、醇、醛、酮、氢、二氧化碳、游离态氨等等。

其中主要是挥发性脂肪酸、乙酸比例最大，约占80%，故此阶段称为产酸阶段，而参与这一阶段的细菌统称为产酸菌.厌氧发酵基本原理和工艺条件水解阶段和产酸阶段是一个连续过程，可统称为不产甲烷阶段。

这个阶段是在厌氧条件下，经过多种微生物的协同作用，将原料中碳水化合物（主要是纤维素和半纤维素）、蛋白质、脂肪等分解成小分子化合物，同时产生二氧化碳和氢气，这些都是合成甲烷的基质。

因此，水解阶段和产酸阶段可以被看成是原料的加工阶段，是将复杂的有机物质转化成可供产甲烷细菌利用的基质，这个阶段为大量产生甲烷奠定了雄厚的物质基础。

（三）产甲烷阶段

这一阶段中，产氨细菌大量繁殖和活动，氨态氮浓度增高;

挥发酸浓度下降，为甲烷菌创造了适宜的生活环境，产甲烷菌大量繁殖。

产甲烷菌的任务是以不产甲烷阶段发酵产生的乙酸、二氧化碳、氢等为底物，代谢生成甲烷、二氧化碳，完成沼气发酵[48]。

产甲烷菌只能利用氢气、二氧化碳、一氧化碳、甲酸、乙酸、甲醇及甲基胺等简单物质产生甲烷和组成自身细胞物质。

产甲烷菌产生甲烷的机制如下：

1由酸和醇的甲基形成甲烷。

14CH3COOH→14CH4+CO2

414CH3OH→314CH4+CO2+2H2O

这一反应过程由施大特曼（stadman）和巴克尔（Barker）及庇涅（Pine）和维施尼（vishhnise）分别于1951和1957年用14C示踪原子标记乙酸的甲基碳原子，结果甲烷的碳原子都标上了同位素14C，二氧化碳则没有标上，证明甲烷是由甲基直接形成。

2由醇的氧化使二氧化碳还原形成甲烷及有机酸。

2CH3CH2OH+14CO2→14CH4+2CH3COOH

2C3H7CH2OH+14CO2→14CH4+2C3H7COOH

这是施大特曼和巴克尔于1949年用同位素14CO2使乙醇和丁醇氧化，产生带同位素14C的甲烷，证明甲烷可由CO2还原形成。

3脂肪酸有时用水作为还原剂或供氢体产生甲烷。

2C3H7COOH+CO2+2H2O→CH4+2H2O

4利用氢使二氧化碳还原形成甲烷

4H2+CO2→CH4+2H2O

这反应是由索根及费舍尔（Fisher）观察到的

5在氢和水存在时，巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcinabarkerii）与甲酸甲烷杆菌（Methanobacteriumformicicum）能将一氧化碳还原形成甲烷

3H2+CO→CH4+H2O

2H2O+4CO→CH4+3CO2[49]

沼气发酵过程理论虽分为三个阶段，然而在实际的沼气发酵过程中，这三个阶段是不能完全孤立分开的，各类细菌相互依赖、相互制约，主要表现在以下几点:

（1）、不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长、代谢所必须的底物，产甲烷菌为不产甲烷菌的生化反应解除反馈抑制;

（2）、不产甲烷菌为产甲烷菌创造一个适宜的氧化还原条件；

（3）、为产甲烷菌消除部分有毒物质;

（4）、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持适宜的pH环境。

因此不产甲烷细菌通过其生命活动为沼气发酵提供基质与能量，而产甲烷菌则对整个发酵过程起到调节和促进作用，使系统处于稳定的动态平衡中[48]。

1.2.2厌氧发酵工艺条件

1.2.2.1严格的厌氧环境

厌氧发酵过程中起主导作用的细菌是厌氧细菌，其中包括各类分解菌和产甲烷细菌。

在发酵过程中，不产甲烷微生物需在无氧条件下，把复杂的有机物分解成简单的有机酸等;

而产气阶段的产甲烷细菌更是严格的专性厌氧菌，少量的氧气就会对其具有毒害作用[50]。

因此，严格的厌氧环境是厌氧发酵的先决条件。

在厌氧发酵的过程中，不产甲烷菌中有好氧菌