农业有机废弃物

农业有机废弃物（共9篇）

农业有机废弃物 篇1

摘要：通过对常见农业有机废弃物(如猪粪、干稻草、青草以及菜叶)的总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、碳素含量和氮素含量测试,结合其混合沼气发酵潜力实验,得出了青草>鲜猪粪>干稻草>菜叶的沼气发酵潜力排序。实验表明:利用经碳氮比调节后的干稻草、青草或菜叶替代畜禽粪便作沼气发酵原料是可行的。

关键词：农业有机废弃物,沼气发酵潜力,实验

0 引言

随着规模农业的迅速发展和社会主义新农村建设工程的推进,农村庭院养殖业规模越来越小,使农村沼气发酵粪便原料来源不足,需要寻找替代沼气的发酵原料。本文拟选取常见农业有机废弃物青草、干稻草、菜叶以及鲜猪粪作为发酵原料,通过研究其总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、碳素含量、氮素含量以及碳氮比,对沼气发酵潜力进行实验研究,以期为混合发酵产沼气原料选择及其工艺条件控制提供科学指导。

1 实验

1.1 实验材料

实验材料中的猪粪、干稻草和菜叶均来源于桂林市农村,青草来源广西桂林工学院草坪。

1.2 实验装置

沼气发酵反应器为自制50L倒置发酵罐;温控系统为自制保温柜,可由温度指示控制仪(WMZK-01,上海华辰医用仪表有限公司)对反应环境温度进行调控;气体计量系统为医用6L肺活量测定仪(FLJ-A,常州好德医疗器械厂),并与发酵罐同放置于温控系统中。

1.3 实验方法

采用沼气发酵常规分析方法测试沼气发酵原料的总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、碳素含量以及氮素含量。沼气发酵潜力测试实验共设置4组反应装置,连续发酵60d,控制条件为温度30℃、固体浓度为7.5%、接种物浓度为30%、原料总质量为25kg。总固体含量使用105~110℃烘干质量法测定;挥发性固体含量使用550~600℃灼烧质量法测定;碳素含量以挥发性固体含量的47%估算[1];氮素含量采用农业行业标准[2]进行测定。

2 结果与分析

2.1 原料基础测试

对本研究所选定的几种农业有机废弃物进行基础测试,结果见表1所示。

由表1可以得到如下结论:

1) 原料TS由高到低分别为干稻草、青草、鲜猪粪、菜叶,彼此十分悬殊;原料的总固体含量指试样在一定温度下蒸发至恒定质量时所余固体物的总量,包括有机物和无机物[3]。对其进行测试,可指导沼气发酵固体浓度的控制。在本实验中,需要控制一定的固体浓度,因此各种原料的需投量大小排序为:菜叶>猪粪>青草>干稻草。

2) 原料VS由高到低分别为鲜猪粪、青草、干稻草、菜叶,彼此非常接近;原料的挥发性固体(VS)指试样的燃烧挥发部分,包括BVS 和NBVS (非生物挥发固体,即生物难降解部分)。挥发性固体含量的大小可反映原料的易降解程度,直观反应了原料中有机质含量的多少。沼气发酵所消耗之原料部分便是其挥发性固体部分。本试验所选取干稻草、青草以及菜叶的挥发性固体含量与鲜猪粪相差很小。理论上认为:在一定范围内,原料挥发性固体含量越高,其可发酵含量越高,沼气发酵能力越强[4],说明干稻草、青草以及菜叶所含易酵解有机质含量与鲜猪粪相当,具有较好产沼气能力的物质基础条件和沼气发酵产气潜力。

3) 原料碳素含量由高到低分别为鲜猪粪、青草、干稻草、菜叶,彼此较为接近。碳素是构成沼气发酵细菌细胞的重要成分,在发酵细菌的细胞内酶作用下转变为乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等脂肪酸和乙醇等醇类[1],为产甲烷细菌提供生命活动的能量和转换基体。因此,碳素含量的存在是原料可以沼气发酵产气的必需条件。本实验所选取的沼气发酵原料碳素含量都很高,说明这几种原料均为富碳原料。干稻草、青草以及菜叶和鲜猪粪一样,具备了很好的产沼气能力的能源基础条件。

4) 原料氮素含量由高到低分别为鲜猪粪、干稻草、青草、菜叶。氮素是构成沼气微生物躯体细胞质的重要成分,含氮有机物经微生物的氮素矿化过程,降解并释放出氨,并在蛋白酶的作用下进行水解,生成多肽与二肽,然后由肽酶进一步水解生产氨基酸,为微生物所吸收[5]。因此,氮素的多少同菌体细胞的增长和数量是成正比的。理论上在有足够碳素的条件下,氮素含量越大,厌氧微生物的活性越大、数量越多,越利于沼气发酵的进行,其产气速度越快。本试验选取的沼气发酵原料都含有一定量的氮素。干稻草、青草以及菜叶的含碳量相对鲜猪粪偏低,其沼气发酵能力以及产气速度不进行处理时较难得到良好的发酵效果。

5) 原料碳氮比由高到低分别为菜叶、青草、干稻草、鲜猪粪。一般来说,沼气发酵的碳氮比要求并不严格,原料在较宽的范围(13~60):1内均能产气,在(20~30):1范围便可正常发酵,在其他范围内,也可以发酵,但产气量以及产气速率很低[3,4,5]。

综上所述,在单种原料沼气发酵的条件下,鲜猪粪可作沼气发酵物料碳氮比调节剂,不经碳氮比调节可迅速启动发酵产气,其他几种原料进行碳氮比调节,应可得到良好的沼气发酵效果。

2.2 产气潜力测试

各反应器以7.5kg沼液作反应接种物,用原料基础测试结果指导各组反应器原料投配情况(如表2所示)进行沼气发酵实验;用各反应器的总产气量和原料消耗量(沼气发酵前后的原料TS之差和VS之差)计算出本研究选取的几种沼气发酵原料产气潜力(如表3所示)。

结果表明,本研究所选取的4种农业有机废弃物在控制条件下均具备较好的混合沼气发酵潜力,其中青草的产沼气潜力最大,为2015.0L/kgTS和4686.0L/kgVS;鲜猪粪次之,为1119.3L/kgTS和2558.4L/kgVS;干稻草为748.0L/kgTS和1774.6L/kgVS;菜叶最小,为有382.9L/kgTS和960.8L/kgVS。这些数据说明:如果对反应器内物料进行科学合理的碳氮比调节,采用农村易得的青草或干稻草等替代畜禽粪便作为发酵原材料是可行的。

3 结论

1) 原料基础测试表明:

干稻草、青草以及菜叶均具有较高的挥发性固体含量,碳氮比较高,而鲜猪粪的碳氮比较低。因此,鲜猪粪可以作为干稻草、青草、菜叶等农业有机废弃物沼气发酵的碳氮比调节剂。当采用青草、干稻草或菜叶等农业有机废弃物作沼气发酵原料时,用鲜猪粪或尿素等高含氮物质调节碳氮比作沼气发酵原材料是可行的。

2) 产气潜力测试表明:

鲜猪粪、干稻草或青草以及菜叶这几种沼气发酵原料均具备较好的混合发酵产沼气潜力,是良好的沼气发酵原料,其产气潜力大小排序为青草>鲜猪粪>干稻草>菜叶。

参考文献

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[2]南京农业大学.土壤农化分析[M].北京:农业出版社,1992.

[3]贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京:中国轻工业出版社,1998:536-537.

[4]Naylor L M.Composting[J].Environmental Science Pollution Control Series,1996,18(69):193-269.

[5]史家樑,徐亚同,张圣章.环境微生物学[M].上海:华东师范大学出版社,1993:124-133.

农业有机废弃物 篇2

重庆农村有机废弃物资源化利用现状与建议

摘要：农村有机废弃物包括农作物秸秆、人畜粪尿等,具有污染和生物质资源双重特性.本文分析了重庆农村有机废弃物资源化利用的现状及存在的问题,并在此基础上提出四点建议.作 者：韦秀丽 李萍 高立洪 蔡鸣 龙翰威 作者单位：重庆市农业科学院,401329期 刊：南方农业 Journal：SOUTH CHINA AGRICULTURE年，卷(期)：,4(2)分类号：X7关键词：农村有机废弃物 生物质 资源化利用 重庆

农业有机废弃物 篇3

据统计, 目前中国每年生物质能源、制糖、食品加工、禽畜养殖等行业排放的有机废弃物总量超过40×108t, 可转化成10×108t优质有机肥料, 每年可为1.33×106km2耕地每666.67 km2提供0.5 t可循环的有机质资源[1]。鉴于此, 国家大力推进土壤有机质提升工程, 促进有机废弃物综合利用。该工艺开发应用关键设备“真空带式压滤机”和“除尘-除臭一体化发酵翻拌机”, 确立生态型肥料为有机废弃物的综合利用方向, 形成“机械脱水一步到位+微生物动态好氧发酵”为主线的节能环保肥料工艺路线, 运用现代先进配方肥料生产工艺, 实现多品种生态肥料商品化, 建立起有机资源综合利用新模式。

1 关键技术装备的开发

1.1 有机废弃物高效脱水装备的开发

废物处理和资源利用的技术关键在于被处理物料含水量降低的程度, 含水量越低价值越高。在此之前, 国内外常用的脱水设备主要有带式压滤机、板框压滤机、离心脱水机、真空吸滤机、螺旋压榨机等。由于具有能够连续不间断生产, 操作简单, 运行维护成本低, 固液分离效率比较高等特点, 传统带式压滤机在原有的各类脱水设备中被优先广泛应用于冶金、化工、造纸、酒精污水处理、城市餐饮垃圾等环保处理, 其进行废渣脱水, 废渣脱水后含水率一般为75%~80%。但由于脱水效率低, 传统带式压滤机已经适应不了社会发展对节能减排和资源循环利用日益提高的要求。

针对传统带式压滤机的不足, 真空带式压滤机在传统带式压滤机的基础上, 创新了真空脱水装置, 同时对各压力辊的结构、布局, 对辊装置和驱动装置, 滤带张紧装置等进行优化创新, 大幅度改进提升了设备的正压脱水能力, 同时增加了负压脱水功能, 实现一次脱水后物料含水率降低至60%~65%, 产量达到6 t/h~8 t/h, 同比脱水率提高50%, 产量提高60%, 实现一次性将高含水量的有机废弃物脱水至可直接进入生物发酵环节, 直接降低处理和利用成本, 满足高含水量有机废弃物工厂化、同步对接处理初步要求, 减少二次堆放占用的场地。经过一次脱水的有机废弃物初步具有商品性, 形成了新的经济增长点。

1.2 有机废弃物发酵清洁生产装备开发

工农业有机废弃物综合利用生产有机肥料的过程中, 需要经过高温好氧发酵, 发酵质量的好坏主要取决于O2的供应与控制, 本工艺中创新的发酵翻拌设备对发酵过程具有智能化供氧和除尘除臭功能。

国内常用的发酵翻拌设备有条垛自行走式翻抛机、德国BACKHUS翻抛机及槽式翻拌机等。在有机物料生物发酵过程中, 这些设备均无法实现供氧准确控制和除尘除臭, 导致物料发酵腐熟不均匀、不充分、水分降低速度慢、发酵周期长, 产生恶臭、滋生蝇蚊等二次环境污染。

气浮式除尘除臭一体化发酵翻拌机在常规槽式翻拌机的基础上, 增加了通风增氧智能化控制系统及废气、粉尘收集处理系统, 实现对发酵物料进行翻拌的同时进行O2供给智能化控制, 及时准确调整发酵温度, 为好氧发酵创造最佳的环境条件, 使发酵物料保持最佳发酵状态, 发酵物料持续50℃以上高温达15d~20 d, 既杀灭有害病菌, 促进发酵腐熟, 又实现物料水分的快速干燥, 有效避免各种腐败菌产生, 实现工农业有机废弃物综合利用高效利用和清洁生产。在同等条件下, 与传统发酵翻拌设备相比, 可实现节能80%, 缩短发酵周期50%, 节约发酵场地30%。

1.3 一线多品生态节能环保肥料生产工艺装备开发与应用

国家农业部从2005年组织实施测土配方施肥项目至今, 中国的配方肥产品的生产已经形成了较大规模, 生产企业多。但长期以来生产技术工艺落后, 肥料生产工艺中, 其配方的稳定性受人为因素影响较大, 存在生产水平低, 能耗大, 成本高等特点, 这已成为中国配方肥产品良性发展的一大障碍, 对中国农业的可持续发展产生了不利的影响。

本肥料制造生产工艺集成了电子自动配料、沸腾炉节能烘干、电子自动称量包装、机械自动码垛及电机变频控制等自动化节能系统技术, 通过智能化手段解决了配方肥生产工艺中物料平衡、热量平衡、水平衡的控制难题, 实现了配方肥产品生产稳定性的技术控制;通过集成自动化技术和节能控制技术, 节约能耗, 提高生产效率, 实现产品生产综合节能80%, 节约劳动力80%, 节约土地50%, 大幅度降低生产成本。同时, 利用本技术工艺在一条生产线上能够完成生态有机肥料、生物有机肥料、有机—无机复混肥料和复混肥料的生产, 即实现有机发酵物料“一线多品”完全商品化, 还可按要求分别生产出圆形颗粒状、圆柱形颗粒及粉状三种形态的产品, 兼容性更大、适应范围更广。

2 生态型肥料生产绿色工艺

2.1 工艺流程

高水分含量的有机废弃物→机械脱水→水分含量60%左右的有机废弃物→槽式动态好氧发酵→水分含量40%以下、发酵腐熟的有机发酵料→生产加工生态肥料。

2.2 工艺优势

a) 一次脱水后物料含水率降低至60%~65%, 节约能源, 减少40%二次运输成本, 无需二次堆放, 可直接进发酵槽进行发酵, 无需外掺干物料发酵, 减少场地占用, 节约土地等资源;

b) 有机废弃物发酵转化过程有效杜绝恶臭产生, 能够做到全程无臭味、无苍蝇、无废水, 无废渣排放, 清洁环保, 实现有机原料绿色资源化;

c) 充分利用生物质能源进行发酵, 发酵结束水分可降低至30%, 满足制肥要求, 无需二次烘干, 与常规工艺相比节能80%以上;

d) 可与排污企业的生产线对接, 实现同步即时处理与利用, 综合处理成本低, 产业化前景好。

该工艺运用“机械一步到位脱水+微生物动态好氧发酵”技术, 实现有机废弃物节能环保清洁生产综合利用, 既解决了环境污染问题, 又实现了资源循环利用, 在工艺技术上优势显著。

3 结语

中国耕地占世界耕地总面积的1/10左右, 每年化肥消耗量约占世界化肥消耗总量的1/3。化学肥料的使用, 对种植业的促进、特别是粮食的增产方面, 在特定时期曾经起到很大作用[2,3]。但是, 长期大量盲目使用化肥, 其产生的负面影响日益彰显。实行有机与无机相结合是测试配方施肥的主要内容, 且投资少、见效快, 在废弃物排放与生态环境保护矛盾突出的今天, 更具战略意义[4]。

有机废弃物肥料商品化是综合利用的主要途径。该创新工艺高效、节能、环保, 应用在工农业有机废弃物综合利用领域, 可为中国木薯、甘蔗等产业实现节能环保、清洁生产、资源循环利用提供支撑, 将木薯淀粉渣、酒糟渣、糖厂滤泥、畜禽粪便等大宗有机废弃物变废为肥, 实现优质有机肥料商品化。尤其是发酵处理过程中能够充分利用生物质能实现持续高温杀灭有害病菌, 促进发酵腐熟, 除尘除臭, 克服二次污染问题。有利于相关生产企业提高经济效益, 同时也有利于生态环境的保护, 将有力促进当地经济向低碳、健康、良性循环的方向发展。

摘要：中国年产生各种有机废弃资源总量超过40×108 t, 长期以来工艺技术滞后, 处理成本居高不下, 废弃物排放与生态环境保护矛盾日益突出。该工艺以“真空带式压滤机”、“除尘-除臭一体化发酵翻拌机”和先进肥料生产工艺技术装备为依托, 开发形成有机废弃物绿色产业化综合利用创新工艺, 实现了有机废弃物综合利用清洁生产。

关键词：资源,综合利用,有机废弃物,清洁生产

参考文献

[1]刘贵锋.绿色有机肥料的开发与研制[J].现代农业科技, 2013 (1) :224-225.

[2]路克国, 朱树华, 张连忠.有机肥对土壤理化性质和红富士苹果果实品质的影响[J].石河子大学学报, 2003, 7 (3) :205-208.

[3]张爱菊.有机肥料的营养及无害化处理[J].河北化工, 2010, 33 (5) :20-22.

农业有机废弃物 篇4

论我国农业固体废弃物能源化利用技术

摘要：综述了近年来资源化利用秸秆、粪便、农用地膜和农村生活垃圾等农业固体废弃物的能源化利用技术及有关研究进展情况,并提出我国在农业固体废弃物利用过程中存在的问题及相应的解决措施.作 者：刘惠芳 涂Z 黄钰 作者单位：西南林学院环境科学与工程系,云南,昆明,650224期 刊：现代商贸工业 Journal：MODERN BUSINESS TRADE INDUSTRY年，卷(期)：,22(5)分类号：X9关键词：农业 固体废弃物 能源化

农业有机废弃物 篇5

1 材料和方法

1.1 供试材料制备

玉米秸秆、土豆皮、食用菌废弃料均为平时积攒, 试验前均经自然风干后粉碎备用。大豆浸泡废水制备方法为480 g大豆种子放到1500 ml水中浸48 h。

1.2 试验设计与测定方法

试验为田间小区试验, 于2008年在黑龙江八一农垦大学农学院实习基地进行, 土壤为石灰性黑钙土。供试大豆为垦4。试验设5个处理:秸秆 (S) 、土豆皮 (P) 、食用菌废弃料 (M) 、大豆浸泡废水 (L) 、对照 (CK) 。分别称取S、P、M处理各140 g/m2。L处理采用播前浸种的方法。田间开沟施入各物质及按CO (NH2) 2:75 kg/hm2、 (NH4) 2HPO4:120 kg/hm2、K2SO4:75kg/hm2标准换算后作为底肥等量施入各小区。每小区3行, 行距0.5 m, 行长3 m, 每个处理3次重复, 共15个小区。分别在V5 (第4片复叶展开) [2]、R3 (结荚始期) [2]、R6 (鼓粒盛期) [2]取样, 测定植株地上、地下部分鲜重、干重, 用蒽酮法测定植株叶片、根系可溶性糖含量[3]。

1.3 统计方法

将所得的数据结果用SPSS 13.0统计软件分别进行方差分析, 然后进一步采取Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 农业有机废弃物对大豆植株地上部生物量的影响

由表1可见, 在大豆生长V5期, 4个处理的植株地上鲜重、干重均高于CK。其中S处理苗期长势最好, 生物量最高, 表现为植株地上鲜重显著高于CK、M、L处理, 植株地上干重极显著高于CK、M处理, 且显著高于P、L处理。P处理植株地上鲜重较CK存在显著性差异, 而植株地上干重表现为差异不显著。R3期, 各处理植株地上鲜重和地上干物质积累均无显著差异。R6期, 植株地上干物质积累均高于CK, 且S处理显著高于CK。

试验分析表明, 农业有机废弃物的施用对大豆植株生长、叶片养分供应、子粒物质积累有一定促进作用。这可能是由于其含有各种生理活性物质, 促进了养分转化。秸秆处理在3个时期对大豆植株地上部生物量的影响均表现出高于其它处理, 这是因为秸秆中含有大量的C、N、P、K、各种微量元素及粗纤维, 这些物质对大豆植株的生长提供了能源和保障。这与戴志刚等人[4]的研究结论一致。

注:同一列中小写字母表示在Duncan’s多重比较中5%水平下差异显著性, 大写字母为1%水平下差异显著性, 无字母表示差异不显著, 下表同;*:CK、S、P、M、L处理分别代表对照、秸秆、土豆皮、食用菌废弃料、大豆浸出液, 下表同。

2.2 农业有机废弃物对大豆植株地下部生物量的影响

由表2可见, 在大豆生长V5期, S处理对大豆植株地下生物量积累促进作用最显著, 表现为S处理地下鲜重极显著高于CK、M、L处理, 地下干物质积累显著高于CK、M处理;P处理对大豆植株根系鲜重、干重均表现为显著促进作用;M处理对大豆植株地下部生物量的影响较CK略低, 出现这种现象的原因可能是由于其本身含有一些激素类物质抑制了苗期根系的生长。R3期, 各处理地下鲜重无显著差异, 仅L处理对根系干物质积累的量显著高于CK。R6期, 各处理对植株地下部生物量鲜重、干重均无差异性影响。

试验分析表明, 3个生育时期S处理对大豆植株根系生物量均表现出促进作用, 且这种促进作用在V5期效果最明显, 这可能是因为秸秆还田后增加了土壤有机质含量, 促进了团粒结构形成, 提高了土壤孔隙度, 降低了耕层容重, 在苗期发挥了作用, 增强了根系对养分的吸收。L处理在3个生育时期也表现出促进作用, 但在R3期植株根系干物质积累幅度增加较快且R6期仍保持较高的生物量累积。出现这种现象的原因可能是由于大豆浸泡废水中含有可促进根系发育的黄酮类衍生物, 其对大豆植株根系的促进在植株生殖生长期充分发挥作用。

2.3 农业有机废弃物对大豆可溶性糖含量的影响

植物体内可溶性糖含量的变化是植物体内碳水化合物代谢的重要标志, 它既可反映碳水化合物的合成情况, 也可说明碳水化合物在植物体内运输情况[5]。可溶性糖含量高, 说明光合产物积累得多, 从而利于植物干物质的增加、产量的形成及品质的改善[6]。

由表3可见, 大豆V5、R3期, 农业有机废弃物对叶可溶性糖含量的影响表现为各处理均高于CK, 但差异不显著;根可溶性糖含量表现为S、L处理极显著高于CK, 其中V5期S、L处理均提高了90.91%, R3期S处理增加了96.30%, L处理增加了125.93%;在大豆生长R6期, L处理和S处理叶片可溶性糖含量较R3期持续增加, 且L处理显著高于CK, 此时根系可溶性糖的含量较R3期有所降低, 但S处理仍表现出极显著性。

试验分析表明, 从V5到R3期, 叶可溶性糖含量积累增加的较缓慢, 而根系可溶性糖含量积累较大, 原因可能是由于施入的有机废弃物在R3期释放出大量可促进可溶性糖合成的物质, 使其积累大量的可溶性糖直接输送到根系, 提供整个植株生命活动所需的能量来源, 同时促进干物质积累。

3 结论和讨论

农作物秸秆是农业有机废弃物的重要组成部分, 还田后可增加土壤有机质, 提高土壤肥力, 节约化肥用量, 对发展生态农业有重要意义[7]。马铃薯皮富含丰富的维生素、矿物质及黄酮类物质[8]。食用菌废弃料含有较高的有机质及N、P、K等营养物质, 同时还残存大量的菌丝体, 在这些物质作用下, 能从复杂的有机质中释放出更多的易于被植物吸收的营养物质[9]。大豆浸泡废水里面含有大量的有机酸盐类、黄酮类、蛋白质等营养成分[10]。这些有机废弃物的合理利用既减少了环境污染, 又提高了作物的产量和品质。

试验结果表明, 4种农业有机废弃物的施用对大豆植株生物量的积累均有一定促进作用。但由于物理状态、有效成分不同而导致对土壤物理、化学、生物特征的影响不一致, 从而造成对大豆植株生长的促进作用不同。秸秆处理表现效果最好, 而且秸秆容易获得, 施用方便, 是有效提高大豆生物量的物质。4种生物质处理的可溶性糖含量的变化趋势与干物质积累的变化趋势基本一致, 这说明光合产物积累得多, 有利于植物干物质增加。但本试验结果仅是对大豆植株生物量及可溶性糖含量的影响进行了阐述, 而对植株其它生理生化指标、产量及相互关系的影响还有待进一步深入的研究。

参考文献

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农业有机废弃物 篇6

关键词：有机固体废弃物,持续农业,资源化利用

有机固体废弃物主要来自人们的日常生活当中, 其不仅数量大而且组成成分也比较复杂, 如果不能对其进行有效的处理, 非常容易造成二次污染, 给环境、经济等多方面带来损失。有机固体废弃物中含有大量的有机物质, 对于肥力日渐退化的土地来说具有非常重要的意义, 所以做好有机固体废弃物的研究, 实现有机固体废弃物的有效利用, 是时代发展的需求。

1 有机固体废弃物资源化利用的必然性

1.1 当前我国土地使用现状

当前, 农民在种植农作物时, 为增加农作物的产量, 都会在土地上使用化肥。化肥的使用虽然增加了农作物的产量, 但却让土壤发生板结, 造成土地肥力下降, 不利于农业的可持续发展。据土壤普查显示, 我国可以种植农作物的土地中, 仍有一部分耕地缺少微量元素, 大面积的土壤都需要对其进行培肥。由于化肥的广泛应用, 致使在雨水降临时, 化肥都与雨水混在一起, 易造成水体的富营养化。并且由于当前使用的化肥多为氮肥, 微量元素较为单一, 长此以往的使用, 还会降低肥料的利用率, 导致农产品质量的下降, 还会造成环境的污染, 给人们的身体健康带来影响。

1.2 有机固体废弃物的优点

如果作物的生长期较长, 施用有机肥则可以明显的增加其产量。有机肥料与化肥相比, 其增产效果更加明显。有人曾做过这样的实验, 对一组小白菜进行种植, 一种没有进行任何措施, 只是让其自然的生长, 一组施加化肥, 另一组施加有机肥。实现表明, 施用有机肥的一组小白菜, 明显比其他两组的产量要高, 由此可见, 有机肥的肥力要比化肥要高的多。此外, 在研究中人们还发现, 有机肥的应用不仅可以提高农作物的产量, 还可以有效提高其质量, 减少农作物中的有害物质, 有助于提高人们的饮食安全。

有机肥不仅在农作物的生长与产量方面有优势, 还有助于增强土壤的肥力。垃圾堆肥中含有大量的微量元素, 在为作物进行施肥时, 其中的微量元素可以有效改善土壤的结构, 增强土壤透气与透水的功能, 从而达到对土壤的改善。不仅如此, 有机固体废弃物中还含有大量的腐殖质, 这种物质可以吸附养分, 从而避免肥料发生流失, 提高肥料的利用效率。

2 有机固体废弃物在农业中的具体应用

2.1 具体应用在农田上

通常情况下, 农作物成熟的比较快, 如果施加有机肥的话, 效果较为缓慢, 所以通常采取有机肥与无机肥结合的方式, 制成复合肥, 或者将其与化肥进行结合, 满足农作物的养分需求, 从而加快农作物的生长。但在真正使用有机固体废弃物时, 还需要一些注意事项。由于有机固体废弃物中, 不仅含有农作物需求的微量元素, 还含有一些对人体有害的物质, 这些物质可以通过作物对人的身体造成伤害, 因此在利用有机固体废弃物之前, 应该先将其中对人体有害的物质进行处理, 例如通过高温杀死有害物质, 或者通过加入一些添加剂稀释有害物质等。有人曾做过调查, 将有机固体废弃物, 如猪粪进行为期两个月的堆积以后, 其中的有害物质, 如锌等元素都有所下降, 而有机物, 如残渣态的铜的增加等。据调查表明, 有机固体废弃物只要将其控制在一定的范围内, 并加以利用可以有效增加作物的产量, 改善土质, 促进农业的循环发展。

2.2 在城市绿化上的应用

有机固体废弃物不仅可以应用到农业上, 还可以应用到城市绿化上。据调查表明, 不论是干污泥还是污泥堆肥, 对于城市的绿化都有重要作用。对它们的有效利用不仅可以减少肥料费用, 降低运输的费用, 还可以促进花卉等周期的延长。不仅如此, 还可以将干污泥取代泥炭土进行幼苗的培育, 不仅可以降低成本, 还可以避免传统方法给表土带来的影响。此外, 还可以将干污泥等有机固体废弃物应用于公路绿化带中, 改善其土质, 增强土壤的肥沃性, 促进草木的生长。

2.3 在森林绿地上的应用

森林对生态以及人类的生存与发展都具有重要的影响, 但这些林地与农田相比, 森林绿地更需要增加微量元素。有机固体废弃物中不仅含有大量的有机物, 还有丰富的微量元素, 既可以做到迅速而又持久的供肥, 又可以快速而又持久的恢复林地的植被, 对土壤进行理化, 促进森林的生长, 增加森林的产量, 增加森林的面积, 减少我国的水土流失情况。森林绿地多与人们的生活区相离甚远, 因此在进行有机固体废弃物的使用时, 不会对人们的正常生活有所影响。例如美国、新西兰、澳大利亚等国家, 就实行的这种方式, 将流体污泥直接施加到森林绿地之中, 促进森林的生长, 减少有机固体废弃物对环境的污染, 实现有机固体废弃物的有效利用。

3 结论

综上所述, 随着社会的不断进步与发展, 有机固体废物也在不断的增加。如果不能有效的利用有机固体废弃物就会对环境造成严重的污染, 不仅需要花费大量的金钱进行整治, 还会影响人们的身体健康。随着科技的进步, 人们逐渐认识到有机固体废弃物中含有的有机质, 对农业发展的重要意义。因此, 我国必须加强有机固体废弃物的利用, 促进农业经济的循环可持续发展。

参考文献

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[4]朱建春.陕西农业废弃物资源化利用问题研究[D].咸阳:西北农林科技大学, 2014.

农业有机废弃物 篇7

1 生物循环体系规划

1.1 循环体系,生产结构的设计

朝阳地区每年大有时长5～6个月的温度较低,这对养殖、种菇及沼气发酵都有很大影响。为保证循环体系常年正常运行,猪舍、沼气池、菇房都建成封闭式日照温室,三者互相连通,有机结合,形成一个循环体系[2]。

1.2 循环体系中农村废弃物被利用的流程

有机废物中的秸秆加入人禽粪便进入沼气池发酵生产沼气。将沼气用作饲养及种菇所需能源,沼液加工处理成高效无毒的液体化肥用于农业生产,沼渣加有机废物中的玉米芯、果壳、谷壳及林业废物栽培食用菌,食用菌生产产生的菌糠经加工处理用于饲养家畜。

有机废物在这一生物循环体系中不断被分解利用及转化。其中一部分被转化为气体燃料甲烷;一部分转化成为供人们食用的高质量食品——食用菌;还有一部分则被转化成为高效、无公害的液体肥料。将肥料用于农林业的生产,促进农业生产,同时又产生新的有机废物,为这一循环体系提供物质基础,从而保证这一生物循环体系良性发展。农村废弃物被利用的流程如图1所示。

2 循环体系可行性实验分析

2.1 生物循环规律

在生物循环系统中,农业生产中的植物为生产者,其利用太阳能,将空气中的二氧化碳及土壤中的各种矿物质通过光合作用转化成有机物,同时将太阳能转化成生物能贮藏起来。人和动物为消费者,它们消耗植物生产的有机物及能量用于自身生命活动,同时代谢产生大量有机废物。异养微生物为分解者,它们将有机物分解用于自身的代谢活动,同时将其彻底分解成为水、无机盐及二氧化碳。微生物起到连接生产者与消费者的作用,使之构成生物循环体系,从而维持自然界的物质平衡。该文正是利用这一规律,设计有机废物多级利用的生产过程。

2.2 以沼渣加玉米芯等有机废物进行食用菌栽培

食用菌多为腐生菌,它利用无生命的有机物质作为营养及能量来源,尤其适宜在含纤维素、半纤维素、木质素丰富的有机基质上生活,沼渣是人畜粪便及秸秆经厌氧微生物发酵产沼气后的残余物。经研究得知,发酵基质中的蛋白质、脂肪、糖类物质基本被利用。而纤维素、半纤维素只有20%～30%被利用,最多不过30%～40%,而木质素则基本不被利用。未被利用的物质存留于沼渣中,被利用的物质除了转化成为甲烷作为气体燃料引出沼气池外,其中有10%左右转化成成菌体蛋白存在于沼渣中;另外,还有一部分转化成维生素、氨基酸、矿物质、氮、磷等无机化合物溶于沼液及沼渣所含水分中。这些是沼渣栽培食用菌的理论依据,试验也证实这一技术的可行性。试验是在大棚栽培食用菌时进行的,研究表明,用沼渣加玉米芯作原料的成本,是用纯棉籽皮作原料成本的1/5,增产21%～24%,比用纯玉米芯作原料降低成本3%,增产10%～20%。分析子实体氨基酸及蛋白质含量分析,结果证明沼渣加玉米芯生产出来的子实体质量最好,纯棉籽皮的次之,纯玉米芯的最差具体如表1所示。

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2.3 食用菌菌糠可成为饲料的加工原料

食用菌为大型丝状真菌,其特点是具有较强的分解纤维素、半纤维素、木质素的能力,以及将有机废物转化为菌体蛋白及菌类多糖、维生素、无机盐等物质的能力,其形成的子实体为人们提供高质量食品。菌丝体中含有与子实体同样的物质,由于其与被分解转化后的残余物混在一起形成菌糠,故还未被人们利用。通过对比试验分析,发现菌糠中含有丰富的营养物质,具体如表2所示。

研究表明,底料经菌体一系列生物转化过程成为菌糠后,粗蛋白质含量提高,粗纤维含量显著下降,无氮浸出物含量提高。此外,菌糠中还含有丰富的氨基酸、多糖及铁、钙、锌、镁等微量元素以及一些代谢产物如微量酚性物、少量生物碱、黄酮及甙类,还含有肌酸、多肽的衍生物等(表3),具有抗菌免疫等多种生理活性,可提高畜禽的抗病力,有效调节和改善畜禽生理代谢机能。总之。菌糠中所含的丰富营养成分决定菌糠饲料完全可用于饲喂畜禽[3,4]。

程云辉等在肉羊育肥的日粮中添加20%的菌糠,肉羊增重虽不如配合饲料,但由于生产成本降低,因而对生产效益无影响,并可节约饲料用粮[5];与干玉米秸秆直接饲喂比较,在饲喂平菇菌糠试验期间,羊增重提高34.6%[6]。

菌糠经过进一步处理,其营养价值和饲喂效果将有明显的提高。用热带假丝酵母发酵平菇菌糠,其粗蛋白含量可提高15.23%[7]。李志香等用酵母菌发酵以棉籽壳为基质的菌糠料,其粗纤维含量下降30%,粗蛋白含量增加14.5%,且游离氨基酸的含量和种类均有明显的增加[8]。将平菇菌糠和玉米粉混合后二次发酵用于肉鹅喂养,虽产量较常规精料喂养低3.1%～7.6%,但经济效益高11.9%～22.0%,具有较好的实际应用价值[9]。

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3 结论

该文探讨以沼气池为纽带,种菇、畜禽养殖相结合,使农村有机废物进入科学的生物循环体系,一方面提高办沼气的经济效益,另一方面为栽培食用菌提供成本低、质量好的原料,实现畜禽饲养、沼气生产与食用菌栽培科学的生物循环体系,使农村有机废物更加科学地综合利用。

摘要：从生物转化的角度,探讨利用农村有机废料生产沼气,建立一个生物种群多,结构层次健全,能流、物流较快循环的立体生态农业的模式,从而实现食用菌栽培、家畜饲养和环境保护的可持续发展。

关键词：农村有机废弃物,沼气,生态体系

参考文献

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[8]李志香,蔡元丽.菌糠发酵饲料的研究[J].中国畜牧兽医,2003,30(5):8-9.

有机固体废弃物干法厌氧发酵技术 篇8

厌氧发酵的原料几乎都是不溶性的有机大分子, 只有通过水解酶把它们分解成较小的分子后才能被产氢产乙酸菌和产甲烷菌利用, 最终产生甲烷。目前普遍认为厌氧发酵主要分为3个阶段:第一阶段为水解性细菌产生水解酶把非水溶性大分子的碳水化合物、脂肪和蛋白质等水解成可溶性的较小分子化合物的过程;第二阶段为产氢产酸阶段;第三阶段为产甲烷菌利用降解产物产生甲烷的过程。

有机固体废弃物的厌氧发酵依据总固体 (TS) 含量高低分为湿发酵和干发酵。干法厌氧发酵是指TS质量分数20%~50%的厌氧发酵处理工艺。与湿法工艺相比, 干法工艺具有明显的优势: (1) 可以适应各种来源的固体有机废弃物; (2) 运行费用低, 并提高了容积产能能力; (3) 需水量低或不需水, 节约水资源; (4) 产生沼液少, 废渣含水量低, 后续处理费用低; (5) 运行过程稳定, 无湿法工艺中的浮渣、沉淀等问题; (6) 减少了臭气排放等。国外对干法厌氧发酵的研究始于20世纪80年代有关污泥的卫生填埋, 之后主要集中于城市垃圾的处理。近年来, 干法厌氧发酵技术作为有机固体废弃物能源化处置的有效途径已逐渐成为世界各国固体废弃物资源化技术研究的热点, 而我国对干法厌氧发酵技术研究较少。

1 影响干法厌氧发酵过程的主要因素

1.1 底物组成

因可生化降解性不同, 不同的底物沼气产量相差很大, 甚至相差40%以上。底物C/N比值影响产气量, C/N比值太高, 微生物所需氮量不足, 且消化液缓冲能力降低;C/N比值太低, 含氮量过多, 有机物分解受到抑制。研究结果表明:厌氧发酵底物C/N比值以20~30为宜, 过高与过低均会影响底物产气量或产气速率。底物中木质纤维素含量影响底物的可生化降解性, 进而影响产气潜力。此外, 采用多种底物混合发酵可获得更高的产气效率, 同时也为沼渣的后续处理与利用带来方便。混合厌氧发酵以及优化混合原料组合将是重要的发展方向。

1.2 底物预处理

对于固体含量高的有机废弃物, 底物水解是限制其厌氧发酵过程的主要因素。底物水解速率除受自身生物可降解性、C/N比值等影响外, 还受底物物理结构、性状以及它们与水解酶接触难易程度等影响。底物比表面积大、底物与酶接触容易等均会提高水解速率, 加速产气速率。因此采取减少底物颗粒直径、改善底物与酶的亲和能力等预处理技术, 可以提高底物水解速率与产气量。

1.2.1 物理预处理

物理预处理通过减小物料粒径、改变物料晶体结构、使微生物/酶与底物有效接触而促进消化进程, 主要有切碎、研磨、浸泡、冷冻、超声波、蒸汽爆破、脉冲等方法。预处理温度越高, 固体减少量越多, 甲烷产量越高。

1.2.2 化学预处理

化学预处理可以促进复杂有机物质降解转变为易于物降解的小分子物质, 从而提高产气效率。通常有酸、碱和氧化等方法。稀酸预处理可以显著促进纤维素水解, 已经成功用于木质纤维原料预处理。

1.2.3 生物预处理

生物预处理主要利用微生物所分泌的胞外酶等物质预先水解底物。传统的化学与物理处理技术耗能较多, 生物处理技术从成本和设备角度考虑具有独特的优势, 但处理效率较低。如何将这些预处理方法进行优化组合, 实现低成本、高效率, 是今后有机固体废弃物预处理技术研究的发展方向。

1.3 总固体 (TS) 含量

总固体 (TS) 含量对有机物的降解有显著影响。总固体 (TS) 在20%和30%时, 总固体 (TS) 和挥发性固体 (VS) 的降解率较高, 分别为27.85%、29.47%和32.42%、33.63%。当TS浓度为40%时, TS和VS降解率明显下降, 分别为24.22%和29.74%;当TS为50%时, TS与VS降解率更低, 仅为21.56%和29.35%。在一定水力滞留时间条件下, 连续式反应器中总固体含量 (有机负荷量) 过高, 会因有机酸过量积累而导致启动失败或产气量降低。

1.4 接种物

因总固体含量高, 在干法厌氧发酵过程中加入足够的接种物是加快厌氧发酵启动和提高甲烷产气率的重要措施之一。一般情况下, 干法厌氧发酵时菌种 (消化污泥) 添加比例为料重的20%左右;达到30%以上则可以提高产气速率和早期沼气中甲烷的含量。不同接种物因菌群不同产气效果相差很大。

1.5 p H值及温度

厌氧发酵系统中产酸菌可以在p H值为5.5~8.5内生长良好, 而产甲烷菌对p H值变化非常敏感, 其适宜p H值为6.6~7.5, 因此, 反应器的p H值应维持在6.5~7.8。温度与有机物分解过程有密切关系, 30~35℃ (中温) 与50~55℃ (高温) 是厌氧发酵的2个适宜温度段。中温厌氧发酵工艺所需热量少, 运行稳定, 便于管理, 得到大量应用。

1.6 搅拌

搅拌可使微生物与发酵底物充分接触, 加快底物的分解速度, 对于厌氧干发酵, 搅拌尤为重要。搅拌可使物料混合均匀, 避免局部酸化, 并有利于沼气逸出;但由于厌氧微生物代谢较慢, 搅拌过于强烈反而会影响微生物的絮凝作用, 降低消化能力。

2 有机固体废物干法厌氧发酵处理工艺

2.1 连续式反应器

目前主要采用连续沼气干发酵工艺, 采用一种改进的二相消化过程来处理有机固体物。该发酵系统使水解酸化和产甲烷二个反应阶段分别在二个反应系统进行。在二相消化过程中, 产沼气率及挥发性固体的转化率均有提高。

2.2 间歇式 (批次) 反应器

在间歇式消化系统中, TS质量分数为30%~40%, 底物一次加料接种后完成消化过程。间歇式反应器设计简单、操作方便、对粗糙底物与重金属耐受性强、投资少。

3 干法厌氧发酵的生物监测及环境效应

3.1 干法发酵工艺对病源菌的影响

干法发酵厌氧发酵能够杀灭病源菌, 且高温厌氧发酵比中温更有效, 厌氧发酵对病源菌的杀灭效果除与温度有关外, 还取决于水滞留时间以及采用的工艺, 一般2步法比1步法对病源菌与病毒的杀灭效果更好。厌氧发酵过程不稳定或消化不彻底均可降低对病源菌的杀灭效果。

3.2 大气环境的影响

对厌氧产沼气工艺的环境影响进行系统分析表明:CO2、CO、NOX、SO2、CH4等气体的排放不仅与厌氧工艺有关, 而且与所用底物种类、沼气利用方式以及沼液、沼渣后续处理方式有关, 不同底物间温室气体排放量差异很大。

4 干法厌氧发酵技术难点

与湿法厌氧发酵相比, 有机废弃物干法厌氧发酵虽具有众多优势与益处, 但推广应用仍然存在众多困难:一是反应基质浓度高, 造成反应中间产物与能量在介质中传递、扩散困难, 易使部分区域中间代谢产物过度积累, 从而形成反馈抑制;同时水分含量低也影响细胞移动或酶扩散, 进而影响细胞或酶与底物的接触, 最终影响产气速率与效率;此外, 由于细胞移动与酶扩散困难, 需要加大接种量来实现快速启动, 增加了运行成本。二是反应基质的结构、组成以及颗粒大小等呈不均匀性, 使得系统运行难以控制, 连续运行不稳定。三是搅拌阻力大, 使得基质搅拌混合困难。

5 厌氧分级干式快速发酵技术

图1是美国加州大学戴维斯分校、加洲能源委员会、旧金山奥塞特能源系统公司 (Onsite Power Systems Inc) 研制的利用先进分级式生物工艺和工程设计技术、特殊的设备以及高效微生物发酵系统, 集分批和连续式发酵的优点于一体的有机废弃物转换为生物燃气的先进厌氧发酵技术装置 (厌氧分级快速发酵系统) , 是目前全球最先进的技术, 该项目已有在中国上海崇明使用。

同现有的沼气生产技术相比, 厌氧分级干式发酵技术有以下优点:

5.1是唯一可用于干物质含量高的废弃物厌氧分级干式发酵的适用技术, 发酵前不需进行加水处理, 可避免水污染问题, 尤其适用于城市垃圾和食品废气物。

5.2是目前唯一可用于以生物转换过程稳定生产氢气的技术。该系统所产生的甲烷和氢气目前主要是用来发电, 将来可以被进一步净化、压缩和装罐后用于汽车的运输燃料。

5.3集合了批式和连续生物处理过程的优点。

5.4稳定高效工业化生产生物燃气, 不受气候限制。

5.5采用了独特的工程和工艺设计及高效微生物发酵系统, 发酵速度快, 生物气体产量高。

5.6高温发酵可有效杀死有机废弃物中的有害病菌, 经发酵后的废弃物可用为高效有机肥。

农业有机废弃物 篇9

随着工农业废弃物厌氧生物处理技术的广泛应用, 沼气作为一种可再生能源, 越来越受到人们的关注和重视。沼气是一种特殊的生物质能源, 因为它的低位发热值较高, 所以其经常被用作汽车燃料, 还有一些被用作动力能源 ( 如水泵和发电机) , 也有被用作化工原料 ( 如合成有机玻璃脂和制造CCl4、甲醛和甲醇等) ; 还有一些国家的沼气净化技术较高, 如瑞典将净化后的沼气直接并入国家气网使用[1]。因此, 沼气完全可以作为一种绿色能源被开发利用, 这种新兴的产业也被人们越来越重视。由于沼气来源于厌氧发酵工艺, 因此这种工艺也得到越来越多的产业化应用, 不仅能缓解当前存在的能源危机问题, 而且能很好地达到保护环境的目的。

各种厌氧发酵微生物在厌氧的条件下, 将有机物分解消化的过程中会产生沼气, 此时也伴随有H2S的产生。因此, 沼气是一种混合气体, 其中CH4和CO2的含量较高, H2、H2S、NH3的含量比较少。发酵原料的种类、各种原料的相对含量、厌氧发酵的条件 ( 温度、时间、p H等) 以及厌氧发酵的各个阶段都是影响沼气成分的因素。

硫化氢 ( H2S) 是一种能危害人体健康的有毒性气体, 其物理性质上最大的特点是无毒和有强烈的臭鸡蛋气味。另外, 大气中H2S的存在是造成酸雨的主要原因之一。由于H2S在化学性质上能与许多金属离子反应, 产物是硫化物沉淀, 而这些产物又不溶于水或者酸, 所以其对铁等金属类物质有很强的腐蚀性。除此之外, 当沼气燃烧时, H2S会被氧化成亚硫酸, 从而对环境造成严重的污染, 也会严重腐蚀设备、管道和仪器仪表等。因此, 在利用沼气之前必须将其中的H2S去除, 而国家对沼气中H2S含量的标准有严格的规定, 不能超过0. 02g /m3。目前, 最常用的脱除H2S的方法有干式脱硫、湿式脱硫和生物脱硫。

1 干法脱硫

干法脱硫的具体反应过程是首先通过物理吸附将H2S吸附在吸附剂的表面, 然后是吸附剂与H2S发生化学反应生成单质硫的过程。因为干法脱硫所使用的脱硫剂大多数是粉末状或者颗粒状, 其整个过程是在完全干燥的环境下进行的, 所以脱硫过程不会对设备和管道等产生腐蚀和结垢的影响[2]。干法脱硫的适用范围是含有较低浓度H2S的气体, 其优点在于脱硫工艺设备比较简单及工艺技术方面比较成熟。因此, 干法脱硫工艺在工业上应用较广。目前, 最常用的干法脱硫方法有氧化铁法、氧化锌法、活性炭吸附法和膜分离法等。

1. 1 氧化铁法脱硫

氧化铁沼气脱硫法是使用较早的一种方法, 早在19 世纪40 年代就开始逐步发展起来了, 而此时煤气工业也孕育而生。氧化铁法脱硫的反应原理: 常温下沼气到达脱硫机床的表面, 此时沼气中的H2S与Fe2O3发生氧化还原反应, 生成的产物为Fe2S3和Fe S; 之后, 含硫的脱硫剂再被空气中的氧氧化为Fe2O3和S。这也说明了这种脱硫剂是可再生的, 可以循环使用很多次; 但是如果脱硫剂表面的空隙被大部分覆盖以后, 氧化铁脱硫剂就失去了活性。由此可见, 影响脱硫效果的因素有沼气的流速和沼气与脱硫剂接触的时间。

氧化铁脱硫反应方程式如下:

脱硫剂的再生原理反应方程式如下:

氧化铁法脱硫过程中发生的化学反应是不可逆的。反应方程式的反应速率很大, 要将沼气中的H2S浓度降到1mg /m3以下, 只需要几秒钟的时间, 这样很容易就做到了精细脱硫; 氧化铁法脱硫除了这个优点外, 还有氧化铁本身的价格便宜, 国家的存储资源丰厚, 使该法的成本大大降低; 另外, 就氧化铁法脱硫本身的工艺而言, 工艺技术操作简单, 方法成熟可靠, 脱硫效率较高。因此, 中国科学院生态环境研究中心鄂尔多斯固废所在其“城市有机固体废弃物联合厌氧发酵”工艺的沼气净化系统中采用氧化铁吸收法脱除H2S。用氧化铁脱硫时, 当脱硫剂中的硫未达到30%时, 脱硫剂是可以达到再生的目的, 将含硫的脱硫剂被空气中的氧氧化为氧化铁和硫磺, 就可以让脱硫剂再生; 但是当脱硫剂中的硫达到了30% 以上的时候, 脱硫的效果会变得很差, 这也说明此时的脱硫剂不能再继续使用了, 应该更换脱硫剂。

霍保根等[3]在文献中介绍了吸附能力和硫容是影响脱硫剂好坏的两个重要因素, 具有硫容为30% ~40% 以上的常温氧化铁脱硫剂就是好的脱硫剂, 脱硫效率能高达99% 以上。赵筠平等人[4]使用了一种新的TG型氧化铁脱除沼气中的H2S, 通过实验得出: 当p H为9 ~ 10、温度不低于15℃ 、水分为5% ~ 10% 、加氮量为50 ~ 100 mg /m、加氧量为1. 0% ~ 1. 6% 、空速为100 ~ 300 h-1时, TG型脱硫剂的脱硫效果较好。胡典明等[5]研究使用浸渍法制备出了一种特殊EF-2 型氧化铁常温脱硫剂, 实验结果表明, 此种脱硫剂的脱硫效果突出。当原沼气中的H2S的质量分数为1%时, 经过这种特殊脱硫剂脱除H2S后, 能使H2S的脱除精度小于0. 03 ×10-6。牛克胜等[6]在文献中也提出, 沼气采用干法脱硫, 在脱硫的过程中不断地通入空气, 从而达到还原再生脱硫剂的目的; 同时, 通入空气的过程可以使用自动化控制系统, 还能达到使设备连续运行的目的。

1. 2 氧化锌法脱硫

将氧化铁沼气脱硫法中的氧化铁脱硫剂换成氧化锌脱硫剂, 就是氧化锌法脱硫。该法是通过与沼气中的H2S反应生成硫化锌和水而将H2S脱除。由于生成的Zn S难离解, 且Zn O的吸附效率高, 所以氧化锌法脱硫也可以认为是脱硫精度较高的一种脱硫方法, 此方法一直应用于精脱硫过程。氧化锌的脱硫反应过程属于气-固两相反应, 且此反应不属于催化反应, 其最大的特点就是反应过程的进行不光是在固体表面, 在其内部也会发生。当脱硫反应开始进行时, 在脱硫剂氧化锌的表面开始发生氧化还原反应, 生成产物硫化锌; 然后, 固体表面的硫离子扩散迁移到固体内部, 通过离子置换反应将阳离子释放出来, 这一系列的反应就是通常所说的固体扩散。Zn O的结构是非常典型的n型半导体, 如果将其作为催化剂, 它的性质绝大部分取决于Zn O表面电子的性质。因为在用氧化锌脱除硫化氢之前有一个表面吸附过程, H2S本身也属于酸性气体, 所以氧化锌固体表面的电子浓度是影响化学反应速率和固体表面酸碱度的关键因素。也就是说, 当脱硫剂表面增大或者说碱性增高时, 硫化氢被吸附的速度也会加快。由此可以得出, 氧化锌脱除硫化氢的过程也受气氛效应的影响, Zn O固体表面吸附气体分子的同时, 就会有电子的转移。所以, 部分气体虽然不是直接参加脱硫的化学反应, 但是在其被Zn O固体表面吸附的过程中影响了固体表面的电子浓度, 从而影响了整个脱硫反应进程。同氧化铁脱硫法相比较, 氧化锌脱硫法的缺点显而易见, 就是脱硫剂再生的问题。氧化锌脱硫剂是不可以再生的, 因为在脱硫剂再生的过程中氧化锌脱硫剂的表面活性会因烧结而大大降低, 从而也降低了脱硫剂的机械强度, 所以在脱硫剂使用完之后就必须更换。

据文献研究表明[7]: 当温度为200 ~ 400℃ 的中温和温度为600 ~ 700℃ 的高温时, 氧化锌的脱硫效果较好; 但是, 当温度降低到200℃ 以下时, 氧化锌脱硫的硫容变得很低, 脱硫效果也会大打折扣。邵纯红等[8]在不同焙烧温度下用碱式碳酸锌制得不同粒径的纳米Zn O, 并将其作为脱硫剂, 室温脱除H2S。研究结果表明: 常温、常压下, 260℃ 焙烧的纳米Zn O对H2S有高的去除率; 同时, 当Zn O粒径增大、Zn O结构中氧空位减少时, 其脱硫效果会降低; 而且这种纳米氧化锌可以直接与硫化氢发生反应生成单质硫, 使尾气中没有SO2产生。

1. 3 活性炭吸附法脱硫

因为活性炭也有较强的吸附性, 所以也可以使用活性炭作为吸附剂来吸附沼气中的硫化氢气体, 这就是活性炭吸附法脱硫。其脱硫的原理: 活性炭吸附H2S之后, 向活性炭内通入氧气, 使H2S被氧化成硫磺;然后再用硫化铵溶液将硫磺洗去[9], 生成的反应产物是多硫化铵。由于这个反应是可以逆向进行的, 只需要将多硫化铵加热即可重新得到硫化铵和硫磺, 从而实现了活性炭的再生利用[10]。

活性炭吸附法脱硫的反应方程式如下[11]:

脱硫反应2H2S+O2→2S+2H2O

再生反应x S+ (NH4) 2S→ (NH4) 2Sx+1

(NH4) 2Sx+1→x S+ (NH4) 2S (通水蒸气)

活性炭吸附法脱硫除了具有可以再生的优点外, 还有吸附容量大、化学稳定性好、热稳定性高等优点[12]。但是如果活性炭中的水分太高会降低其吸附效率, 因此对活性炭中的水分要求比较严格。一般对活性炭进行改性后再运用到脱硫工艺中, 使用金属氧化物或者盐作为改性剂将活性炭进行改性, 就能明显增强活性炭的脱硫效果。秦悦等[13]研究了改性GH-16 杏壳活性炭, 用7% 的Na OH溶液加载到活性炭上, 同时向其中添加1% 的MCM-41 分子筛, 并用这样改性好的活性炭脱除浓度较低的H2S气体。实验结果表明, 硫容量被提高了200% 以上, 说明改性后的效果较理想。师雁等[14]使用了磺化酞菁钴作为改性剂, 将活性炭改性后, 也使活性炭的结构发生了很大的变化, 其表面形成了粒子致密的网状分布, 改性后的活性炭的孔径也变得很小, 活性炭的脱硫效果增强了很多。但是这种改性后的活性炭也存在一个很大的缺点, 就是在脱除硫化氢的过程中会有含硫团聚体生成, 而这种含硫团聚体会使改性后的活性炭失去活性, 从而阻止了活性炭的再生。徐浩东等[15]使用的改性剂是金属阳离子, 实验结果表明: 改性后的活性炭的孔径达到了1×10- 9~ 8 ×10- 9m, 其对于P、S都有很好的吸附效果。

1. 4 膜分离法

将传统的脱硫方法与膜基气体分离的方法联合起来, 就形成了一种新型的脱硫方法, 叫做膜分离法。其脱除硫化氢的反应原理: 借助浓度差驱动的原理, 利用CO2、H2S等杂质的相对渗透率远远大于CH4的相对渗透率这一特点, 将沼气通入膜的过程中; 相对渗透率较大的气体渗透到低压侧, CH4则留在另一侧, 从而达到分离出硫化氢的目的[16]。

膜分离法的优点很多, 如传质速率特别快、设备简单、能耗低、对环境污染小等; 此外, 膜分离法能将H2S和CO2一起脱除, 故此方法备受关注。李辉等[17]研究了使用膜分离技术脱除天然气中的硫化氢气体, 并取得了很好的实验效果。该技术可将天然气中的硫化氢的含量脱除到5mg /m3以内, 达到了国家关于天然气输送和使用的标准。

2 湿法脱硫

湿法脱硫的原理是利用能够吸收硫化氢气体的溶剂吸收硫化氢, 从而达到脱硫的目的, 溶剂也可以再生。由于所用的吸收剂吸收H2S的原理的不同, 所以可以分为湿式氧化法、物理吸收法和化学吸收法, 而且这种方法最明显的优点是比较适合处理沼气量大和硫化氢浓度较高的气体。

2. 1 湿式氧化法

湿式氧化法脱除沼气中的硫化氢的工作原理是借助水的溶解作用, 使溶解在其中的脱硫剂与硫化氢接触后发生氧化还原反应, 从而达到脱硫的目的。这种方法的起源较早, 到目前为止已经成熟的工艺多达几百种, 然而应用产业化较多的只有二十几种, 应用最为广泛的3 种是砷基工艺、A. D. A法和PDS法。

砷碱法是砷基工艺中较成熟的工艺, 所使用的碱液是钾或钠的碳酸盐和As2O3的混合溶液, 用溶液中的砷酸盐或硫代砷酸盐 ( 具体化学式为Na4As2S5O2) 作为氧化硫的脱硫剂。然而, 这种工艺在工业生产中并不常见, 原因就是砷有剧毒。除此之外, 其脱硫的效率并不高, 操作起来也很复杂。

A. D. A法 ( 蒽醌二磺酸盐法) 是以钒为脱除H2S的催化剂, 同时所使用的还原态钒的再生氧载体是蒽醌-2, 7-二酸钠 ( ADA) , 由碳酸盐作为其洗液。这种方法最大的优点是脱硫效率高, 但是其最明显的缺点就是管道容易堵塞和运行成本很高。经过改良后该工艺日益成熟, 现已成为目前国内应用最多的脱硫方法之一[18]。

PDS法是采用含双核酞菁钴磺酸盐的Na2CO3溶液作吸收液, 其原因是这种化合物对硫化氢有非常强的催化活性。该法的具体反应过程分为脱硫和再生, 反应方程式如下:

从上述反应式中可以看出: PDS法解决了一个很大的难题, 那就是Na HS与O2发生化学反应生成硫代硫酸盐和硫酸盐, 而这两种产物都有害, 现在的反应产物具有增大溶液的硫容量和使硫泡沫容易浮选的优点。李坚等[19]就用了PDS法脱除沼气中的硫化氢, 研究结果表明: 其平均脱硫效率已经高达95% 以上。但由于PDS法同时具有催化剂合成费用高[2 0]、生成的硫颗粒会造成设备和管道堵塞、PDS工艺占地面积大等缺点, 从而阻碍了PDS法的工业应用。

2. 2 化学吸收法

由于硫化氢属于酸性气体, 所以一般利用呈碱性的溶液与其发生酸碱中和反应, 从而达到吸收硫化氢的目的, 这种方法就是化学吸收法。显然, 这种方法有一定的适用范围, 如适合于操作压力较低或原混合气体中烃含量高的地方。一般常见的化学吸收法有碳酸钠吸收法、氨水法和醇胺吸收法[2 1]。

碳酸钠吸收法所用的吸收剂为碳酸钠, 与硫化氢发生中和反应。此方法的优点是系统操作较稳定, 除了能吸收硫化氢外, 还能吸收部分的二氧化碳; 但是由于碳酸钠会部分变成重碳酸钠, 从而影响脱硫效率, 还有部分碳酸钠会变成硫酸盐, 进一步降低了脱除硫化氢的效率[2 2]。

氨水法即氨水与H2S发生中和反应, 反应方程式如下:

氨水吸收H2S的过程是一个物理化学过程: 第1步是H2S溶解到氨水中的物理吸收过程, 第2 步是酸碱中和化学反应过程。然而, 此方法最大的缺点就是使用的吸收剂氨水对设备腐蚀较大, 且污染环境, 制约了该技术的工业应用。

20 世纪30 年代, 醇胺吸收法脱硫就在工业中广泛使用了。其原因是这种方法的操作简单方便, 使用的物料便宜, 脱硫效果较好。所使用的吸收剂主要是胺类。其具体的反应方程式如下:

上述两个反应都是可逆反应。 研究结果表明[2 3]: 温度为29 ~ 40℃ 时, 发生的是吸收硫化氢的化学反应; 温度高于105℃ 时, 发生的是脱硫剂再生的化学反应。但是, 此方法的最大缺点是反应过程容易起泡, 对设备腐蚀较严重, 不能选择性地吸收硫化氢。

2. 3 物理吸收法

因为不同组分在溶剂中的溶解度有差异, 所以溶剂对组分的吸收也不同, 利用这一原理脱除沼气中的H2S, 然后通过一系列措施 ( 如降压等) 将H2S再析出, 也能达到溶剂再生的目的。通常使用的吸收剂为有机溶剂, 最常用的物理吸收法有聚乙二醇二甲醚法和冷甲醇法等[24]。但是这种单纯用物理吸收法脱除H2S的效率不如化学吸收法的高, 也不够彻底。 所以, 通常使用的湿法脱硫是湿式氧化法和化学吸收法, 物理吸收法通常与这两种方法联合使用。

3 生物法脱硫

生物法脱硫是近几年来被重视发展起来的一种新的脱硫技术, 其反应原理是利用各种微生物 ( 如排硫硫杆菌、氧化硫硫杆菌、丝状硫细菌、氏硫菌属、脱氮硫杆菌、发硫菌属、氧化亚铁硫杆菌、辨硫菌属等) 在新陈代谢时获取以硫化物作为营养源的营养物质, 其反应的最终产物是硫单质和硫酸盐, 从而达到脱除硫的目的[25]。生物法脱硫由于具有脱硫效率高、工艺流程简单、投资成本低等优点, 可以应用于很多领域中; 但是因为通常是化能自养菌能够利用H2S, 这种微生物存在生长周期长、存在效率低, 所以生物法脱硫的工业化程度并不高, 这里就不做详细介绍了。

4 结语

主要对传统沼气脱硫技术中几种工业化常用的脱硫工艺进行了分析, 干法脱硫和湿法脱硫是两种传统的脱硫方法, 也是目前工业上使用较普遍的脱硫方法。干法脱硫的优势在于工艺流程简单、技术成熟可靠、脱硫过程对设备损害小以及造价较低等, 适合处理H2S浓度较低的精脱硫; 湿法脱硫的优势在于处理循环量大的溶液、脱硫效率较高和脱硫过程可连续操作等, 此法适合于含硫量高的气体, 但是投资运行费用高, 沼气利用一般用户难以承受。中国科学院生态环境研究中心鄂尔多斯固废所在其“城市有机固体废弃物联合厌氧发酵”工艺中所产生的沼气中H2S的含量较低, 属于低含硫量的沼气气体, 所以此工艺中使用的是干法脱硫中的氧化铁吸收法脱硫、提纯后的沼气, 部分用于生产车间制肥系统供热、有机肥烘干, 其余进入发电机组发电, 产生的电力主要用于车间生产用电。我公司也有意向通过进一步的研究将净化、提纯后的沼气用作车用燃料 ( CNG) , 从而大大地提高了沼气的利用率, 真正达到缓解能源危机、保护自然环境的目的。

摘要：对传统沼气脱硫技术中干法脱硫和湿法脱硫的产业化特点进行了综述。同时, 结合中国科学院生态环境研究中心鄂尔多斯固废所在其“城市有机固体废弃物联合厌氧发酵”工艺中所使用的脱硫技术, 详细叙述了干法脱硫中的氧化铁吸收法脱硫技术, 最后提出了沼气的高效利用前景。