规模化沼气工程沼液、沼渣减量化及资源化利用研究

【摘要】：沼气工程是一种有效处理有机废弃物的工程技术,尤其是在畜禽粪污处理和高浓度有机污水处理方面效果显著,在国内外得到了大力推广应用。近年来,随着养殖业和农产品加工业向大型化发展以及沼气作为新能源开发利用,我国沼气工程正朝着大型化、产业化方向发展。沼气工程在处理有机废弃物的同时又能够产生清洁能源,处理后的沼液沼渣还可能成为有机肥料。但实际工程中这些废弃物往往不能得到预期的“就地直接利用”,带来很多负面影响：①沼液中含有大量的N、P、K营养元素、生理活性物质(BAC)、数量庞大的微生物菌群以及其它无机离子和极微量的重金属成分等。这些物质成份复杂、含量未知,直接用作肥料灌溉,难以发挥最好的效用,弊大于利;②沼液直接农业利用受季节性影响明显,且由于贮存和运输等原因,没有足够的田地及时消纳,只能直接排放造成环境污染；③沼液、沼渣在农田施用时,没有规范性的技术指导,一旦施用量过大,超过土地承载能力和作物利用能力,便会造成二次污染。因此沼液、沼渣问题已经成为制约规模化沼气工程产业化推广的瓶颈。本文围绕规模化沼气工程存在的沼液、沼渣减量及其高附加值利用等问题开展研究,通过系统分析与测定沼液中的主要组分、生理活性物质及其物理化学和生物学特性；结合沼气工程厌氧发酵液回流工艺和沼液营养物质浓缩与水资源回收技术应用研究,显著减少沼气工程沼液沼渣排放量,有效实现发酵液中营养物质与水资源分离回收；系统考察了沼液作为有机营养液、沼渣作为有机肥和人工基质在农业应用的效果,解决沼液、沼渣的消纳问题,有效提高沼液、沼渣的附加利用价值,对于促进规模化沼气工程的可持续发展具有重要意义。本文取得的主要创新性成果如下：1)本论文通过系统分析与监测,确定了沼液中的主要组分和生理活性物质(Major Components and Bioactive Components,MCBAC)及其物理化学和生物学特性。首次在猪粪沼液中检测和分离出多种促进植物生长的激素类成分及含量：细胞分裂素iPR,含量为0.00194μg/L:赤霉素GA4含量为0.857μg/L,GA19含量为1.47μg/L,GA53含量为0.271μg/L。高等植物的赤霉素含量一般是0.001-1 ng/kg鲜重,沼液中赤霉素浓度达到3个数量级以上；吲哚乙酸(IAA)在植物体内生长素的含量很低,一般每克鲜重为10-100 ng,本研究中检测得知,沼液中IAA含量为332μg/L,比植物中浓度高出了3-30倍,IAA对促进植物生长,诱导花芽分化,促进光合作用方面有显著影响；吲哚甲酸ICA含量为397μg/L；检测出2种杀虫抗菌类成分及含量：8-羟基-3,4-二氢喹啉-2-酮,在沼液中浓度为0.7375 mg/L;3,4-二氢喹啉-2-酮,在沼液中浓度为0.1775 mg/L；并鉴定了吲哚-3-甲酸、8-羟基-3,4-二氢喹啉-2-酮、3,4-二氢喹啉-2-酮的结构式；为解释施用沼液对作物促生抗逆抗虫的机理提供理论依据,为后续开展沼液营养液高值化利用研究提供理论支持。2)在沼液减量化技术研究方面,提出了针对高固含率物料厌氧消化液高回流比的厌氧发酵工艺,解决了回流液对厌氧发酵过程产生抑制影响的关键技术问题,确定了最大回流比；应用碟管式反渗透膜(DTRO)工艺,建立了沼液营养物质浓缩与水资源回收系统,通过试验研究探索了沼液浓缩长期稳定运行的参数与经济性;在上述基础上,总体实现减少沼液排放量达到80%以上,清水实现达标排放或回收利用要求。3)针对沼液营养物质稳定性问题,利用16S rRNA基因克隆文库和PCR-DGGE技术等方法研究了沼液中微生物群落组成、通气状态下沼液中细菌菌群的变化情况。明确了通气会改变沼液中微生物多样性、引起沼液营养物质和激素类物质不稳定的机理,在沼液中添加秸秆原料,利用降解低价煤菌种对沼液进行二次好氧发酵,研制了具有稳定性能(pH值稳定3个月以上)的沼液有机营养液,解决了沼液长期储存及长途运输中营养减少的难题。在多种作物施用试验结果证明能够明显提高作物产量和品质。4)在沼渣人工基质技术及产品开发方面,利用沼渣富含多种营养元素和促生长活性成分,通过栽培对比试验证明了猪粪、鸡粪和牛粪3种原料的沼渣人工育苗基质效果：牛粪沼渣可完全替代草炭,猪粪沼渣和鸡粪沼渣可部分替代草炭,且育苗效果优于草炭、蛭石、珍珠岩配比施用化肥的人工育苗基质。5)在沼肥施用土地承载力评价方面,建立了土柱精确模拟系统,在自然环境下,通过种植不同作物品种和沼肥施用水平,全年监测不同深度土壤渗滤液水质(总氮、硝态氮、氨氮、总磷等)变化,评价沼肥施用的环境风险和土地作物系统消纳沼肥的土地承载力；揭示了不同作物种植形式、气候因素对沼肥土地承载力具有重要影响。 【关键词】：沼气工程 沼液 沼渣 有机肥
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X71;S216.4
【目录】：

• 摘要6-10
• ABSTRACT10-23
• 第一章 绪论23-35
• 1.1 课题背景及意义23
• 1.2 沼渣利用研究23-28
• 1.2.1 沼渣用于土壤改良24-25
• 1.2.2 沼渣对作物的影响25-26
• 1.2.3 沼渣人工基质26-28
• 1.3 沼液利用研究28-33
• 1.3.1 沼液活性成分分析研究28-30
• 1.3.2 沼液作为营养液的研究30-31
• 1.3.3 沼液浸种及防治虫害31-32
• 1.3.4 沼液其他用途32-33
• 1.4 本论文选题特色及研究内容33-35
• 1.4.1 论文选题特色33
• 1.4.2 主要研究内容33-35
• 第二章 沼液主要成分定量分析35-55
• 2.1 研究方案35-36
• 2.1.1 设计思路35
• 2.1.2 技术路线35-36
• 2.2 材料与方法36-42
• 2.2.1 沼液中氮磷钾的测定36-38
• 2.2.2 沼液中金属离子的测定——ICP-AES法38
• 2.2.3 全盐量的测定38-39
• 2.2.4 细菌总数和大肠杆菌测定39
• 2.2.5 氨基酸测定39-40
• 2.2.6 植物激素40
• 2.2.7 抗菌成分40-42
• 2.3 结果与分析42-53
• 2.3.1 沼液中氮、磷、钾测定结果42
• 2.3.2 沼液中重金属含量测定结果42
• 2.3.3 沼液中全盐量测定结果42-43
• 2.3.4 沼液中微生物测定结果43-44
• 2.3.5 沼液中氨基酸含量44
• 2.3.6 沼液中植物激素测定结果44-45
• 2.3.7 沼液中抗菌成分测定试验结果45-52
• 2.3.8 活性成分结构式鉴定52-53
• 2.4 本章小结53-55
• 第三章 沼液回流工艺研究55-71
• 3.1 实验材料与方法55-57
• 3.1.1 沼液高回流比对厌氧发酵的影响研究55-56
• 3.1.2 沼液好氧曝气试验研究56
• 3.1.3 沼液曝气后回流对厌氧发酵的影响研究56-57
• 3.1.3.1 试验材料56-57
• 3.1.3.2 试验方法57
• 3.1.3.3 测定项目及方法57
• 3.2 沼液高回流比对厌氧发酵的影响研究57-61
• 3.3 沼液好氧曝气试验研究61-63
• 3.4 沼液曝气后回流对厌氧发酵的影响研究63-68
• 3.5 结论68-71
• 第四章 沼液营养物质浓缩与水资源回收工艺71-93
• 4.1 DTRO系统运行性能及影响因素71-77
• 4.1.1 膜通量72-74
• 4.1.2 脱盐率74-77
• 4.1.2.1 压力对脱盐率的影响74-75
• 4.1.2.2 进水电导率对脱盐率的影响75-76
• 4.1.2.3 温度对脱盐率的影响76-77
• 4.2 DTRO系统最佳工艺参数分析77-80
• 4.2.1 DTRO系统最佳运行压力分析77-78
• 4.2.2 DTRO系统浓缩沼液最佳回收率分析78-80
• 4.3 DTRO系统长期运行效能结果与分析80-83
• 4.3.1 DTRO系统长期运行膜通量的变化80
• 4.3.2 电导率的浓缩效果80-81
• 4.3.3 COD的浓缩效果81-82
• 4.3.4 氨氮的浓缩效果82-83
• 4.3.5 长期运行出水水质83
• 4.4 DTRO膜污染情况与控制83-90
• 4.4.1 膜污染分析84-87
• 4.4.2 膜的清洗87-90
• 4.5 本章小结90-93
• 第五章 有机沼液营养液制备及栽培试验研究93-107
• 5.1 沼液细菌群落组成及稳定性分析93-94
• 5.1.1 沼液细菌群落组成93-94
• 5.1.2 沼液稳定性分析94
• 5.2 沼渣及浓缩沼液对圆生菜生长及氮素利用率的影响94-101
• 5.2.1 材料与方法94-95
• 5.2.2 结果与分析95-101
• 5.3 基质栽培油菜追施浓缩沼液应用效果研究101-106
• 5.3.1 材料与方法101-102
• 5.3.2 结果与分析102-105
• 5.3.3 小结105-106
• 5.4 本章小结106-107
• 第六章 沼渣人工基质技术与应用研究107-147
• 6.1 技术路线107
• 6.2 沼渣的理化性质107-109
• 6.3 沼渣人工基质育苗试验研究109-143
• 6.3.1 发酵原料为鸡粪的沼渣人工基质育苗试验109-138
• 6.3.2 发酵原料为猪粪的沼渣人工基质育苗试验138-141
• 6.3.3 发酵原料为牛粪的沼渣人工基质育苗试验141-143
• 6.4 发酵原料为牛粪的沼渣人工基质栽培试验143-145
• 6.5 本章小结145-147
• 第七章 沼液、沼渣有机肥应用土地承载力研究147-161
• 7.1 研究方案147-149
• 7.1.1 研究依据147-148
• 7.1.2 技术路线148-149
• 7.2 土柱模拟实验研究149-161
• 7.2.1 材料与方法149-150
• 7.2.2 试验处理150-152
• 7.2.3 结果与讨论152-159
• 7.2.4 结论159-161
• 第八章 结论161-163
• 本论文的主要创新点163-165
• 参考文献165-169
• 致谢169-171
• 研究成果及发表的学术论文171-173
• 作者和导师介绍173-174
• 附件174-175

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