以粪污水热资源化为核心的高效种养结合系统分析与展望

种养结合系统是实现养殖业和种植业可持续发展的重要途径。水热技术可以将畜禽粪污快速直接转化生产生物原油、水热炭、水相产物和气体产物,生成物分别具有燃料、土壤改良、农用杀菌剂和气体肥料应用潜力,以粪污水热资源化为核心构建的高效种养结合系统有助于提升畜禽粪污的无害化资源化水平和消纳能力、构建生态可持续的绿色循环农业,实现畜禽粪污资源化利用、种植业和养殖的协同高效发展。该研究基于国内外近十余年的研究,系统综述了粪污水热资源化产物在种养结合生态循环农业模式中的作用和应用潜力,论述了畜禽粪污水热转化生物原油在农业内燃机中作为燃料的研究现状,阐述了水相产物作为潜在的农用杀菌剂在作物病害防控中的作用,梳理了畜禽粪污源水热炭在转化机理、理化特性和还田应用中的研究进展,分析了气相产物中的组分和用于温室种植的潜力。在此基础上总结了以粪污水热资源化为核心的高效种养结合系统面临的主要挑战,并对水热资源化产物农业循环应用的研究方向进行展望。研究为畜禽粪污水热资源化和高效种养结合系统研究提供理论参考。

电化学法对滴灌用再生水的杀菌和碱度硬度去除效果

针对再生水的使用过程中引起的滴头堵塞问题,该文采用低压电化学手段研究防控灌水器堵塞的可行性。设计阳极为Ti/Sn O2+Sb2O3,阴极为不锈钢的升流式电化学处理器,以北京再生水为进水开展试验,测量处理前后水中的微生物总数、硬度、碱度等指标,计算杀菌率、硬度去除率、碱度去除率等。结果表明,在累计处理电压小于100 h时,杀菌率可以达到90%以上;在处理电压为4 V,停留时间条件为48 h下,电化学处理器硬度去除率可以达到23.94%,碱度去除率达到66.85%,可以起到防控灌水器堵塞的作用。但该阳极在累计处理时间达到320 h后,杀菌率和硬度去除率有显著下降,稳定性需进一步提高;通过交流阻抗图,发现在累计处理时间达到320 h时电极的扩散内阻要比对照组大。该研究证实了电化学法处理再生水和防控滴灌堵塞的可行性,可进一步通过改进电极材料提高电化学处理器的稳定性。

直接种间电子传递对缓解厌氧消化抑制效应的研究进展

厌氧消化是将生物质废弃物进行资源化利用的有效途径之一。然而,复杂的原料性质以及反应器高负荷的运行条件会使厌氧消化过程产生多种抑制效应,易导致反应器运行不稳定,产气效率低等问题。因此,提升厌氧消化反应器运行性能、减缓抑制效应成为当前的研究热点。区别于以氢气和甲酸为媒介的间接种间电子传递(Mediated Interspecies Electron Transfer,MIET)过程,微生物间的直接种间电子传递(Direct Interspecies Electron Transfer,DIET)能够在菌群间直接进行电子转移,传递效率更高。DIET的建立有助于强化厌氧反应的稳定性,提高反应效率,减缓抑制效应。基于此,该文总结了DIET的研究进展,分析了主要的种间电子传递机制,探讨了DIET对不同类型抑制效应的缓解作用,归纳了DIET潜在微生物的富集效果;在此基础上展望了DIET在减缓厌氧消化抑制效应方面的重点研究方向和应用前景。

鸡粪发酵液培养的小球藻水热液化制备生物原油及其特性

为探索沼液资源再利用,以鸡粪沼气发酵液培养的小球藻为原料,采用水热液化技术制备生物原油。采取正交试验,在温度250~330℃、时间30~90 min及含固量15%~25%下,探讨了水热反应后各相产物特性及元素回收效率。生物原油产率为13.23%~23.83%,最高产油率在330℃、60 min、15%时取得。生物原油中碳、氢及氮回收率分别是16.13%~31.14%、19.18%~34.89%及5.97%~14.32%,最高碳回收率及最低氮回收率分别在330℃、60 min、15%及250℃、30 min、15%时获得。水热液化各相产物中,碳、氢及氮回收率在水相中占主导地位,分别为48.74%~60.43%、46.81%~62.13%及74.84%~82.67%。热重分析暗示生物原油可能适合制备润滑油。此外,GC-MS分析表明生物原油中烃类物质质量分数为16.14%~24.91%,主要为低碳链烃类,如甲苯及二氢茚等。

厨余垃圾水热液化成油特性研究

以中国农业大学5个学生食堂厨余垃圾按照日产量比例混配后作为原料(含固量,22.54%),研究反应温度(260、290和320℃)对水热液化反应和产物分布的影响。最大液化率和最大产油率分别为79.25%(290℃)和42.02%(260℃),生物原油热值最高可达37.39 MJ/kg,能量回收率最高可达65.96%。GC-MS分析表明生物原油由烃类、酸类、醇类、酮类和醛类等物质组成。

污泥连续水热炭化工程系统研究

水热炭化可以显著改善污泥的脱水性能,促进污泥的无害化、减量化、资源化利用,但目前污泥水热炭化技术的工业化应用鲜有报道。该研究基于工程规模的污泥水热炭化系统开展研究,重点研究了系统工程设计和控制逻辑,开展了系统参数测试,分析了污泥炭、气相和水相的理化性质和组分分布,并在此基础上进行了系统能量平衡分析。结果表明,系统污泥年处理量达1.4×10^(4) t,水热炭化后的三相产物分别为污泥炭28.57%,水相70.00%,气相1.43%,污泥脱水率达75%,综合整个生产系统,系统加热能为454.22 MJ/t,动力耗能为64.80 MJ/t,连续水热炭化工程系统能耗比为83.83%,能量回收率为66.68%,系统具有较高的能耗比。该研究可为生物废弃物连续水热炭化技术的研发和推广应用提供重要的工程依据。

生化需氧量检测标准现状与发展

水环境监测是切实推进生态文明建设的重要方面。生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)是在微生物存在下水体有机物生化降解所需的氧量。作为反映水中有机污染物含量的重要指标,在城镇、工业和农业农村环境等领域的监测工作中均不可忽视。该研究剖析了国内外关于BOD检测的标准和方法,总结了稀释接种法和微生物电极法以及更加与时俱进的测试方法。同时,对比分析了国内外标准排放限值的制定力度,从国家标准、地方标准、行业标准三个方面全面梳理了现行BOD标准体系建立的结构和框架,深入剖析了地方强制标准在国家法规、地方政策引导下建立的影响因素和执法部门监管、人民群众监督下实施的推动关系。从标准分布、制定力度、检测方法的迭代三个方面提出了标准体系的重点发展方向和制修订建议,以期为推动中国水环境保护和水资源利用提供支撑。

中国农村厕所改造政策、技术与标准现状及展望

厕所革命关乎民生大计,农村厕所改造是实现乡村振兴的重要组成部分。针对农村厕所改造过程中存在厕所改造政策落实不到位、盲目选择厕所类型、粪污处理不当和厕所标准规范不完善等问题,对文献和相关材料进行查阅和梳理。从厕所改造政策发展历程、厕所改造关键技术和厕所改造标准体系及重要标准规范等3个方面对中国农村厕所改造的发展历程进行回顾和研究,提出要确保农村厕所改造的政策文件和资金落实到位、因地制宜选择农村厕所改造和粪污处理的技术与模式、修订完善现有标准规范和补充缺乏的标准内容并形成系统的农村户厕标准体系、基层政府和农村要推动常态化管理维护并形成一体化管理机制等建议,以期为中国农村厕所革命的推进提供参考。

厕所粪便与粗甘油共液化制备生物原油研究

水热液化是处理湿有机废弃物并实现能源化的技术之一。以厕所粪便和粗甘油为原料进行水热液化,探究了不同质量比例的厕所粪便和粗甘油(1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1)对产物分布和油品特性的影响。粪便与粗甘油的比例混合为1∶3时,生物原油的产油率最高为40.6%,液化率最高为94.8%,相比单组分厕所粪便分别提高了18%和15%,表明粗甘油对粪便水热液化的产物转化具有促进作用。当在粪便中添加粗甘油时,水热液化生物原油的热值变化了0.27%~8.88%,含水率降低了11.5%~85.2%;所含烃类物质高达21.1%,酸类物质降低到14.4%,表明生物原油更稳定;增加了生物原油中的轻组分成分,残渣含量降低了25.2%~53.2%,进一步表明粗甘油可以改善粪便水热液化生物原油的油品质量。

废弃生物质基生物原油制备可再生润滑油的潜力、途径和挑战

水热液化技术可以将新鲜生物质废弃物资源化后制备为与化石原油性质相似的生物原油,高值化利用是其发展的主要方向之一。本文综述生物基原油制备润滑油的潜力和途径,总结了常见含氮生物质的类型和生物原油的特点,分析了分馏前后水热液化原油的特性变化,归纳了植物油的特点和改性制备润滑油的工艺,探讨了含氮的添加剂提高润滑油产品的润滑性能和生物降解性的特性。通过对比传统润滑油、植物基润滑油的制备途径、现状及面对的问题,提出水热液化技术在润滑油制备上的发展设想,为实现水热液化生物基原油的高值化和润滑油的新型制备方式提供理论参考。

石油化工废水生化转化技术与碳减排潜力研究进展

化石能源的加工和消耗是中国重要的碳排放来源之一。石油加工过程产生的大量废水中有机物含量高、成分复杂,通过生化技术转化废水回收资源,是实现碳减排和碳中和的重要潜在途径。笔者综述了通过好氧处理、微藻处理、厌氧消化和微生物燃料电池等技术对石油化工废水污染物去除与资源回收的研究进展;分析了4种技术在废水处理过程的碳排放因素;讨论了这4种技术推动碳减排的途径与潜力,其中微藻处理、厌氧消化和微生物燃料电池等新型生化技术具有良好的碳减排发展空间;展望了生化技术处理能源加工废水实现碳减排的研究重点,包括优势微生物探究、处理工艺优化、组合工艺开发与资源循环系统构建等。

第三方运营下规模化畜禽沼气工程运行与管理

沼气工程是畜禽养殖业粪污末端处理与资源再利用并重的全量化资源利用模式,长期以来养殖场自运营模式下沼气工程运行效率、稳定性及经济效益低。该研究提出引入第三方运营模式,以一大型沼气工程(总有效发酵容积为10800 m3)为例,在20 a案例期内进行两种运营模式下该沼气工程的物质流、能量流分析、碳排放以及经济性评估等多视角分析,并采用基因表达式编程进行产气拟合,为优化发酵工艺提供了策略。结果表明,第三方运营模式能够提高工程效率和经济效益:物料处理量、沼渣垫料产量、沼气产量及沼气发电量分别提高52.00%、23.00%、51.94%、79.58%;热电联产总产能提高,但能耗比和能量回收率分别降低14.74%、12.73%,这主要是未进行余热回收造成的。财务分析表明,第三方运营模式项目税后财务内部收益率提高10.20个百分点,财务净现值提高3566万元,投资回收期缩短10.42 a;财务敏感性分析指出提高下游产品的附加值是提高该沼气工程经济效益的关键因素。该研究为沼气工程乃至其他规模化废弃物处理的第三方运营模式推广应用提供了有价值的工程参考。

北京市规模化奶牛场运动场防雨现状及建议

运动场是保障奶牛生产力和动物福利的重要设施。2021年6—9月,频繁降雨导致北京地区多家奶牛场的运动场积水,为奶牛生产力、奶牛场生防安全、环境卫生、运动场舒适性和动物福利带来隐患。通过线上线下结合,调研了北京地区27家规模化奶牛场的运动场防雨、排水及垫料现状。结果表明:调研奶牛场中,88.90%奶牛场配备了运动场,其中83.33%奶牛场通过设置地面倾角、设置挡雨棚、雨污分离槽及布设排水管道(沟渠)、雨后水泵排水等方式实现运动场防雨及排水。此外,针对运动场建设、运动场防雨、运动场舒适性展开讨论,以期改善运动场防雨现状,满足集约化奶牛场可持续发展需求和提升动物福利。

北京市规模化奶牛场粪污综合管理模式分析——以北京延庆区大地群生养殖专业合作社为例

北京是都市奶牛养殖业发展的典型代表,拥有规模化奶牛场49家,存栏规模5.68万头。得益于资金和技术支持,北京市奶业稳步发展,但受资源、环境、政策等因素影响,当地规模化奶牛养殖企业也面临管理难度大、环保压力大、养殖成本高等问题。优化规模化奶牛场综合管理是解决奶牛养殖区域性难题的有效途径。本文在充分调研北京市奶牛奶牛场粪污处理现状的基础上,以北京市延庆区大地群生养殖专业合作社为例,介绍科学养殖-高效粪污资源化利用综合管理方案,以期为都市型农业提供粪污管理方案提供参考。

北京市奶牛粪污管理及资源化利用技术现状

粪污管理是奶牛养殖业的重要环节,在奶业可持续发展中举足轻重。北京是人口密集的国际化大都市,乳制品供应需求与养殖用地、污染排放、畜禽粪污的土地消纳之间的矛盾突出,在大型都市农业发展过程中具有典型性和示范性。本文以北京市为例,总结了当前牧场奶牛粪污管理的技术和方法,结合实验室前沿研究,对奶牛粪污的微藻处理和水热转化等高值化转化技术进行介绍,以期为大型都市的粪污管理和养殖业可持续发展提供借鉴和参考。

生物质水热液化水相产物形成机理及资源回收

生物质水热液化转化为生物原油是极具潜力的可再生液体燃料制备途径。但水热液化水相产物产量大、成分复杂,具有较高的环境风险,限制了水热液化的绿色发展。论文以本课题组近10年(2012-2021)的研究积累为核心,综述了水热液化水相产物的形成机理、理化特性和资源回收路径。本文介绍了水相副产物形成的影响因素,总结了不同反应变量下水热转化和元素迁移途径;综述了水相生物转化的途径和研究进展,包括好氧微生物降解、微藻养殖、厌氧处理和微生物电化学等,介绍了膜分离和吸附等物理方法用于水相物质分离、获得高价值组分的研究,论述了利用水相制备农业杀菌剂的潜力。最后对水相的处理原则和研究方向进行展望,以期为水热液化水相的处理和资源回收提供参考。