牛粪好氧堆肥能量转换与水分减量研究

论文摘要

农业固体废弃物的资源化利用已受到人们的普遍重视。好氧堆肥是处理农业固体废弃物的最主要方法之一。本文进行了堆肥发酵产热与堆肥水分减量的关系研究,采用氧弹量热法测定堆肥过程中物料的燃烧热值,来定量确定堆肥过程中的发酵产热量,为堆肥发酵产热和堆肥物料含水的相互关系进行适量研究为有机肥的生产,有机质的氧化和合水分控制提供理论依据。利用微生物培养方法对堆肥过程中微生物菌群数量变化进行了分析。结果发现在堆肥起始阶段细菌增长最快,并迅速成为堆肥起始阶段的优势微生物群落,其中高温细菌和中温细菌均增加,中温真菌减少,中温放线菌减少,高温放线菌增加；堆肥进入高温期后,中温细菌减少,高温细菌略有增加。中温真菌数量急剧下降,高温真菌数量增加。中温放线菌减少,高温放线菌略有增加,但该阶段仍然以细菌为优势群落；在堆肥的降温期各种微生物数量均增加,细菌和放线菌为堆肥优势微生物群落,而真菌数量较少。因此可以认为细菌是影响堆肥过程中发酵产热的优势微生物。试验进行了不同初始水分相同物料的实验室静态通风好氧堆肥试验,测定了堆肥温度,同时定期取样测定了样品的总有机碳（TOC）、有机质（OM）和燃烧热值,通过物料燃烧热值变化确定了堆肥过程中的发酵产热量。通过对各测定指标的对比分析发现：堆肥物料燃烧热值的变化规律与物料有机质减量变化相似,堆肥发酵产热量随着堆肥的进行表现出一定的规律性；基于有机碳损失的产热量主要发生在堆肥升温期,五个处理系统（X）分别占堆肥过程中总生化热的20%（X1）、21.13%（X2）、28.07%（X3）、34.14%（X4）和40.33%（X5）；65%的初始含水率更有利于堆肥发酵产热,其总产热量达到2236 kJ.kg-1,若完全将其用于对水分的去除,则足以使堆肥物料中的水分达到标准要求（≤20%）。采用氧弹量热法测定了堆肥过程中物料的燃烧热值,分析了堆肥过程中物料热值的变化,以及堆肥过程中发酵产热的变化情况。结果表明,在整个堆肥过程中物料热损失为51.76-58.43%。在堆肥升温过程中物料的热损失最大,堆肥产热量为3054.7-3673 kJ/kg。基于有机碳损失的总产热量为3555.2-4452.8kJ/kg,升温期产热量最多,达到1786.4-2252.80 kJ/kg.通过比较堆肥过程中发酵产热与水分变化,计算分析了发酵产热对堆肥过程中物料水分的影响。结果表明,在不考虑其他因素的情况下堆肥发酵产热量可以使含水率为65%的堆肥物料中的液相水分由20℃加热到55-75℃的气相水并完全去除,可见发酵热是堆肥水分挥发和物料干燥的主要能量来源。通过测定堆肥过程中堆肥温度、TOC、总氮（TN）、C/N、挥发性固体（VS）、使含水率为65%的堆肥物料中的液相水分由20℃加热到55-75。C的气相水并完全去除,可见发酵热是堆肥水分挥发和物料干燥的主要能量来源。通过测定堆肥过程中堆肥温度、TOC、总氮（TN）、C/N、挥发性固体（VS）、种子发芽指数（GI）及堆肥发酵产热量等指标,分析比较了各堆肥腐熟指标间的关系。结果发现工厂化堆肥过程中发酵产热量的变化也具有一定的规律性,并与其他指标具有较好的相关性,堆肥过程中物料热值的变化可以作为堆肥腐熟度的一种参考指标,当初始混合堆肥原料热值在12000 kJ/kg左右时,堆肥热值减少到6400 kJ/kg左右时可认为堆肥腐熟。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语
• 第一章 文献综述
• 1 畜禽粪便的污染及其危害
• 1.1 畜禽粪便对环境的污染
• 2 畜禽粪便处置与资源化利用
• 2.1 畜禽粪便的处置方法
• 2.2 畜禽粪便的资源化利用
• 3 国内外好氧堆肥研究状况
• 3.1 好氧堆肥原理
• 3.2 影响好氧堆肥的因素
• 3.3 好氧堆肥工艺与设备
• 4 堆肥过程中的热力学问题
• 4.1 热力学定律在堆肥研究中的应用
• 4.2 微量热技术的应用
• 4.3 氧弹量热仪的原理
• 5 堆肥腐熟度评价指标
• 5.1 物理指标
• 5.2 化学指标
• 5.3 生物活性指标
• 6 研究目的与意义
• 6.1 研究目的
• 6.2 研究意义
• 6.3 研究内容
• 第二章 动态好氧堆肥过程中微生物动态变化过程的研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验仪器和设备
• 2.1.3 试验试剂
• 2.1.4 培养基
• 2.1.5 堆置方法
• 2.1.6 样品采集与制备
• 2.1.7 参数测定
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 堆肥过程中堆体温度变化
• 2.2.2 在堆肥过程中可培养微生物的变化
• 2.2.2.1 细菌数量的变化
• 2.2.2.2 真菌数量的变化
• 2.2.2.3 放线菌数量的变化
• 2.3 讨论
• 2.4 小结
• 第三章 基质水分对好氧堆肥发酵产热的影响
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 堆置方法
• 3.1.3 试验装置
• 3.1.4 试验试剂
• 3.1.5 试验仪器
• 3.1.6 样品采集
• 3.1.7 参数测定
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 堆肥过程中温度的变化
• 3.2.2 堆肥过程中有机质与燃烧热的变化
• 3.2.3 基于有机碳损失的能量变化
• 3.2.4 堆肥发酵产热与物料水分的关系
• 3.3 讨论
• 3.4 小结
• 第四章 好氧堆肥发酵产热的动态变化
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 材料
• 4.1.2 试验仪器与设备
• 4.1.3 测定指标与方法
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 堆肥过程中物料热值的变化
• 4.2.2 堆肥过程中基于有机碳损失的能量变化
• 4.3 讨论
• 4.4 小结
• 第五章 好氧堆肥发酵产能对发酵基质水分的影响
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 堆肥材料
• 5.1.2 试验仪器与设备
• 5.1.3 计算方法
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 堆肥过程中含水率的变化
• 5.2.2 结果计算
• 5.3 讨论
• 5.4 小结
• 第六章 燃烧热值作为农业固体废弃物堆肥腐熟度评价指标的探讨
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1
• 6.1.1.1 试验材料
• 6.1.1.2 试验仪器与设备
• 6.1.1.3 试剂
• 6.1.1.4 参数测定
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 总有机碳（TOC）的变化
• 6.2.2 挥发性固体（VS）的变化
• 6.2.3 总氮（TN）的变化
• 6.2.4 碳氮比（C/N）的变化
• 6.2.5 种子发芽率的变化
• 6.2.6 堆肥腐熟指标的相关性分析
• 6.2.7 燃烧热值作为评价堆肥腐熟度指标的临界值的探讨
• 6.3 讨论
• 6.4 小结
• 全文讨论
• 全文总结
• 1 全文结论
• 2 研究中的不足之处
• 3 未来研究工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的文章和投送的论文
• 致谢