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[硕士论文] 王霜
环境工程 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:猪场废水经厌氧消化处理后,氨氮基本没有降解。在土地紧张地区,厌氧消化液必须经过脱氮处理,达到排放标准后才能排入水体。由于厌氧消化液高氮低碳的特性,传统的硝化-反硝化工艺处理需要添加碳源、碱源,处理成本高,并且脱氮效率低。短程硝化-厌氧氨氧化(PN-Anammox)工艺因不外加碳源和碱源、脱氮负荷高、运行费用低和占地空间小等优点而备受关注。但是,PN-Anarmnox工艺处理厌氧消化液时常有启动时间长、脱氮效能不高,并且运行效果不稳定等问题。基于此,本论文紧密围绕“PN-Anammox同步脱氮工艺处理猪场废水厌氧消化液调控策略”展开研究。针对PN-Anammox同步脱氮工艺应用过程中的技术难点,本文研究了脉冲曝气控制短程硝化,添加零价铁、接种功能微生物等促进PN-Anammox同步脱氮等调控措施。探寻了PN-Anammox同步脱氮工艺处理猪场废水厌氧消化液的潜在脱氮效能及微生物机理。得出以下结论:
  (1)采用SBR反应器,考察不同的曝气频率对硝化过程的影响,短程硝化(PN)反应产物匹配厌氧氨氧化反应程度,确定最适的曝气频率,并评估不同脉冲曝气频率下的经济性。结果表明:在稳定阶段,3种脉冲曝气频率下亚硝酸盐积累率都在90%左右,NOB活性几乎为0,说明3种脉冲曝气频率都可以稳定实现PN反应。其次,曝气频率越高,出水NO2--N浓度越高。曝气频率最低的R3(2次h-1)更加符合既可以稳定控制PN过程,其出水又匹配Anammox反应的要求。能效分析表明,脉冲曝气频率越高,实际氧转移率和动力效率越高;在相同的曝气速率下,当产生等量的DO时,R1(6次h-1)的能耗分别比R2(3次h-1)和R3(2次h-1)低29.6%和48.5%。
  (2)试验了脉冲曝气下添加零价铁对PN-Anammox工艺脱氮效能的影响。结果表明:R1、R2和R3的氨氮转化率(ACE)和亚硝酸盐积累率(NAR)分别为93.2%、88.0%、81.2%和77.5%、89.3%、90.6%;R1、R2和R3的总无机氮去除率(TNRE)分别为38.4%、45.3%和51.3%。虽然R3获得了较高的NAR和TNRE,但总氮去除率仍不够高。该结果说明反应器均处于短程硝化阶段,Anammox细菌活性较低,因而未能降解基质(NO2--N和NH4+-N)。污泥浓度在243天运行中未有明显增加,且SVI低于30mLg-1SS,脱氮功能微生物相对丰度大于1%的只有Nitrosomonas。究其原因,第一,短程硝化反应产生的大量H+,致使反应体系pH过低(低至4.0),从而影响功能微生物的生长和代谢,同时也影响底物有效性,产生大量的FA和FNA,对功能微生物产生抑制作用。其次,过低的pH导致铁离子的大量析出(R1、R2和R3的总铁浓度平均为1009mg L-1,558mg L-1,319mg L-1),抑制脱氮功能微生物。
  (3)通过接种PN-Anammox颗粒污泥,采用逐步提高氨氮浓度和降低HRT的方法,进行了PN-Anammox同步脱氮工艺处理猪场废水厌氧消化液启动试验,试验共运行了390天。结果表明:反应总氮去除速率(NRR)和TNRE分别高达3.9kg-N m-3day-1和73%,显著高于目前已有文献的报道。试验获得高脱氮效能的原因是具有高浓度并且良好沉降性能的活性污泥(VSS(11.01gL-1),SVI(78.42mLg-1SS))。其次脱氮功能微生物的相对丰度高达12.15%,其中亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)高达4.2%。尽管处理猪场废水的TNRE与处理模拟废水相似,但是猪场废水脱氮效能(3.9kg-N m-3day-1)低于模拟废水(4.7kg-N m-3day-1),其污泥中的脱氮功能微生物相对含量也都低于处理模拟废水反应器中的功能微生物;究其原因主要是猪场废水厌氧消化液的复杂成分,存在重金属和抗生素等抑制因子,对脱氮功能微生物产生了抑制作用。
  综上所述,相对于连续曝气,脉冲曝气可以更加稳定的控制短程硝化过程。添加PN-Anammox颗粒污泥可以同步自养去除猪场废水厌氧消化液中的氨氮,其脱氮效能(3.9kg-N m-3day-1)可达到相似研究最高水平,其启动运行策略可为PN--Anammox同步脱氮工艺在猪场废水厌氧消化液上的中试及生产应用提供参考和借鉴,但是猪场废水厌氧消化液的某些成分限制其脱氮负荷的再次提升,需要进一步研究来解除这些抑制。
[硕士论文] 何雯菁
食品加工与安全 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:畜禽废弃物资源化利用对减少环境污染具有重要意义。我国畜禽养殖业规模大、密度高、发展快,废弃的蛋壳和猪粪总量不断增加且难以处理,这些废弃物在畜禽养殖场周围随意堆放,给环境带来较大负担。猪粪中Cr、Cu、Zn、As重金属残留已成为制约我国猪粪利用的关键问题之一。本论文针对两种废弃物的特性,通过对蛋壳物理化学处理,使其成为消除、钝化猪粪中重金属的资源,达到以废弃物治理废弃物的效果,主要研究内容与结果如下:
  1.研究蛋壳处理工艺,选取900℃煅烧蛋壳作为蛋壳吸附产品。处理蛋壳添加量为25%时,重金属去除率达90%,其重金属去除效果高于沸石、膨润土、高岭土等其他吸附剂,选择窑炉煅烧扩大生产模式,重金属去除效果与实验室煅烧蛋壳相同。添加25%处理蛋壳对粪液进行吸附实验,发现重金属的去除率随粪液浓度的增加而增加,重金属去除效果较好。利用SEM、TG-DSC、XRD、FT-IR研究处理蛋壳吸附机理,结果表明煅烧可增加蛋壳孔隙及表面积,煅烧后主要成分为CaO和CaCO3,处理蛋壳的吸附机理主要是其高钙成分和多孔结构。
  2.研究猪粪中重金属的检测方法,以HNO3-HCl-HF为消解体系,对猪粪中的Cr、Cu、Zn、As的加标回收率分别为1024%、1037%、1021%和1016%。利用ICP-OES检测,Cr、Cu、Zn、As的检出限分别为13μg/g、05μg/g、26μg/g、78μg/g,其精密度在22%-32%之间,加标回收率为917%-1089%。ICP-MS检出限较低,Cr、Cu、Zn、As的检出限分别为019μg/g、007μg/g、037μg/g、009μg/g,其精密度在20%-106%之间,加标回收率为950%-1125%。说明此方法适用于猪粪中重金属检测。
  3.通过堆肥实验,研究处理蛋壳对重金属的钝化效果,当处理蛋壳添加量为5%时对猪粪中Cr、Cu、Zn、As的钝化效果最佳。对理化性质进行相关性分析,发现添加处理蛋壳对猪粪腐熟无明显影响。堆肥后,重金属总量均增加,当添加量为25%和5%时,Cu、Zn与对照组呈显著性差异(P<005),元素不同加入处理蛋壳后其表现也不相同。对Cr、Cu、Zn、As四种金属元素进行形态分析,加入处理蛋壳作为钝化剂可加强Cr、Cu、Zn、As的钝化效果,减少重金属生物流动性。处理蛋壳的添加量为5%时,猪粪中Cr、Cu、Zn、As可利用率较高的形态分别减少了77%、467%、530%、135%,研究表明,加入处理蛋壳对猪粪中重金属形态变化有显著性差异(P<005),说明加入处理蛋壳对重金属具有较好的钝化效果。
[硕士论文] 潘亚茹
农业生态学 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:随着经济的不断发展以及人民生活品质的逐渐提升,人们的消费理念和饮食结构产生了新的变化,对肉蛋奶类产品的需求不断增加。畜禽养殖业具有增收比较优势,发展迅速。畜禽养殖业的快速发展,提升人们生活品质的同时,产生了大量畜禽废弃物。未经有效处理的畜禽废弃物对生态环境造成严重污染的同时也成为了水体富营养化的主要原因。
  洱海位于中国云南省西部的苍山东麓,是云南省第二大高原湖泊。其湖水清澈,透明度高,被称为大理人民的母亲河。但是近年来洱海水质却不断恶化,生态功能面临严重威胁。在各种污染源中,奶牛废弃物污染占主导地位。洱海流域现奶牛集中规模化养殖比例很小,高达95%以上沿袭传统的2~3头/户为主的散养方式。小且分散的奶牛养殖状况,随意随处堆积的奶牛粪便,遇雨水冲刷流入洱海流域,造成水质富营养化。
  本文以洱海流域散养奶牛废弃物集中规模化清洁处理为例,借鉴公共物品理论、经济外部性理论和激励理论,基于文献研究、问卷调查和实证建模等方法,提出建立村镇牛粪收集池。借助321个大理州奶农的调查数据,估算了农户参与牛粪规模化集中处理意愿的影响因素,进一步明晰了农户参与村镇收集池建设的支付意愿及强度的影响因素,量化了农户对村镇收集池的分担成本以及政府为激励农户持续参与牛粪清洁处理行动的补贴金额,探讨了针对洱海流域散养奶牛养殖污染规模化防控的高效组织模式及运行机制,以期为洱海流域的水体污染治理以及大理州未来养殖业的健康发展提供理论基础及数据支撑。
  文章主要研究结论如下:
  1.洱海流域奶牛散养户参与牛粪规模化集中清洁处理的意愿受多种因素的影响,其中受教育程度、农户卖牛粪意愿和与肥料企业合作意愿等因素与农户参与牛粪规模化处理意愿呈正相关。
  2.62.68%的奶牛养殖户对参与村镇牛粪收集池的建设具有支付意愿;
  3.户主受教育程度、家庭收入主要来源、奶牛养殖头数、耕地数量及牛粪还田方式是影响农户参与村镇收集池建设支付意愿的重要因素。
  4.户主年龄、受教育程度和牛粪是否还田是影响农户支付意愿强度的重要因素。
  5.政府为鼓励农户持续参与“牛粪集中清洁处理行动”的补贴标准是635.1元/户/年;农户愿意为村镇牛粪收集池的建设分担的成本费用介于224.0元-413.2元之间。
  6.针对洱海流域散养奶牛废弃物污染现状,结合村镇牛粪收集池模式,辅助提出“农户为主体庭院内有独立收储空间场地的“奶牛粪便覆膜收集资源化处理模式”和农户为主体的利用房前屋后原有露天奶牛粪便收集池建立“露天堆置覆膜堆沤贮存清洁资源化处理模式”。
[硕士论文] 苏家磊
环境工程 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:我国是一个畜禽养殖大国,奶肉牛养殖量在世界一直位居前列,每年都会有大量的牛粪产生,牛粪如果处理不当,会使环境遭受巨大的威胁,如果处理得当不仅会减少对环境的危害,还可以生产出很多高附加值的产品,获得良好的经济效益、社会效益和生态效益。因此,如何将牛粪资源化、无害化处理成为处理畜禽养殖业污染的关键问题。
  晒干的牛粪主要组分与植物性生物质相同,包括纤维素、半纤维素和木质素等。因此可将其定义为一种木质纤维素。目前关于牛粪的资源化利用主要集中在堆肥、热解和厌氧发酵等传统方式上,本文以牛粪的新型资源化为方向,研究用牛粪制备高附加值的化学品和碳基固体酸催化剂。
  本文首先以牛粪为底物,研究在水相中稀酸催化制备乙酰丙酸,探究KOH预处理和催化试验中酸种类、反应时间、反应温度、底物添加量和酸浓度等几个因素对产物产率的影响,对乙酰丙酸的制备过程进行优化。当牛粪未经预处理时乙酰丙酸产率仅为135g/kg;底物牛粪经过预处理后乙酰丙酸达到最高产率338.9g/kg,此外另一个重要产物甲酸产率也可达到约160g/kg,整个体系牛粪转化为乙酰丙酸和甲酸的总产率高达500g/kg。这主要是因为KOH预处理去除了牛粪中的大量木质素和半纤维素,破坏了木质纤维素结构,增加了牛粪中的纤维素与酸性位点的接触,从而促进牛粪转化为乙酰丙酸。
  在下一步试验中,仍以牛粪为底物,以NaOH碱处理法对牛粪进行预处理,破坏木质纤维素结构。之后以低浓度硫酸为催化剂,在无水乙醇中醇解牛粪制备乙酰丙酸乙酯。在催化醇解试验过程中,考察了反应时间、反应温度、底物添加量和酸浓度几种因素对试验结果的影响,优化出了制备乙酰丙酸乙酯的最佳条件。试验结果表明当底物为未预处理牛粪时,乙酰丙酸乙酯最高产率为120g/kg;底物为预处理牛粪时,乙酰丙酸产率可以达到293.8g/kg。
  本文在最后以牛粪为原料,以KOH为活化剂,制备出了含有羧基(-COOH)和酚羟基(-OH)的碳基固体酸催化剂,经过各种表征分析和纤维素水解试验,证明了活化温度600℃时固体酸催化剂的催化活性最佳。当固体酸直接用于催化原纤维素水解时,水解产物产率较低;当经过固体酸与纤维素混合球磨预处理后水解效果明显增强,试验条件优化后在水溶剂和0.015wt%盐酸溶剂中葡萄糖产率可以分别达到59.3%和74%,这证明了混合球磨对纤维素水解的双重促进作用。最后我们将固体酸制备方法应用于其他农业废弃物,试验证明制备出的固体酸催化纤维素水解同样也可以获得很高的葡萄糖产率。
  本论文提出了农业废弃物牛粪资源化的新途径,既可以避免牛粪带来的环境污染,又能够创造价值,待试验条件进一步完善并应用于规模化生产时,必将拥有广阔的前景。
[博士论文] 刘刈
设施农业与生态工程 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:猪场废水通常采用沼气发酵进行处理利用。由于猪场废水体积大、浓度不高,因此升温困难、冬季处理效率低。针对这一问题,提出“在相同加热能量条件下,通过分步加热可以提高沼气发酵产气效率”的科学假设。为了证实这一假设,本文以两步加热策略为例,从理论推导和试验验证两方面求证两步加热策略提升沼气发酵效率的可行性,探索影响沼气发酵效率提升的因素,并研究了两步加热策略对厌氧污泥特性的影响。形成的主要结论如下:
  (1)理论上,相对于传统加热方式,两步加热策略可以提升发酵温度和沼气发酵效率。第一部分废水比例(p)越低,能量废水比(h)越高,两步加热策略的温度提升幅度越大。p值越低,环境温度(T0)越低,两步加热策略的沼气发酵效率提升效率越大。
  (2)以清水为介质的温度验证试验表明,随着p值的降低,两步加热策略温度提升量逐步升高,P值为0.1时,两步加热策略温度提升量为4.61℃。随着h的升高,两步加热策略温度提升量逐步升高,p值为0.3,h为37.62kJ L-1时,两步加热策略温度提升量为9.25℃。试验中两步加热策略温度提升量小于理论值,试验值与理论值的差异主要缘于罐体和管道的散热引起的温度损失。
  (3)以猪场废水为发酵原料的发酵试验显示(p=0.5),两步加热策略可以提升沼气(甲烷)的产量,沼气产量提升幅度为4.70%~11.5%,甲烷产量提升幅度为0.810%~11.6%。容积负荷和环境温度是影响两步加热策略提升效率的两个主要影响因素。
  (4)随着容积负荷的升高,两步加热策略的甲烷产量提升量和提升效率逐渐升高,容积负荷为4.0kgCOD m-3d-1时,提升效率为13.1%。随着环境温度的降低,提升量和提升效率也逐渐升高,在T0为5℃时,甲烷产量提升效率最大,为14.7%。随着p值的降低,提升量和提升效率仍逐渐升高,p值为0.2时,提升效率为20.1%。从产甲烷动力学参数看,两步加热策略的最大容积产气率(Rpmax)和半饱和常数(KLR)高于一步加热。但两步加热策略的甲烷产量提升量和提升效率试验值显著低于理论分析值,主要由于两步加热策略沼气发酵装置中的混合液污泥浓度较低,理论分析没有考虑水力停留时间缩短带来的污泥流失问题。
  (5)在污泥特性方面,两步加热策略沼气发酵装置Ⅰ(R2)的缓冲性能最好,两步加热策略沼气发酵装置Ⅱ(R3)的缓冲性能最差。R2和R3的最大比产甲烷活性分别为8.63mL gCOD-1gMLVSS-1和8.57mL gCOD-1gMLVSS-1,高于一步加热沼气发酵装置(R1)的7.87mL gCOD-1gMLVSS-1,说明了两步加热策略的污泥活性优于一步加热。微生物群落结构分析表明,两步加热策略中的互营氧化作用可能比一步加热策略更活跃。
[硕士论文] 李爱秀
农业资源利用 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:对于沼液的处理和应用途径,我国近几年的研究重点包括沼液直接归田利用和去除其中的污染物使其满足达标排放的标准。而将沼液作为一种资源,回收或转移其中的营养物质,使其循环利用,也是一种可行的沼液处理方法。沼液用于蔬菜瓜果的灌溉具有很大的优势,但也存在一定的局限性:悬浮物含量高是沼液在使用滴灌或膜浓缩处理过程中最主要的技术障碍,因此,如何去除其中的悬浮物是保证沼液能否更好资源化利用的关键。沼液中氮磷含量较高,可以通过鸟粪石结晶法回收沼液中氮磷用作缓释肥;鸟粪石沉淀回收氮磷的研究较多,但同时获得较高氮磷回收率的反应条件有待进一步探讨。本研究设计了沼液不同过滤方式的筛选和鸟粪石沉淀回收猪场沼液氮磷两部分试验。通过设计了三种不同过滤方式,对比其过滤效果,得到过滤效果最佳的过滤方式;设计了鸟粪石沉淀法回收猪场中氮磷试验,为沼液没有足够农田消纳情况下,探索新的资源化途径,通过设计影响鸟粪石沉淀的主要因素的不同处理水平,寻找氮磷回收的最优条件,为鸟粪石沉淀的推广提供一定的参考。研究结果如下:
  第一个实验是筛选沼液过滤方式试验,过滤方式有三种:石英砂过滤,秸秆过滤和微滤,沼液样品是来自天津某养殖企业沼气工程。秸秆粒径有三种1cm、2cm和5cm,按照由细到粗进行填装;石英砂粒径为1mm、3mm、10mm,同样按照由细到粗进行填装,最后一层起承托作用。石英砂过滤方式,其过滤效果一般,对氨氮、总磷和悬浮物去除率低于10%;秸秆、石英砂和微滤过滤效果相比,石英砂过滤效果最差,微滤过滤效果最好,对悬浮物和COD去除效果远远高于秸秆和石英砂。石英砂对沼液过滤效果最差,几种基本指标去除率均在10%以下,过滤效果较差,不能达到滴灌要求,不适宜用作滴灌前处理的过滤处理。秸秆过滤对沼液有一定的过滤效果,但也不满足滴灌要求,不能单独作为滴灌前处理的过滤处理。微滤过滤效果较好,对悬浮物去除效果最佳,沼液中的氮磷养分带走了一部分,但对悬浮物去除率高达40.01%,且对粪大肠菌群去除效果较好。
  第二个试验是鸟粪石沉法回收沼液中氮磷养分参数优化试验。该实验分为三组试验,第一组试验是单因素实验,选取了pH、反应时间、搅拌速度、Mg∶N、P.N比五个因素,每个因素设置五个水平,每个水平进行三个平行试验。第二组试验是PB试验,通过单因素分析可以初步得出对氮磷回收影响效果较大的因素,结合PB试验设计原理,在试验设计过程中可适当扩大高低水平间差值,进一步分析其影响大小,对pH,反应时间、搅拌速度、Mg N、PN5个参数选择2个水平,筛选显著因素。第三组试验是Box-Benhken试验,结合PB试验结果,以氨氮和磷酸盐的最终回收率为响应值,对影响较显著的三个因素进行Box-Benhken试验分析,另外两个因素固定在单因素确定的水平下。利用Design-Expert软件优化回归方程确定乌粪石回收猪场沼液的最佳条件。经响应面分析,在pH为10,磷氮比为0.6,镁氮比为1.1时,氨氮回收率为6521%,磷酸盐回收率为8947%,实际值氨氮回收率为65.01%,磷酸盐回收率为90.81%,差值分别为020%,1.34%,回归模型拟合较好,在此条件下可以获得较好的氮磷回收效果,为沼液后续还田及处理提供参考,但沼液成分复杂,试验是在实验室条件下进行的,将试验结果用于实际工程处理可能会存在差异。针对这个问题会在后续研究中进一步完善。
[硕士论文] 华晨
环境工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:我国作为一个农业大国,每年农作物秸秆产量惊人,由于缺少有效的解决方案,存在地区性、季节性、结构性的秸秆过剩等问题。农村的秸秆焚烧甚至引起了严重的污染空气,而且由于有机质没有归还土壤,造成土壤板结,肥力减退。秸秆的饲料化加工有利于提高秸秆利用率、转化率及其相关经济效益,而秸秆的青贮处理是其饲料化过程中的关键环节。在反刍动物的饲料中添加青贮秸秆,可以有效提高反刍动物的对饲料的干物质摄入量,促进粗饲料的瘤胃转化率。然而,反刍动物的瘤胃是pH中性环境,青贮秸秆中含有大量的乳酸会对反刍动物的健康造成不利影响。乳酸氧化酶是一种能够将乳酸转化为丙酮酸的生物酶,因此在饲喂前添加可以有效降低青贮秸秆中的乳酸含量,并且所产生的丙酮酸能为大多数瘤微生物进一步利用。同时这一反应过程消耗氧气,这将有利于瘤胃形成厌氧环境。因此,本研究通过微生物的富集分离技术与分子生物学方法,研究了乳酸氧化酶强化秸秆青贮处理的过程与机制。主要研究结果如下:
  (1)从安格斯肉牛瘤胃液中富集分离筛选得到了一株兼性厌氧细菌-鹑鸡肠球菌,并从中克隆得到了乳酸氧化酶(EgLOD)的基因,序列分析表明:EgLOD基因全长1104kb,编码368个氨基酸,其与粪链球菌Streptococcus faecalis中克隆得到的乳酸氧化酶基因相似度最高,有64.8%的相似度。
  (2)成功实现EgLOD基因在大肠杆菌BL21中的重组表达,并对其诱导表达条件进行了初步探索,发现向培养基中添加0.1-0.5g/L的核黄素能够显著提高乳酸氧化酶的表达量。对重组表达的酶通过镍柱纯化,纯化的EgLOD的最适pH值为7.0,最适温度为25-30℃。EgLOD的动力学参数Km和Vmax值分别为0.74mM和50.20mmol min-1mg-1。
  (3)针对野生型EgLOD热稳定性差的问题,利用生物信息学方法,通过构建同源模型,以不会破坏酶的比活性为目标对EgLOD进行分子改造,成功得到了两个热稳定性显著提高的突变体D250N和D281N。其在60℃下处理30min后仍然能够保持50%以上的酶活,比野生型提高一倍以上。
  (4)将改良后的EgLOD应用于青贮秸秆的处理,发现向每克青贮秸秆中添加酶量80U的EgLOD能够明显降低其中乳酸的含量。这使得青贮秸秆在饲料中的添加比例获得提高,从而提高废弃秸秆的资源化程度。
[硕士论文] 何平
市政工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:阿散酸和Cu2+具有促进动物生长、提高生产性能的特点,因此常作为饲料添加剂应用于畜禽养殖。然而绝大多数的饲料添加剂随着粪便排出,影响畜禽粪便的生物处理。厌氧消化是常用的畜禽粪便稳定化处理过程,但残留的饲料添加剂经常影响厌氧消化过程的稳定性。本论文研究了阿散酸和Cu2+对猪粪厌氧消化的影响;分析了阿散酸和Cu2+的相互作用,并探究Cu2+缓解阿散酸对产甲烷抑制的机理;并探讨了微曝气法、添加SO42-法对阿散酸和Cu2+造成的厌氧产甲烷抑制的调控。
  (1)研究了阿散酸和铜对猪粪厌氧消化的影响。结果表明单独添加阿散酸和铜时,厌氧甲烷产量受到严重抑制,约有69.54%的阿散酸转化为无机砷或进入污泥。而同时添加阿散酸和Cu2+时,甲烷产量没有受到明显的抑制,经过一个月的厌氧消化之后,大量的阿散酸(71.35%)仍存在于溶液中,Cu2+的存在阻碍了阿散酸降解为具有更大生物毒性的无机砷,这可能是Cu2+减缓阿散酸对猪粪厌氧产甲烷抑制的机理。
  (2)研究了阿散酸和Cu2+的相互作用。实验结果表明,在中性和碱性条件下,Cu2+和阿散酸相互作用生成复合物而发生静态猝灭,二者是以静电作用力相互结合,其结合位点数约为1。毒性实验表明Cu2+和阿散酸相互作用生成复合物的生物毒性小于二者的生物毒性,且当Cu2+和阿散酸按1∶1混合时,生物毒性最低。揭示了Cu2+与阿散酸生成具有较低毒性的复合物,缓解阿散酸抑制厌氧产甲烷的现象。
  (3)研究了微曝气法、添加SO42-法对阿散酸和Cu2+抑制厌氧产甲烷的调控作用。结果表明微曝气法、添加SO42-法对阿散酸组产甲烷抑制、阿散酸的降解没有明显作用。当Cu2+存在时,微曝气法和添加SO42-法均能提高甲烷产量,同时SO42-降低溶液中As和Cu的含量。因此添加SO42-法是调控由阿散酸和Cu2+造成的产甲烷抑制的有效途径。
[硕士论文] 马玲
市政工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:养殖废水中不但含有高浓度的悬浮物(SS)和有机物,还含有高浓度的氮磷等营养物质。Cu2+、Zn2+和抗生素常被用于畜禽养殖中,大部分被排出体外,进入畜禽粪便和养殖废水中,可能会对生物多样性和生态环境产生不利影响。磷酸铵镁(鸟粪石)沉淀法可以同时回收废水中的氮和磷,废水中SS对鸟粪石生成的影响、以及废水中的重金属、抗生素和抗性基因在鸟粪石沉淀过程中的沉积情况尚不清楚。本论文探究了养殖废水中高SS对鸟粪石结晶过程的影响以及回收鸟粪石中重金属及抗生素抗性基因(ARGs)的沉积规律。具体结论如下:
  (1)探究了pH和N∶P∶Mg对鸟粪石结晶法回收高SS养殖废水中氮磷的影响。结果表明,污染物的去除率随着pH和P∶Mg相对于N的摩尔比的增加而上升,当pH从7.5增加到10.0时,NH4+-N和PO43--p的回收率均增加,最高分别达71%和85%。高SS对鸟粪石沉淀法回收废水中氮磷有一定的抑制作用,通过絮凝预处理去除SS后,可以提高6%的NH4+-N回收率、20%的SS去除率和10%的TCOD去除率。
  (2)探究了金属离子在鸟粪石结晶法回收氮磷过程中的沉积变化。结果表明,不同pH和N∶P∶Mg下鸟粪石结晶沉淀中金属离子的含量变化较大,pH10时,Na、K和Ca的含量突然增大为pH9.5时的1~3倍,Cu和Zn的最高浓度分别达130mg·kg-1和400mg·kg-1。絮凝对金属离子的去除效果较差,NaOH做助凝剂可以使鸟粪石沉淀中的金属离子含量降低一倍左右,Cu和Zn含量可降至53mg·kg-1和185mg·kg-1。
  (3)探究了ARGs在鸟粪石结晶法回收氮磷过程中的沉积规律。结果表明,鸟粪石沉淀产物中ARGs浓度随着pH增大而增大,鸟粪石沉淀物中各目标ARGs的含量增加5~10倍,与养殖废水中的浓度相比,则增加了2~3个数量级,达1.0E+07~1.0E+12copies·g-1。当P∶Mg相对于N的摩尔比从1∶0.7∶0.7增到1∶1.1∶1.1,鸟粪石沉淀物中ARGs含量增加了0.5~1个数量级。PAC絮凝可以使废水中tetW和sulI的浓度降低1~2个数量级。
[硕士论文] NDONGO DIOUF
市政工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:Biogas production from agricultural waste has large potential for energy demand.However,to enable the optimization of the anaerobic digestion(AD)process with agricultural substrates characteristic must be carefully evaluated.In this study,fresh cornstalk was used to investigate feasibility of agricultural waste as carbon sources and the effect of different nitrogen sources on the anaerobic digestion.The greatest enhancement was observed on methane production yield with high concentration of240.57mL/g-TS of ammonia and250mL/g-TS oftryptone addition compare to those control tests.The methane production was totality inhibited in overall the nitrogen sources additions excepted nitrate addition.The initial TS(%)and VS(%)of cornstalk were37.07mL/g and35.23mL/g respectively and sludge initial TS(%)and VS(%)were9.54and2.93,after40days incubation the TS(%)and VS(%)were1.56and1.14respectively.
  Therefore,the evaluation and the feasibility of anaerobic digestion using fresh cornstalk can optimize the nitrogen species supplemented as nitrogen source and the ratio of C/N but need a suitable conversion ratio.In fact,different nitrogen sources promoting different effect.Inhibition of NO3-N did not affect the bacteria growth in anaerobic digestion in this experiment.However,the addition of ammonia as nitrogen source on AD was optimized the results of biogas production yield in this study compared to others nitrate and tryptone.
  Anaerobic digestion(AD)is an environmentally sustainable technology to manage agricultural lignocellulosic waste(e.g.,rice straw,peanut straw,sugar cane starw,wheat straw...).Economic profitability,however,remains a key barrier to widespread implementation of AD for the conversion of specific agricultural lignocellulosic waste to energy.Specifically,high capital and operating costs and reactor instability have continually deterred the use of AD.In order to develop AD systems that are highly efficient and more cost-effective,it was necessary to add ammonia nitrogen to investigate the effect of inorganic nitrogen in anaerobic digestion of different agricultural lignocellulosic waste.AD systems are promising technologies because they allow for separate process optimization of each stage and can enable processing of high-solids content waste.As methanogenesis is one rate limiting step of the process in the conversion of refractory wastes(e.g.,lignocellulosic materials),optimization of methanogenesis has the potential to radically improve the economic profitability of AD.Various agricultural lignocellulosic waste used for anaerobic digestion have their own advantages and disadvantages,for instance digestion of agricultural lignocellulosic waste may lead to ammonia inhibition due to the high nitrogen content.Due to the lack nitrogen content in the agricultural lignocellulosic waste,high C/N ratios(30∶1,75∶1and100∶1)were used to investigate the effect of inorganic nitrogen in AD.
  The specific objectives of this research were to:(a)investigate the promotional effect of NH+4-N addition with agricultural lignocellulosic waste(b)analyzed the improvement of biogas production and optimize C/N ratio for AD using different agricultural lignocellulosic waste.
  Pretreatment of agricultural lignocellulosic waste is an important step for anaerobic digestion(AD).Appropriate pretreatment can make the lignocellulosic structure more available by microorganisms,which can accelerate the AD process and enhance the biogas production.In this study,milling,ensiling,alkali(NaOH)and sulfuric acid(H2SO4)pretreatments were conducted to investigate the methane production performance of Rice Straw(RS)via anaerobic digestion(AD).
  The results of biogas production of the RS pretreatment with H2SO4and NaOH highest cumulative methane production27.76mL/g-TS was obtained with combination of NaOH pretreatment.For the control test zero(00min),the methane production was only14.85mL/g-TS.Fig.4.2.1(a)showed less effect on increasing the methane production,probably due to the accumulation of acids under AD conditions.Fig.4.2.1(b)showed high cumulative methane production with the high value of32.62mL/g-TS on the36th day with H2SO460min pretreatment time.The cumulative methane production from the control test was estimated at15.67mL/g-TS and was less than all others samples in the end of the experiment Fig.4.2.1(b).The finding of this study could provide useful information for pretreatment of RS and the subsequent AD.
[硕士论文] 侯学超
养殖 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:集约化、规模化养殖业的快速发展,带来了严重的环境问题,畜禽养殖污染已成为我国农业面源的主要污染源之一。本研究主要围绕畜禽养殖粪污无害化、资源化处理,以稻壳、锯末等为主要原料,通过添加高效菌种,制作发酵垫料,研究垫料好氧发酵处理高浓度养殖粪水的工艺参数和处理效率,为生产中应用该方法处理高浓度养殖粪水提供数据基础。
  试验一研究堆肥模式中水分的蒸发效率。试验选取1 m3垫料池一个,添加并混匀垫料、菌种和粪水,控制C/N在30左右,水分含量在65%左右进行堆肥试验,待温度升高到55℃以上维持24h后开始试验。试验过程中每天翻抛,在试验第1d、3d、6d、9 d、12 d取样测定含水率,计算水分蒸发效率。结果表明,堆肥模式下水分蒸发效率为8.1 kg/d·m3。
  试验二研究垫料好氧发酵模式水分蒸发效率。选取三个2 m*1.2 m*0.8 m共1.92 m3初发酵成功垫料池,设定三个不同粪水处理组,粪水添加量分别为8.5 kg/d、16.8 kg/d、25.2 kg/d,每天翻抛加水,试验前中后期分别采样测定发酵堆体水分蒸发效率。试验后期补充垫料菌种,继续观察堆体运行情况。结果表明,16.8 kg/d粪水处理组垫料高温期温度持续时间最长,可以维持70 d,水分蒸发效率为5.4 kg/d·m3;粪水添加量为8.5 kg/d组,堆体维持时间短,高温期能维持42 d,水分蒸发效率为5 kg/d·m3;粪水添加量为25.2 kg/d组,堆体水分含量升高最快,发酵后期水分可达70%,在高温期维持40 d,堆体平均温度低于16.8 kg/d组,同时发酵后期出现渗滤液,超过堆体最大处理能力,水分蒸发效率为7.8 kg/d·m3。分析认为粪水添加量为8.7 kg/d·m3时,有最佳的处理效率,水分蒸发效率为5.4 kg/d·m3。补充垫料菌种后,温度明显回升,但维持时间较短。
  试验三研究垫料好氧发酵模式垫料基质变化规律。在试验二条件下,在试验第1d、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d、42 d、49 d、56 d对角线三点平行取样,探究垫料基质随发酵时间的变化规律;在试验后期样品采集完后补充垫料菌种,继续进行试验,在补充垫料后第70 d、77 d及84 d取样,探究补充垫料菌种后堆体利用时间及垫料基质变化。结果表明,随着发酵时间的持续,C含量明显下降(P<0.01);N含量明显升高(P<0.01);C/N显著降低(P<0.01); P含量显著升高(P<0.01);pH先升高后降低,但始终维持在有利于发酵的范围。根据垫料基础参数变化可以推知此次好氧发酵垫料利用时间在三个月左右,同时高温发酵能有效抑制大肠杆菌的活性,补充垫料后可以延缓C/N的下降,延长堆体发酵时间。
  试验四研究垫料好氧发酵处理高浓度养殖粪水在生产中的应用效果。以实际生产应用垫料处理为研究对象,以稻壳、锯末为垫料,粪水定期加入,定期翻抛。从初发酵开始连续记录发酵过程温度变化,发酵不同时间采集垫料样品分析其基础参数变化。结果表明,初发酵阶段升温迅速,3天即可到达70℃,30 cm和60 cm处最高温度可超过72℃。随着粪水的持续加入,垫料高温维持能力开始下降,垫料温度下降,水分含量持续升高,连续使用3个月垫料水分含量达到70%,pH从8.8降至6.75,C含量从42%降至40%,N含量从0.47%升至0.74%,C/N从90降至56。垫料基础参数表明,管理得当,控制粪水加入量,发酵垫料可以继续维持发酵,持续有效处理养殖粪水,达到粪水无害化和资源化处理的目的。
  综上所述,通过垫料好氧发酵可以有效处理养殖粪水,达到无害化、资源化处理的要求,为养殖粪水处理提供了可行的思路。当前试验条件下,粪水添加量为8.7 kg/d·m3时,有最佳的处理效率,水分蒸发效率为5.4 kg/d·m3。
[硕士论文] 周沫
环境科学与工程 湘潭大学 2017(学位年度)
摘要:能源需求的迅速增长、化石燃料储量的减少以及化石燃料对环境的影响使人们开始对可再生能源产生兴趣。木质纤维素是世界上最丰富的可再生资源,将其高效转化为燃料乙醇一直是可再生能源领域的研究热点。木质纤维素转化成燃料乙醇一般涉及3个主要步骤:预处理、酶解和发酵,其中,通过预处理破坏木质纤维素的顽固结构、降低多糖的聚合度以及增大纤维素的暴露面积,可以大幅度提高后续的酶解和发酵效率。高效的预处理是木质纤维素转化的关键步骤,也是纤维素燃料商业化应用的瓶颈所在。目前常用的酸、碱、蒸汽爆破等预处理方法,普遍存在环境污染、设备要求高、能量消耗高等缺点。针对以上不足,本文将离子液体与木质素生物降解技术相结合,充分利用离子液体对木质纤维素的破坏作用和微生物高效去木质素的特点,研发了一种绿色溶剂联合生物处理的新型木质纤维素预处理技术。将此技术应用于水稻秸秆的预处理,对其联合处理效果及作用机制展开了研究,主要取得了以下的研究成果及结论:
  (1)利用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(EMIMAC)对水稻秸秆进行预处理,考察了预处理固液比、处理温度和处理时间对水稻秸秆组成成分和酶解糖化效果的影响,优化了纤维素酶用量、酶解温度、酶解时间和缓冲液pH的酶解条件。发现离子液体预处理能降低酶解过程纤维素酶浓度和酶解时间,在酶解条件为纤维素浓度12 FPU/g生物质,酶解48 h,酶解温度50℃,缓冲液pH4.8下进行酶解能取得较好的酶解效果。离子液体预处理后水稻秸秆酶解糖产量随固液比降低而升高,随温度升高而升高,时间对糖产量影响较小。
  (2)利用木质素固体培养基和水稻秸秆液体培养基对两株细菌进行筛选,其中Cupriavidus basilensis B-8单独处理水稻秸秆3天,水稻秸秆的木质素含量从13.7%降低到7.1%,酶解糖化后还原糖和葡萄糖产量从189 mg/g生物质和155.3 mg/g生物质提升到254.6 mg/g生物质和200.6 mg/g生物质。Cupriavidus basilensis B-8对木质素的去除效率明显,适宜作为预处理菌种。
  (3)利用离子液体 EMIMAC在高固液比条件(1:3)下先对水稻秸秆进行预处理,再联合细菌Cupriavidus basilensis B-8对水稻秸秆进行去木质素过程。结果表明联合预处理后水稻秸秆木质素含量明显下降,大部分纤维素与半纤维素保留下来,前一步的离子液体预处理使木质素发生重新分布,加强了后一步细菌对木质素的降解,相对离子液体预处理,联合预处理使水稻秸秆木质素含量降低5.5%~7.2%。联合预处理对水稻秸秆酶解糖化提升效果明显,在110℃,4 h单独EMIMAC预处理条件下,还原糖和葡萄糖产量分别为510.3 mg/g生物质和324.5 mg/g生物质,而在此条件下,联合预处理后水稻秸秆酶解还原糖和葡萄糖产量分别达到713.2 mg/g生物质和444.8 mg/g生物质,分别是单独离子液体预处理的1.40倍和1.37倍。
  (4)分析了离子液体/细菌联合预处理的作用机制。扫描电子显微镜(SEM)表明离子液体对水稻秸秆表面微观结构破坏严重,其比表面积大大增加,水稻秸秆对纤维素酶的吸附率从18.8%上升至52.5%;热重(TG)分析表明离子液体处理使高分子纤维素发生部分水解,水稻秸秆热稳定性降低;傅里叶红外光谱(FTIR)表明离子液体通过断裂聚木糖内乙酰基和酯键,破坏水稻秸秆的化学结构;X射线衍射(XRD)则表明离子液体预处理能够降低水稻秸秆中纤维素的结晶结构,可使结晶度由0.58降低到0.44。进一步利用Cupriavidus basilensis B-8联合预生物处理过后,水稻秸秆微观结构破坏更加严重,木质素苯环骨架中C=C键、C=O键发生断裂,木质素去除明显,水稻秸秆对纤维素酶的吸附率上升至58.6%。以上结果表明,离子液体处理可有效破坏水稻秸秆中木质纤维素之间的稳定结构,并显著降低纤维素的结晶度,但对木质素的去除效率较低,而细菌处理则能更有效地去除水稻秸秆中的木质素,两种处理技术联合之后产生了良好的协同作用。
  本论文研究表明采用离子液体联合生物预处理技术能有效破坏水稻秸秆结构,降低纤维素结晶度,有效去除木质素组分,可实现木质纤维素酶解糖化效果的显著提升,且该技术绿色环保、操作简单,是一种具有潜力的木质纤维素预处理方法。
[硕士论文] 张梦雪
养殖 河北农业大学 2017(学位年度)
摘要:为减轻规模化猪场对环境影响,推进规模化养猪健康持续成长,本文调查分析石家庄市规模化猪场粪污处理与资源化利用现状,规模化猪场对环境造成的影响,以达到探索建立石家庄市规模化猪场粪污处理与资源化利用新模式的目的,并提出石家庄市规模化猪场粪污科学处理与利用措施及建议。本研究具有促进规模化猪场与环境和谐共处的理论价值与实用价值。
  本文采用收集相关统计资料、查阅文献、实地调查、室内化学分析等方法,以石家庄市规模化猪场粪污处理作为调查对象,通过分等按比例随机抽样,对石家庄市各县区规模化猪场进行调查研究。选取了石家庄市规模化猪场附近土壤进行检测,样品采集位置为猪场500米及1千米范围土样。检测有机质、全氮、有效磷、pH值四项指标,其中土壤采样及检测标准均使用农业行业标准。
  通过对石家庄市规模化猪场数量、规模、粪污处理与利用状况调查,发现石家庄市养猪场规模化发展已成为趋势,目前超过60%的猪场采用规模化养殖。全市实际存栏量只占设计存栏量的60%,石家庄市猪场具有较大的发展前景。石家庄市规模猪场使用各种粪污处理与资源化利用方式的比例各有高低,一些无害化技术在应用上还有困难。调查了石家庄市规模化猪场对周围环境造成影响,发现规模化猪场越集中,对附近居民影响越大。通过对土壤检测分析,发现规模化猪场对土壤中有机质、全氮和有效磷含量产生影响,猪场500米内含量比猪场1千米内含量高,同时土壤也出现酸化趋势。采取提出的石家庄市规模化猪场新模式后,推行干清粪法,采用堆肥、种养结合模式等进行资源化利用,2015年土壤增长量有所降低。远端土壤比近端土壤污染情况平均小15%左右,说明远端土壤污染情况有很大的衰减,石家庄市规模化猪场对环境的影响有限。
  观察到石家庄市规模化猪场粪污处理面临的主要问题,并针对这些难题,提出石家庄市规模化猪场粪污处理与资源化利用新模式,实地调查两个猪场粪污处理与资源化利用实际效果,为石家庄市规模化猪场粪污处理与资源化利用新模式提供案例。提出石家庄市规模化猪场粪污科学处理与利用的基本措施及建议。从规模化猪场自身做起,政府与行业协会积极配合,养殖人提高自我意识三种方式多管齐下,主动将规模化猪场粪污污染转变成无害化排放和再生有益资源。
  总之,石家庄市猪场规模化发展已成为趋势,无论是在猪场规模还是数量上都有较大发展潜力,同时说明石家庄市规模化猪场面临更大的粪污处理与资源利用压力。石家庄市规模化猪场对土壤内有机质、全氮、有效磷、pH值含量均有提升,产生富集化、酸化,并且距离猪场越近,影响越大。石家庄市规模化猪场粪污处理面临的问题主要有粪污处理成本较高、耕地难以满足猪场粪污排放需求、环保设施投入不足、政府监督管理不规范等。石家庄市规模猪场粪污处理与资源化利用新模式从源头控制规模、提高养殖投入品利用效率、建立合理处理体系能最大限度减轻污染。
[硕士论文] 张忠祥
建筑与土木工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:乡村散养家禽径流污染是农村面源污染的重要组成部分,因其分散不易控制,对水环境的影响日益凸显,摸清该类径流的污染特征并开展简单高效的径流净化技术研究具有重要的现实意义。生物滞留池作为传统的低影响开发(Low Impact Development,LID)技术,具有结构简单、处理有效、便于分散布置的特点,是处理散养家禽径流污染的可行方法之一。
  本文调查分析散养家禽径流污染的特点,并开展生物滞留池的实验室和现场试验。主要工作及结论如下:
  (1)自建散养鸡舍,通过人工降雨试验对散养家禽径流进行采样检测,研究了散养家禽径流中主要污染物的出流规律,并对降雨特征的影响做了初步分析。结果表明,径流中污染物的事件平均浓度(Event Mean Concentration,EMC)较高,CODMn、TN、TP、NH3-N的EMC均值分别超出地表水V类标准限值1.75,12.45,7.5和3.35倍,TSS超出污水综合排放三级标准限值11.46倍,总氮和总磷是主要污染物。径流污染物存在弱初始冲刷效应,初始冲刷比值FF20约为1.0~1.5。降雨总量和降雨强度对径流污染物特征的影响较为显著,与污染物浓度呈显著负相关,与初期冲刷比值呈显著正相关。前期晴天数越长,径流中TP浓度越高,其它污染物浓度和前期晴天数的相关性不明显。
  (2)根据乡村散养家禽径流污染的特点,于室内构建生物滞留柱,进行鸡舍径流处理的模拟试验。结果表明:系统在运行30d后处理效果基本稳定,CODMn、TN、TP、NH3-N去除率分别达到60%、65%、50%、70%左右。水力负荷从0.5m3/(m2·d)增加到2.5m3/(m2·d)时,污染物去除率随水力负荷而波动,总体呈下降趋势。在水力负荷为1.5m3/(m2·d)时,其径流处理量和污染物去除率均较高。综合考虑处理能力和处理效果,确定生物滞留池的水力负荷为1.5m3/(m2·d)。
  (3)于室外散养鸡舍旁构建了一套收集、处理系统,验证生物滞留池在实际工程应用中的有效性。实测结果表明:生物滞留池对实际径流中的常规污染物具有较好的去除效果,对CODMn、TN、TP、NH3-N、TSS、BOD5的场次平均去除率分别为66.3%、71.2%、87.7%、40%、93.6%和65.7%。室内外试验的CODMn、TN和BOD5去除率比较接近,但TP和NH3-N去除率差异较大,其中室内试验TP平均去除率只有32.7%,远低于室外试验的87.7%;而室内试验NH3-N平均去除率为68.2%,高于室外试验的40%,造成这种现象的主要原因是室内外试验进水水质、水力负荷的差异较大。不同降雨事件引起的场次平均浓度越高,COD№平均去除率越大,而NH3-N平均去除率越小。在一场降雨过程中,各污染物的去除率与进水浓度的变化趋势基本一致。
  室内外试验的研究结果表明,生物滞留池是一种有效的乡村散养家禽径流处理措施。
[硕士论文] 程璐璐
环境工程 大连海事大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,利用废弃生物质制备高附加值的生物产品的研究日益受到关注。然而,针对农业废弃物制备生物炭(Biochar)的活化工艺及应用研究较少。KOH活化法制备的活化生物炭(Active biochar)比表面积大,因此对污染物具有有效的吸附作用,可作为吸附剂使用。但是,KOH活化法的一个缺点是使用化学试剂,后处理操作繁琐,这将限制该方法在环境修复领域的应用。因此,探究最佳活化工艺及其再生利用方面的研究有助于今后活性生物炭的发展。
  本研究首先探讨了活化温度(600℃、700℃和800℃)和碱炭比(0.5、1和2)对活化生物炭性质和吸附性能的影响,且运用单柱动态吸附实验获得炭吸附材料的动态穿透曲线。同时考察了活化生物炭与市售活性炭、工业活性炭在吸附性能方面的差异,并对再生性能进行了研究。结果表明,(1)活化温度700℃、碱炭比0.5、活化时间30min所得的活性生物炭对正己烷的吸附性能最佳,为0.1169 g/g,经过KOH活化的生物炭对正己烷的净饱和吸附容量最高可达到未活化生物炭的8.5倍。(2)该最佳活性生物炭的碘吸附值为708 mg/g,总酸性官能团含量为1.99mmol/g,产率为48.2%,综合性能良好。(3)通过吸附动力学研究,发现该类炭材料对正己烷吸附速率的变化规律一致,统一为先呈指数型增长后呈直线型增长。(4)通过对正己烷和苯的吸附比较,发现同种活化生物炭对不同挥发性有机化合物(VOCs)的吸附效果不同。(5)通过热再生可以使生物炭的吸附效率恢复19%以上,说明该活化生物炭可以有效回收利用。
[硕士论文] 张济韬
农业生物环境与能源工程 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:糟液作为纤维乙醇工业的副产品产量巨大,富含大量有机物,COD较高,难以利用。本文通过探究发酵原理以及在众多对秸秆猪粪厌氧发酵研究的基础上探讨实现糟液环保利用的方法,实现乙醇甲烷联产的目的。结论如下:
  模拟糟液对厌氧发酵影响,在发酵初期加入其主要成分挥发酸以考察对厌氧发酵影响。高温发酵下挥发酸可以提高甲烷浓度,但随添加量增加,自身转化甲烷效率下降。浓度由4g/L升到8g/L时,乙醇转化率由70.24%降为60.45%。乙酸由87.13%降为73.04%。乙酸钠的表现与乙酸相似,初始浓度为8g/L时的转化率为76.26%。而乙酸铵的加入会对稻秸发酵造成抑制,使得试验组产量低于对照组。丁酸在初始浓度为8g/L时的转化率为理论值的57.86%。中温条件下在1g/L、2g/L和3g/L的外源挥发酸初始浓度下,乙醇的产气量分别为理论值的56.32%、59.04%和42.26%。乙酸产气量分别为理论值的190.3%、107.2%和1.8%。丁酸各组产气量分别为理论值的54.53%、103.8%和69.2%。表明在初始加入适量外源挥发酸不会对稻秸厌氧发酵造成影响。
  糟液自身碳氮比较低,无法单独发酵,与稻秸猪粪混合后可以发酵。当糟液添加量占发酵体积12.5%时,秸秆在TS3%,6%和9%下,产气量分别为627.8、585.6和443.9 mL/g TS,高于秸秆对照组292.5 mL/g TS,甲烷体积分数从低于60%增至70%以上。猪粪添加糟液在TS浓度3%产气量最高676.7 mL/g TS,秸秆猪粪按TS1∶1比例混合时添加糟液的产气效果最佳。秸秆添加糟液的最大VFAs比对照组高2.8-4.7倍,从混合型发酵变为典型的丁酸型发酵;猪粪添加糟液后VFAs浓度相对较低,产气启动快,从混合型发酵转变为典型的丙酸型发酵。表明在厌氧发酵过程中,糟液不但可以促进稻秸与猪粪的降解,自身也可以获得转换。
  中温条件下,对于稻秸糟液添加量过高会导致发酵失败,但猪粪可以发酵。糟液添加量为25%时,秸秆在TS浓度6%和9%条件下发酵均失败;猪粪正常发酵,产气量分别为271.52和237.75 ml/gTS。高温条件下,在此添加量下秸秆可以正常产气,产气量分别为478.54和475.58ml/gTS;猪粪产气量分别为426.20和353.93ml/gTS。在高温条件下,在不同糟液添加量下,秸秆和猪粪均可以发酵。当添加量分别为12.5%、25%。37.5%、50%和62.5%时,扣除糟液产气后稻秆各组产气量分别为373.26、474.95、490.35、518.37和561.85ml/gTS,相对于对照组大幅提高;猪粪各组产气分别为371.03、436.20、423.26、385和307.50 ml/gTS,相较对照组,大幅提高。表明,稻秸或猪粪与糟液混合发酵可以获得较高转换效率。
  由此,实现了利用厌氧发酵降解糟液并实现纤维乙醇和沼气联产的目的。
[硕士论文] 张盼
生态学;资源环境生态学 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着资源短缺和环境污染问题不断加剧,秸秆纤维素作为可再生的生物质资源,其处理和利用不仅关乎新能源的开发,缓解全球能源短缺的现状,同时也关系到农村的生态保护以及新农村建设。因此秸秆还田作为最环保、利用率最高的处理方式受到国内外研究者的广泛关注。随着分子生物学的不断发展,秸秆还田的方式也已经发生改变,从传统的焚烧、机械粉碎等方式逐渐倾向于向秸秆中投加纤维素类微生物菌剂,来促进秸秆纤维素的腐解,此方法既不会造成环境污染,又能提高土壤的肥力,改良土壤结构。目前已经从土壤中筛选出的纤维素类微生物已经有上千株,但总体来讲,它们对秸秆的降解能力比较单一,降解效果一般。因此筛选高效的纤维素分解菌是降解秸秆纤维素的重中之重。
  本研究主要内容包括:⑴基于获得高效纤维素分解菌的目的,通过分离纯化初步得到30株菌株,利用刚果红染色法进行初筛,共得到14株纤维素分解菌,采用滤纸条崩解试验进一步筛选,共得到5株效果较好的纤维素分解菌,利用秸秆和麸皮作为碳源,对筛选出来的5株菌株进行连续5d的发酵产酶培养,并每隔24h取样,利用DNS显色法测定其CMCase活力和FPA活力,最终确定4株纤维素优势分解菌,并分别命名为X-1,X-6,X-7和X-11,同时测定4株菌株的CMCase活力、FPA活力以及β-Gase活力,4株菌株的CMCase活力均较高,分别为71.17U/mL,57.48 U/mL,65.96 U/mL和69.2 U/mL; FPA活力最低和最高的菌株分别为X-6和X-11,酶活分别可达到34.17 U/mL和53.41 U/mL;菌株X-11的β-Gase活力最高,为74.43U/mL,而菌株X-7的β-Gase活力最低也可达到35.79 U/mL。综合考虑,筛出的4株纤维素分解菌均具有较高的产酶能力。将该4株纤维素优势分解菌应用于秸秆的固液态发酵,在为期30d发酵中,同自然状态下进行固态发酵相比,其对秸秆的降解率分别提高了28.92%,30.40%,30.33%和37.99%;同自然状态下进行液态发酵相比,其对秸秆的降解率分别提高了31.92%,40.15%,35.29%和39.98%,表明4株菌均具有相对高效的降解秸秆纤维素的能力。⑵以菌株X-11为例,用海藻酸钠包埋法对其进行固定化,通过正交试验确定包埋剂的浓度为5%、固定剂的浓度为5%、包埋剂与菌液比为2∶1以及交联时间为24 h时,制备的固定化菌体小球质量最佳。并根据Logistic方程和Luedeking-Piret方程,利用Origin8.0软件,构建了固定化菌体X-11的动力学模型,为探索固定化微生物在降解纤维素领域的应用提供了理论依据。⑶经过对4株高效纤维素分解菌进行分子鉴定,根据16SrDNA序列比对结果发现,菌株X-1,X-7和X-11均为粪产碱杆菌;菌株X-6属于解糖假苍白杆菌。由于该菌属应用于降解纤维素领域的研究较少,本研究结论为该菌属在此类应用上的后续研究提供了一定的理论依据和实际意义。
[硕士论文] 郭娇
动物营养与饲料科学 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:畜禽粪便产生的温室气体(GHG)是畜牧业温室气体排放的重要来源,也是施行温室气体减排的重点领域。畜禽种类不同,粪便管理方式不同,粪便温室气体的排放因子各不相同,而排放因子是评估温室气体排放量的基础。因此,本试验采用实地监测的方法,利用静态箱-气相色谱法研究了我国猪粪、蛋鸡粪和肉鸡粪在静态堆放和翻堆堆放条件下的CO2、CH4和N2O排放因子,并记录试验过程中的环境温湿度,测定粪便的理化性质,利用高通量测序分析粪便微生物组成的差异,以探究温室气体排放与环境温湿度、粪便理化性质以及微生物多样性的关系。以期为我国畜禽粪便温室气体排放量的估算提供科学依据,为我国畜牧业的合理布局提供理论指导,也为畜禽粪便温室气体的减排提供科学支撑。主要研究结果如下:
  1.静态堆放和翻堆堆放条件下猪粪、蛋鸡粪和肉鸡粪的腐熟时间
  以种子发芽指数GI≧80%为腐熟标准,猪粪在静态堆放和翻堆堆放条件下的腐熟时间分别为92 d和77 d;蛋鸡粪在两种粪便管理方式下的腐熟时间分别为146 d和128 d;肉鸡粪则分别为112 d和102 d。结果显示,翻堆能够加快畜禽粪便的腐熟,缩短粪便腐熟时间;粪便种类不同,粪便的腐熟时间也会不同,蛋鸡粪的腐熟时间最长,肉鸡粪次之,猪粪最短。
  2.静态堆放和翻堆堆放条件下猪粪、蛋鸡粪和肉鸡粪的温室气体排放特征
  结果表明,翻堆能够减少猪粪和鸡粪温室气体的排放。CH4的减排效果最明显,猪粪减排76.61%,蛋鸡粪减排42.05%,肉鸡粪减排96.75%; CO2也有一定的减排效果,猪粪、蛋鸡粪、肉鸡粪分别减排29.68%、14.57%、30.44%;翻堆对N2O排放的影响因粪便种类的不同呈现出不同的结果,在猪粪和蛋鸡粪中表现为减排,减排比例分别为20.74%和16.18%,而在肉鸡粪中则表现为增加N2O的排放,与静态堆放相比增加了12.17倍。就温室气体排放总量而言,翻堆具有一定的减排效果,在猪粪、蛋鸡粪、肉鸡粪中(CO2+CH4+N2O)的减排效果分别为67.41%、36.33%、75.94%,(CH4+N2O)的减排效果分别为72.32%、41.99%、87.75%。因此,翻堆是实现畜禽粪便温室气体减排的一项有效措施。
  就各温室气体的占比而言,CH4是3种粪便温室气体的主要贡献者,CO2的排放比例则是蛋鸡粪和肉鸡粪高于猪粪,N2O则是在猪粪中所占比例最大,其次为肉鸡粪在翻堆条件下,而蛋鸡粪在两种粪便管理方式下以及肉鸡粪在静态堆放条件下的N2O排放所占比例接近于零。因此,粪便种类不同,各温室气体所占的比重也有所不同。
  3.静态堆放和翻堆堆放条件下猪粪、蛋鸡粪和肉鸡粪的温室气体排放因子
  利用温室气体累积排放量,结合各畜禽在我国的饲养现状,计算出猪粪、蛋鸡粪和肉鸡粪的CO2、CH4和N2O排放因子。猪粪在静态堆放条件下的CO2、CH4和N2O排放因子分别为1.84 kg/头、0.47 kg/头、4.11 g/头;在翻堆堆放条件下则分别为1.29 kg/头、0.11 kg/头、3.26 g/头。蛋鸡粪在静态堆放条件下的CO2、 CH4和N2O排放因子分别为41.59 kg/100只、5.70 kg/100只、1.44 g/100只;在翻堆堆放条件下则为35.53 kg/100只、3.30 kg/100只、1.21 g/100只;肉鸡粪在静态堆放条件下的CO2、CH4和N2O排放因子分别为2.36 kg/100只、0.32 kg/100只、0.24 g/100只;在翻堆堆放条件下则分别为1.64 kg/100只、0.01 kg/100只、3.10 g/100只。结果显示,粪便种类不同,管理方式不同,各温室气体的排放因子也会不同;除两种管理方式下的蛋鸡粪及静态堆放条件下的肉鸡粪的CH4排放因子外,《IPCC,2006》及《省级温室气体清单指南(试行)》中的CH4和N2O排放因子均高估了本研究实际测得的排放因子。
  4.环境温湿度、粪便理化性质与温室气体排放的相关性
  研究结果表明:在猪粪和鸡粪试验中,温度(环境温度和堆体温度)与CO2、CH4和N2O的排放速率呈显著或极显著相关。粪便的理化性质与CO2、 CH4和N2O的排放也有一定的关系。以相关性分析为基础,以相关性出现率(两指标具有显著相关性的次数占两指标分析总次数的比例)大于50%为依据,筛选出与CO2、CH4和N2O的排放具有较好相关性的粪便指标。结果显示,粪便中的含碳物质与CO2和CH4排放具有较好相关性,而含碳和含氮物质均与N2O的排放呈现较好相关性。与CO2的排放相关性较好的指标有WSC、VS、TOC、TN,与CH4的排放相关性较好的指标有pH和TOC,与N2O的排放相关性较好的指标有pH、NH4+-N、TS、VS、TOC、TN。由此表明,温度、粪便pH、粪便中的含碳含氮物质能够影响粪便各温室气体的排放。
  5.微生物多样性与CH4和N20排放的关系
  不同管理方式,不同堆放时间的粪便中存在差异的菌属有13个,其中,梭菌属(Clostridium)与CH4的排放呈显著正相关;副球菌属(Paracoccus)、Sedimentibacter、密螺旋体属(Treponema)与N2O的排放呈显著正相关。以上结果显示,造成粪便CH4和N2O排放差异的原因可能与上述微生物在粪便中的分布有关。
  综上所述,本研究主要得出以下结论:1)翻堆能够加快粪便的腐熟进程,缩短腐熟时间。2)翻堆能够减少畜禽粪便在管理过程中的温室气体排放。3)粪便种类不同,管理方式不同,各温室气体排放因子不同;除蛋鸡粪和静态堆放条件下肉鸡粪的CH4排放因子外,现有的粪便CH4和N2O排放因子均高估了实际测得的排放因子。4)温度与粪便各温室气体的排放具有较好的相关性。CO2的排放与粪便中WSC、VS、TOC、TN的含量具有较好的相关性;CH4的排放与粪便pH及TOC含量具有较好对的相关性;N2O的排放则与粪便pH以及NH4+-N、TS、VS、TOC、TN的含量具有较好的相关性。5)粪便中梭菌属分布的差异可能是造成各组CH4排放差异的原因之一,而副球菌属、Sedimentibacter和密螺旋体属在粪便中分布的差异可能是导致N2O排放差异的原因之一。
[硕士论文] 白玫
环境科学与工程 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:全球变暖的事实已经上升到了国家安全的高度,温室气体减排刻不容缓。国际社会作出积极响应,经过多方、多轮谈判和友好协商,最终达成一致,先后出台了《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》。《公约》和《京都议定书》是国际社会努力解决气候变化问题的核心。清洁发展机制(CDM)是《京都议定书》提出的三种履约机制之一,其中心思想是允许发达国家为了达成该国家的减排目标而与发展中国家进行项目级的减排量抵消额的转让与获得,项目实施地点为发展中国家。
  本文针对CDM项目的方法学,首先对国内外文献进行了详细的调研,并且对EB相关文件、已开发的方法学文件及项目开发文件进行了学习、分析、研究,对方法学方案的确定、编写进行了系统研究,尤其是种养结合模式下温室气体排放量的计算方面。在此基础上,利用案例分析法以及定量分析法,本文对种养结合模式小规模CDM项目基准线、边界的确定和减排量的计算等方面的问题重点探讨。
  对种养结合模式小规模CDM项目方法学得出以下结论:
  (1)项目边界:
  ①奶牛粪便管理系统:由于奶牛粪便管理所产生的CH4和N2O排放;
  ②种植系统:由于种植系统所带来的碳库的变化;
  ③能源消耗:由于三个系统在运转过程中会投入机械的制造、运输和使用等,消耗能源产生CO2排放。
  (2)基准线情景:
  ①畜禽粪便的处理系统采用的是开放式厌氧塘;
  ②开放厌氧塘系统粪污施入田中;
  ③养殖场使用化石燃料作为能源的使用。
  (3)减排量计算:根据基准线情景的确定,找到了计算温室气体减排量的计算公式,并确定了公式中相关参数的来源情况。
  (4)额外性论证:可以通过证明中国没有强制性要求收集和销毁粪便管理产生的甲烷来说明项目活动的额外性。在这种情况下,可以不遵循《小规模项目活动额外性示范指南》。
  本文通过具体的案例分析,以北京市海淀区某规模奶牛养殖场为例,经过计算,得出该养殖场通过实施种养结合模式小规模CDM项目以后,一年可减少2931.23tCO2的排放,每年可获得的额外减排收入超过十五万元人民币。
[硕士论文] 朱福造
环境工程 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:中国作为一个农业大国,每年有大量的稻草秸秆得不到有效利用而成为农业固体废弃物。由于稻草秸秆中木质素结构的复杂性,使得其生物降解难度大、效率低。
  本实验以稻草秸秆为研究材料,采用不同剂量的 Fenton试剂对其进行预处理,从中筛选出降解木质素效果最好的稻草秸秆,并通过扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱仪对预处理前后的稻草秸秆结构进行分析,同时以预处理前后的稻草秸秆为底物,分别接种黄孢原毛平革菌、黑曲霉及两者的混合菌进行固态培养,研究菌种在降解稻草秸秆过程中木质素降解酶酶活产量和降解体系挥发性有机物成分的变化。结果表明:最佳 Fenton试剂条件为6 g/L的FeSO4·7H2O和15%的H2O2,室温下预处理稻草秸秆15 h,木质素最高降解了15.01%。扫描电子显微镜分析结果显示,预处理后的稻草秸秆表面变得很粗糙,纤维管状结构出现明显的破裂迹象,表明了 Fenton预处理对稻草秸秆的破解程度之深。傅里叶红外光谱仪的分析表明,所有与木质素相关的官能团的特征峰峰值都出现了明显的下降,证实了Fenton预处理降解木质素的有效性。在21天的固态培养过程中,经过 Fenton预处理后的稻草秸秆,木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶的酶活产量明显高于未经Fenton预处理的稻草秸秆,同时也发现混合菌的酶活产量都比纯培养的酶活产量高。另外,气质联用仪对固态培养过程中产生的挥发性有机物成分的分析结果表明,预处理后的稻草秸秆在固态培养中能产生更短的烷烃和更多种类的酸类、醛类等物质,暗含了 Fenton预处理能加速真菌对稻草秸秆的降解。总之,Fenton预处理能有效破坏稻草秸秆的顽固性结构,加速稻草秸秆的降解,是一种可行的预处理方式。
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