基于温室增温的生物质发酵酿热多参数耦合效应研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:konglgu0404
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针对我国农业废弃物资源化利用不彻底、温室生物质发酵增温补气效率低下等问题,利用温室生产常见农业废弃物为试验材料,进行了容重(Bulk Density,BD)、碳氮比(Carbon Nitrogen ratio,C/N)、含水率(Moisture Content,MC)及温度等发酵参数耦合对温室生物质发酵综合利用的调控效应研究,共设置4次发酵试验(2批次中试发酵试验与2批次田间规模化规模发酵试验)。其中。2018年夏季(2018S)为田间规模化试验,以牛粪、菇渣为发酵原料,确定发酵过程中物化参数与产热产气特性的变化及关系并筛选主要发酵参数;2019年夏季(2019S)和2020年秋季(2020F)均为中试试验,以容重、碳氮比及含水率为试验因素,采用三元二次响应面中心点组合设计,每次试验均23个处理,探究不同发酵参数组合对生物质发酵的综合影响与应用效果;2020年冬季(2020W)为田间规模化试验,以玉米秸秆、番茄秸秆、牛粪为原料,以中试试验所得最优区间调控发酵参数,按不同体积比混合发酵,共3个处理,探究不同物料配比的发酵酿热产气效果及温室应用验证。试验测定分析了总有机碳(Total organic carbon,TOC)降解率、累积积温、热能转化率、产热速率、反应速率、含水率、碳氮比、CO2、NH3、CH4、N2O产量、温度、湿度等指标。利用典型性分析确定发酵酿热产气过程中的主要影响因素,基于博弈论组合赋权的综合评判法对主要因素耦合下生物质发酵酿热进行综合评价,利用评价结果构建多参数耦合下的数学模型,分析各参数及其耦合效应对生物质综合发酵的影响,利用计算机软件模拟寻优,得到最适参数调控方案,在温室生产应用并验证其加温补气效果。主要研究结果如下:(1)在2018S,通过典型相关性分析研究物化特性与酿热特性的相关关系,总有机碳降解率与水分和堆温呈高度负相关。总有机碳降解率与日积温和日产热量间存在负相关关系。CO2日排放量呈先升后降趋势。甲烷与氨气排放规律与CO2类似,氧化亚氮则相反,呈先降后升趋势,水分与CO2高度正相关,与N2O高度负相关。水分、碳氮比和温度是发酵酿热产气的主要影响因素。(2)在热量输入部分,在2019S,水分与容重对有机质降解产热均具有抑制作用;在2020F中水平容重有机质降解产热效果最佳,碳氮比具有抑制作用。在热量输出部分,在2019S,增加容重或降低水分,热量平衡向通风显热移动,降低蒸发潜热;在2020F,降低碳氮比,热量平衡向显热移动。在2019S,容重对反应速率有抑制作用;水分有促进作用。2020F反应速率响应规律与2019S类似。在2019S,容重对NH3、N2O、CH4、CO2有抑制作用,水分对N2O和CH4存在促进作用。在2020F,高容重低含水率可降低NH3、N2O和CH4的排放。增大水分,降低容重,可提高CO2产量。(3)利用层次分析法对2019S与2020F批次试验进行主观赋权,利用熵权法获得客观权重,基于博弈论原理获得2019S组合权重依次为:产热速率(0.315)>热能转化率(0.287)>总有机碳降解率(0.2360)>累积积温(0.163),2020F组合权重依次为:热能转化率(0.320)>产热速率(0.316)>总有机碳降解率(0.260)>累积积温(0.104)。使用TOPSIS法对两批次试验酿热效果进行综合评价;2019S,T21处理(0,0,0)评价值最高,而T1处理(1,1,1)的评价值最低;2020F,T12处理(0,0,1.68)评价值最高,而T1处理(-1.68,0,0)评价值最低。(4)构建2019S、2020F的生物质发酵酿热综合效果多参数耦合模型,F值分别为6.658,6.234,拟合效果较好,能表示发酵参数对发酵酿热的影响。单因素效应中,2019S的发酵酿热综合评分与碳氮比呈近线性关系,与容重和含水率呈开口向下抛物线。2020F,容重与发酿热综合效果呈凸形抛物线关系,碳氮比和含水率则呈凹形抛物线。2019S,容重与含水率存在负交互效应,2020F三因素间存在正交互作用。2019S,容重、碳氮比、含水率的最优区间为:0.074~0.086 g·cm-3、35.61~38.41、0.52~0.70。2020F,最优区间为:0.108~0.111 g·cm-3、21.59~38.41、0.65~0.70。(5)酿热效果验证中,试验温室最低气温、平均气温分别提高5.78℃、16.17℃。典型晴天时提高试验温室平均气温6.44℃。试验温室可提高CO2浓度2099.09 mg.m-3。生物质发酵酿热产气系统可一定程度提高大跨度非对称大棚性能,具有良好加温补气效果。玉米秸秆与牛粪体积比为2:1时,酿热产气效果最佳。玉米秸秆发酵效果优于番茄秸秆,增大秸秆比例可促进发酵进程。
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