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随着能源消耗量和因人类活动产生的废弃物的增加,厌氧发酵（AD）作为一种将废弃物转化为生物能源的技术,在全球范围内受到越来越多的关注。中国农村地区的中小型沼气工程在改善农村生产和生活条件以及节能减排等方面发挥着重要作用。另—方面,中国是世界上农业大国之一,拥有丰富的生物质资源如农作物秸秆和动物粪便等。这些废弃物若得不到及时的无害化处理,将会导致许多环境问题如气味,土壤和水污染以及空气污染等。因此,利用这些废弃物产生可再生能源具有许多经济、环境和气候优势,且助于减轻与粪便存储有关的气味并清除病原体。但是,发酵池温度过低会导致发酵效率及沼气产量降低,需要采用加热措施来提高寒冷地区的发酵效率。除此以外,农业作物废弃物（ACW）中的有机组分纤维素（CEL）、半纤维素（HCEL）和难消化的木质素化合物强烈地结合在—起,形成了复杂的结构,这也是影响厌氧发酵的利用效率低的主要原因。有机组分的这种结构造成了抵抗微生物作用的化学和物理抑制性,因而抑制厌氧发酵中有机物的水解。此外,农业废弃物有机负荷高、微生物多样性不足、氮含量低（C/N高）以及成分构成都不利于厌氧发酵。因此,本研究的主要目标是:1)以软体沼气池为对象,在小试验规模上研究利用太阳能提高发酵温度的设施形式,以达到寒冷气候下提高沼气产量的目的;2)以农作物秸秆为原料,研究预处理方式对分解木质纤维素复杂的晶体结构,进而提高厌氧消化沼气产率的作用机理;3)在实验室规模上研究厌氧共消化（ACoD）对农业废弃物厌氧产沼气的影响,以解决单物料厌氧发酵沼气产量低的问题。为了实现这些目标,本研究分别在小试和实验室规模上进行了相关试验研究,以提高农业废弃物产沼气的能力。主要试验结果如下:1.作为解决方案,本研究提出了一种与北墙集成的日光温室采暖技术,用以加热半埋式低成本软体发酵池。该实验包括两个类似的半埋式发酵池,第一个（DA）由集成有北墙的日光温室加热,而第二个（DB）仅由直接的太阳辐射（无温室）加热,两个消化池都以牛粪为原料。通过连续运行试验研究分析两个沼气池的加温效率以及对沼气产量的影响。结果表明,DA和DB的平均沼液温度分别为24.9℃和23.45℃。此外,DA和DB的沼气平均产率分别为173 L/kg VS和155.3 L/kg VS,甲烷含量无明显变化（≈62.2%-62.76%）。研究表明,采用日光温室,可以提高软体沼气池的沼气产率。2.本研究旨在研究集成太阳能加热技术在低成本软体发酵池中提高沼液温度的潜力,及其对沼气产量的影响。使用了两个类似的沼气池,第—个（D1）由带有太阳能热水系统和毛细管热交换器的日光温室加热,而第二个（D2）仅由日光温室加热,两个沼气池都在地面上并以牛粪为原料。结果表明,D1和D2的平均沼液温度分别比平均环境温度高9.5℃和4.9℃。此外,D1和D2的沼气平均产率分别为247 L/kg VS和181 L/kg VS,甲烷含量无明显变化（≈62.7%）。研究表明,一年中的大部分时间,使用集成太阳能可以有效地为沼气生产过程提供最佳温度。3.农村地区每年产生大量农作物秸秆废弃物等木质纤维素,因此其厌氧发酵受到广泛关注。然而,这些生物质原料的厌氧消化通常需通过预处理来增强消化率。本研究使用稀酸处理（浓度为2%H2SO4在130℃下保持20min）、稀酸与蒸汽爆破（SE）（160,190和210℃下保持3min）联合处理、蒸汽爆破（180℃下保持5min）与超微粉碎（SFG）联合处理等三种预处理方法,探讨了油菜秸秆通过厌氧消化实现增值以及提高生物甲烷产率的可能性;使用SEM、FTIR、XRD以及组分分析等方法来评估预处理方法的效果。结果表明,联合预处理可效破坏木质纤维素的结构,从而有效提升厌氧消化的甲烷产率。SE（180℃下保持5 min）联合SFG处理以及H2SO4联合SE（190 ℃下保持3 min）处理可获得最高的甲烷产量,其累计甲烷产量（CMY）分别为305.7 mL/g VS和263.3 mL/g VS,比对照分别提升77.84%和53.17%。研究表明,在最适酸浓度条件下,SEG180和DASE190这两种预处理可显著提升油菜秸秆厌氧消化的CMY。4.厌氧联合发酵由于可以显著平衡发酵底物养分、提高金属等微量元素的含量并增加其缓冲性能,被认为是一种非常有效的发酵技术手段,可以克服传统厌氧发酵技术产气量偏低的问题。本研究中,为了提高气体产量,以油菜秸秆为原料,采用了蒸汽爆破的方式预处理后,与牛粪以不同的混合比例配比（由秸秆:牛粪从100:0至0:100）进行联合厌氧发酵。试验在相同控制条件下的密闭系统中进行,研究分析了预处理对秸秆纤维结构及其联合厌氧发酵效果的影响。结果表明:预处理能够分解秸秆的纤维结构,显著提高厌氧发酵的甲烷总量。经过联合厌氧发酵之后甲烷的产量相比对照组（纯牛粪为原料）,显著提高了 1 1.4%～59%。发酵产气量牛粪:油菜秸秆的最佳比例组为60:40,产气达337.8 mL/g VS。相比对照发酵组,最佳比例组比单独牛粪发酵产气量提高了 59%,比单独秸秆发酵提高了16.8%。本研究表明了最佳发酵参数条件下,采用180℃蒸汽爆破能够显著提高牛粪和油菜秸秆联合厌氧发酵的产气量。