能源与环境是当今世界普遍关注的热点问题。以不可再生的化石燃料为基础的能源消费正在加剧破坏人类赖以生存的环境,威胁人类的可持续发展。开发利用对环境友好的可再生能源已经成为必然。太阳能和生物质能是资源量大、分布很普遍的两种可再生能源。生物质厌氧发酵技术和低温太阳能集热技术是目前的两种成熟技术。生物质厌氧发酵技术有效地解决了农村燃料短缺问题,实现了禽畜粪便的无害化处理及多层次资源化利用,因而受到各国的普遍关注。然而,厌氧发酵过程受温度影响严重,发酵温度过低或波动过快,都会影响厌氧发酵的产气速率以及沼气中CH4的含量。现有沼气池增温保温方法有些利用生物质、煤炭、电等能源,热能转化率低,容易产生污染,有些增温保温效果差,生物质厌氧发酵过程很难控制。太阳能经济性集热温度与恒温厌氧发酵温度的匹配提供了太阳能集热器与生物质厌氧发酵器集成的基础。为此,本课题研发了太阳能加热的恒温沼气池。该系统是将太阳能集热器收集的太阳能,以水为热媒供给发酵罐,来满足发酵所需的热量,使之突破了昼夜、季节、气候等不利因素的束缚,实现了连续稳定供能。为了研究发酵温度、发酵原料对恒温发酵产气性能的影响、太阳能加热的恒温沼气池的产气性能及其装置性能和综合效益,本课题进行了以下研究工作。1.在四个11.5L的发酵罐中并行批次实验研究了19℃、30℃、37℃和52℃下鲜牛粪、鲜牛粪与莲花菜叶混合原料发酵过程,并用沼气分析仪实时测量了沼气中的甲烷、二氧化碳和硫化氢含量,发现:(1)牛粪发酵浓度为8%时,38天内52℃、37℃、30℃和19℃下累积产气量分别为173.12L、187.59L、153.41L和39.12L,发酵周期分别为22天、22天、27天和36天,发酵周期内累积产甲烷量分别为90.44L、100.47L、79.35L和13.90L,池容产气率分别为0.71m3/m3·d、0.76 m3/m3·d、0.51 m3/m3·d和0.10m3/m3·d。37℃时厌氧发酵的产气量最大,产气品质最好。(2)牛粪发酵浓度为4%时,22天内30℃、37℃和52℃下累积产气量分别为41.69L、52.30L和55.57L,发酵周期分别为16天、15天和14天,发酵周期内池容产气率分别为0.23 m3/m3·d、0.32 m3/m3·d和0.36 m3/m3·d,累积产甲烷量分别为19.07L、24.49L和25.22L,平均甲烷含量分别为51.07%、51.76%和50.63%。与其它温度相比,尽管52℃下的发酵周期短,池容产气率高,但沼气品质却最差。(3)牛粪与莲花菜叶VS质量比为3、混合原料发酵浓度为8%时,52℃、37℃和30℃实验组累积产气量分别为201.83L、225.18L和195.76L,发酵周期分别为31天、42天和58天,池容产气率分别为0.65 m3/m3·d、0.54 m3/m3·d和0.34 m3/m3·d,累积产甲烷量分别为99.31L、117.96L和102.10L,平均甲烷含量为49.20%、52.38%和52.16%。牛粪和莲花菜叶混合厌氧发酵可以显著地提高牛粪和莲花菜叶的厌氧发酵转化率。在试验条件下,发酵周期内30℃、37℃和52℃混合原料厌氧发酵比牛粪单一原料厌氧发酵累积产气量提高了7.00%、34.08%和22.16%。VS质量比为3时,最适发酵温度为37℃;自然发酵无法启动混合原料发酵,应减少莲花菜的含量,减小VFA对产甲烷菌的抑制作用,需要实时调节pH。2.在环境平均温度为8.6℃下,太阳能加热的恒温沼气池能够在30±2℃下稳定运行,总固体浓度为7%时产气高峰出现在第11天,产气量高达2.059m3/d;最大料容产气率0.86m3/m3·d,发酵周期为28天;若系统运行正常,对4～5口之家,只需3m3的沼气池即可满足全天的烧水做饭需求。太阳能加热的恒温沼气装置的财务净现值NPV(i=10%)为8573元,内部收益率FIRR为43.64%,益本比为2.80,动态投资回收期为2.9年。根据目前甘肃省农村的日常用能方式,则炊事时CO2年减排量可达2.35×107t,沼气替代秸秆、薪柴和煤炭对CO2减排的贡献分别为47.47%、40.80%和11.73%。本课题的创新点在于:(1)实验研究了温度对恒温厌氧发酵产气能力的影响,发现了37℃时厌氧发酵的产甲烷量最大,产气品质最高;(2)研发了新型的太阳能加热的恒温沼气池,该中试装置在兰州地区冬季工况下可以稳定生产沼气。本课题研发的太阳能加热的恒温沼气池,突破了北方地区时间、季节、气候变化对生物质厌氧发酵的束缚,有效地解决冬季沼气产气率低,产气不稳定的问题。与传统沼气池保温增温方法相比,太阳能加热的恒温沼气池更加节能和环保,对厌氧发酵过程可控性更好。本课题的研究成果有利于太阳能加热的恒温沼气池在北方地区大面积推广应用,进而推动了农民生活方式向更加健康、文明、卫生的方式转变,推动了新农村的建设,减少了对传统能源的依赖、扩大了可再生能源的利用范围,提高了可再生能源利用比重,实现了能源与环境的可持续发展。