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随着畜牧业的快速发展,导致集中化养殖过程中产生的大量牛粪被随意堆积或丢弃,进而引起的环境污染已经成为当今社会的重要问题。目前传统的牛粪处理方法具有很多问题,将牛粪进行厌氧消化制备沼气是解决问题的良好方案。但是,低处理效率和低产气量一直是制约牛粪生物质能源化利用的核心问题。本文以易于获得且成本较低的生物强化手段,在小试批次厌氧消化系统的基础上优化了牛粪厌氧消化工艺。将特定温度下烧制的生物炭以一定比例添加到发酵体系中,增强了厌氧消化的产气量;控制发酵体系中铈元素达到特定浓度可进一步提高厌氧消化的产气量。主要研究结果如下:(1)研究了以牛粪为原料的生物炭烧制工艺:以牛粪作为原材料,经过一系列粉碎、干燥、灼烧等方法烧制牛粪生物炭,通过调整生物炭烧制的温度获得不同性质的牛粪生物炭;通过将生物炭添加进厌氧消化体系中,以甲烷累积量的变化来确定最佳的牛粪生物炭烧制温度和添加量,证明了牛粪生物炭有提高厌氧发酵产甲烷的能力,同时确定了当牛粪生物炭烧制温度为400℃,添加量为污泥干重30%时有最强的强化效果。(2)研究了以菌糠为原料的生物炭烧制工艺:以菌糠作为原材料,经过一系列粉碎、干燥、灼烧等方法烧制菌糠生物炭,通过调整生物炭烧制的温度获得不同性质的菌糠生物炭;通过将生物炭添加进厌氧消化体系中,以甲烷累积量的变化来确定最佳的菌糠生物炭烧制温度和添加量,证明了菌糠生物炭有提高厌氧发酵产甲烷的能力,同时确定了当菌糠生物炭烧制温度为550℃,添加量为污泥干重30%时有最强的强化效果。(3)通过预先配好的1μmol/mL的稀土铈元素母液,进行不同浓度梯度的铈元素对牛粪厌氧消化的产气效果研究。结果表明:当稀土铈元素在整个发酵体系中达到0.3μmol/L时有最高的沼气产气量,相对于空白组沼气产量提升了20.3%,甲烷产气量提高了22.34%;同时对同一浓度不同底物进行厌氧发酵,以堆肥后的菌糠作为底物,使用0.3μmol/L的稀土铈元素的处理组沼气产量相对空白提高了26.17%,甲烷产量相对空白提高了29.67%。(4)通过之前的试验发现生物炭和稀土元素铈都可以强化厌氧发酵产沼气,通过稀土元素铈改性的方法将生物质原始性质进行改变,制作成稀土改性生物炭,进行稀土改性生物炭对牛粪厌氧消化产沼气效果研究。结果表明:使用稀土改性生物炭的处理组有最高的沼气产气量,相对空白组沼气产量提升了49.41%,甲烷产气量提高了58.41%,相对于使用原始生物炭的处理组沼气产量提升了10.86%,甲烷产气量提高了50.02%。