中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域化特征與原料配比研究

【摘要】：中國(guó)是農(nóng)業(yè)人口大國(guó),龐大的農(nóng)村人口數(shù)量給農(nóng)村的能源安全帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。農(nóng)村戶用沼氣作為農(nóng)村生物質(zhì)能利用方式,能夠緩解農(nóng)村能源緊缺的問題,有效的改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。近年來(lái),我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣的使用量逐年增加,但各地區(qū)因經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口數(shù)量、氣候條件、發(fā)酵原料種類和數(shù)量、教育程度等方面的差異,導(dǎo)致各地區(qū)間的戶用沼氣發(fā)展水平差異顯著。本文在搜集、整理、分析大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用ArcGis 10.1將我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣的空間發(fā)展分為3個(gè)區(qū)域,即Ⅰ區(qū):沼氣發(fā)展水平較低,Ⅱ區(qū):沼氣發(fā)展水平較高,Ⅲ區(qū):沼氣發(fā)展水平中等;通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析研究影響這種分區(qū)特征的主導(dǎo)因素,并最終在眾多影響因素中確定溫度和發(fā)酵原料與這種分區(qū)特征的關(guān)聯(lián)度最大,因此結(jié)合各分區(qū)內(nèi)溫度和原料的特征制定室內(nèi)試驗(yàn)方案,確定發(fā)酵溫度為15、25℃,發(fā)酵原料為農(nóng)村地區(qū)常見、易收集、數(shù)量充足且具有普遍性的玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈、豬糞、牛糞和羊糞。通過(guò)分析原料的產(chǎn)氣特性,將產(chǎn)氣效果最優(yōu)的配比與沼氣分區(qū)特征結(jié)合,得出適宜于不同地區(qū)戶用沼氣使用的最佳投料方案,最后通過(guò)優(yōu)化15、25℃條件下產(chǎn)氣效果最優(yōu)的羊/稻9:1與牛/麥7:3配比進(jìn)一步提升沼氣產(chǎn)量,促進(jìn)農(nóng)村年戶沼氣的可持續(xù)發(fā)展,論文得出如下結(jié)論:1.從數(shù)量上看,我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了較高水平,但是各地區(qū)的戶用沼氣發(fā)展情況存在較大差異,總體呈現(xiàn)出由南向北、由東向西依次減少的趨勢(shì),以河北-河南-湖北-四川省界和山東-河南-湖北-湖南-廣西省界為分割線,將我國(guó)戶用沼氣的空間布局劃分為三個(gè)主要的區(qū)域。河北-四川線以北為我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)展Ⅰ區(qū),該區(qū)域包含13個(gè)省市,屬于地廣人稀,氣候偏寒冷,戶用沼氣發(fā)展水平不高的區(qū)域;河北-四川線與山東-廣西線兩界線之間為Ⅱ區(qū),該區(qū)域包含11各省市,屬于農(nóng)村人口多,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平中等,氣候適宜,戶用沼氣發(fā)展水平較高的區(qū)域;山東-廣西線以東為我國(guó)戶用沼氣發(fā)展Ⅲ區(qū),該區(qū)域包含7個(gè)省,屬于人口密集,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高,氣候適宜,戶用沼氣發(fā)展水平中等的區(qū)域。2.灰色關(guān)聯(lián)分析表明,影響我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域發(fā)展特征的主要影響因素是溫度、原料、農(nóng)村人口數(shù)量、收入和教育程度,其中溫度和發(fā)酵原料與之關(guān)聯(lián)度最大,其關(guān)聯(lián)系數(shù)達(dá)到0.889和0.747,成為主導(dǎo)影響因素,根據(jù)3個(gè)分區(qū)內(nèi)這兩類主導(dǎo)因素的特征,篩選出農(nóng)村地區(qū)最常見、易收集、數(shù)量多且具有普遍性的六類生物質(zhì)能源作為發(fā)酵原料(玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈、豬糞、牛糞和羊糞)。3.25℃發(fā)酵條件下,除小麥秸稈外,其余發(fā)酵原料(單一或混合)累積產(chǎn)氣量均高于15℃發(fā)酵條件下的產(chǎn)氣量。15℃發(fā)酵條件下,羊糞發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量最高,水稻秸稈的累積產(chǎn)氣量最少,且在該溫度下,除了豬/玉1:9和豬/羊3:7外,單一原料發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量均低于混合發(fā)酵的產(chǎn)氣量,混合原料發(fā)酵產(chǎn)氣效果最優(yōu)的組合是羊/稻9:1,其累積產(chǎn)氣量達(dá)到3754 mL,分別是羊糞和水稻秸稈單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)氣量的2.46倍和10.72倍;25℃發(fā)酵條件下,牛糞的產(chǎn)氣量最高,小麥秸稈的產(chǎn)氣量最少,在該溫度下,玉麥1:9的產(chǎn)氣量低于玉米秸稈單一發(fā)酵的產(chǎn)氣量,因此不建議玉麥混合發(fā)酵。除此之外,混合發(fā)酵的產(chǎn)氣量均高于單一原料發(fā)酵的產(chǎn)氣量,尤其牛/麥7:3的累積產(chǎn)氣量達(dá)到了16199 mL,分別是牛糞和小麥秸稈單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)氣量的1.88倍和29.8倍。4.兩種原料混合發(fā)酵條件下,5種配比中產(chǎn)氣效果最優(yōu)的配比為:15℃發(fā)酵條件下,豬/牛7:3,豬/麥1:9,豬/稻9:1,牛/羊7:3,牛/玉9:1,牛/麥7:3,牛/稻9:1,羊/玉5:5,羊/麥3:7,羊/稻9:1,玉/麥9:1,玉/稻7:3,麥/稻1:9,其中豬/玉1:9混合發(fā)酵的產(chǎn)氣量玉米秸稈單一發(fā)酵的產(chǎn)氣量,豬/羊3:7混合發(fā)酵的產(chǎn)氣量羊糞單一發(fā)酵的產(chǎn)氣量,因此不被列在配比表中,在眾多混合發(fā)酵的組合中,累積產(chǎn)氣量最高為羊/稻9:1(3754mL);25℃發(fā)酵條件下為,豬/牛5:5,豬/羊9:1,豬/玉9:1,豬/麥5:5,豬/稻5:5,牛/羊9:1,牛/玉1:9,牛/麥7:3,牛/稻9:1,羊/玉1:9,羊/麥7:3,羊/稻3:7,玉/稻9:1,麥/稻5:5,玉/麥混合發(fā)酵的產(chǎn)氣量玉米秸稈單獨(dú)發(fā)酵的產(chǎn)氣量,因此不列入配比表,在眾多原料混合發(fā)酵的組合中,累積產(chǎn)氣量最高為牛/麥7:3(16199 mL)。5.結(jié)合配比表和各分區(qū)內(nèi)原料種類與數(shù)量制定適合不同地區(qū)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵的最佳投料方案。Ⅰ區(qū)中的內(nèi)蒙古和新疆地區(qū),牛糞、羊糞充足,因此建議15℃發(fā)酵條件下首先考慮牛/麥9:1混合發(fā)酵,其次考慮羊/麥7:3混合發(fā)酵。25℃發(fā)酵條件下首先考慮牛/麥7:3混合發(fā)酵,其次考慮牛/羊9:1混合發(fā)酵;Ⅱ區(qū)的河南、山東地區(qū)牛糞、豬糞、玉米、小麥秸稈資源豐富,因此建議該地區(qū)15℃發(fā)酵條件下首先考慮牛/麥9:1混合發(fā)酵,其次考慮豬/麥1:9混合發(fā)酵。25℃發(fā)酵條件下首先考慮牛/麥7:3混合發(fā)酵,其次考慮豬/玉9:1混合發(fā)酵;Ⅲ區(qū)中安徽、江蘇地區(qū)牛糞、豬糞、水稻、小麥秸稈數(shù)量較多,因此建議該地區(qū)15℃發(fā)酵條件下首先考慮牛/稻9:1混合發(fā)酵,其次考慮牛/麥9:1混合發(fā)酵。25℃發(fā)酵條件下首先考慮牛/麥7:3混合發(fā)酵,其次考慮豬/牛5:5混合發(fā)酵。6.優(yōu)化篩選出的15、25℃條件下產(chǎn)氣效果最優(yōu)的羊/稻9:1與牛/麥7:3組合,最終得到15℃發(fā)酵條件下,羊/稻9:1發(fā)酵的最優(yōu)因素組合為:預(yù)處理時(shí)間為10.93 d、氨水濃度為18%,接種物濃度為12.84%,預(yù)期最大沼氣產(chǎn)量為7238.92 mL;25℃發(fā)酵條件下,牛/麥7:3發(fā)酵最優(yōu)因素組合為:預(yù)處理時(shí)間為8.23 d、氨水濃度為15.15%,接種物濃度為14.37%,預(yù)期最大沼氣產(chǎn)量為19651.5 mL。 【關(guān)鍵詞】：農(nóng)村戶用沼氣 區(qū)域化 影響因素 產(chǎn)氣特性 配比表 相應(yīng)曲面法
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S216.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-14
• 第一章 文獻(xiàn)綜述14-23
• 1.1 選題背景14-18
• 1.1.1 生物質(zhì)概述14
• 1.1.2 生物質(zhì)能的特征、分類和利用方式14-16
• 1.1.3 開發(fā)利用生物質(zhì)能的意義16-17
• 1.1.4 中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣在生物質(zhì)能利用中的地位17
• 1.1.5 發(fā)展農(nóng)村戶用沼氣的效益評(píng)價(jià)17-18
• 1.1.6 中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)展的區(qū)域特征18
• 1.2.研究的目的和意義18-20
• 1.2.1 為我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)展的合理布局提供參考18-19
• 1.2.2 因地制宜，研究戶用沼氣發(fā)酵原料的最佳投料方案19-20
• 1.3 國(guó)內(nèi)外戶用沼氣發(fā)展概述20-22
• 1.3.1 混合發(fā)酵生產(chǎn)沼氣發(fā)展歷程20-21
• 1.3.2 我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)展歷程21-22
• 1.4 發(fā)展農(nóng)村發(fā)展戶用沼氣的機(jī)遇與挑戰(zhàn)22-23
• 第二章 材料與方法23-28
• 2.1 試驗(yàn)材料23
• 2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及技術(shù)路線23-25
• 2.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源23
• 2.2.2 發(fā)酵原料配比表23-25
• 2.3 實(shí)驗(yàn)裝置25-26
• 2.4 試驗(yàn)方法26-28
• 2.4.1 原料的預(yù)處理26
• 2.4.2 指標(biāo)的測(cè)定26-28
• 第三章 中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域化發(fā)展特征28-34
• 3.1 前言28-30
• 3.2 數(shù)據(jù)與方法30
• 3.3 結(jié)果與分析30-33
• 3.3.1 2009-2012年中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)展概況30-32
• 3.3.2 我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域化發(fā)展特征32-33
• 3.4 小結(jié)33-34
• 第四章 灰色關(guān)聯(lián)分析影響我國(guó)農(nóng)村戶用區(qū)域化發(fā)展的主導(dǎo)因素34-49
• 4.1 引言34
• 4.2 數(shù)據(jù)與方法34-35
• 4.3 結(jié)果與分析35-47
• 4.3.1 溫度對(duì)我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域化發(fā)展的影響36-39
• 4.3.2 原料對(duì)我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域化發(fā)展的影響39-44
• 4.3.3 人均收入對(duì)我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域化發(fā)展的影響44-45
• 4.3.4 人口數(shù)量對(duì)我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域化發(fā)展的影響45-46
• 4.3.5 教育水平對(duì)我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域化發(fā)展的影響46-47
• 4.4 小結(jié)47-49
• 第五章 單一原料低溫發(fā)酵產(chǎn)氣特性研究49-55
• 5.1 前言49
• 5.2 材料與方法49-50
• 5.3 結(jié)果與分析50-53
• 5.3.1 15℃發(fā)酵條件下單一原料發(fā)酵產(chǎn)氣特性50
• 5.3.2 15℃發(fā)酵條件下單一原料發(fā)酵過(guò)程中pH、VFAs的變化50-52
• 5.3.3 25℃發(fā)酵條件下單一原料發(fā)酵產(chǎn)氣特性52
• 5.3.4 25℃發(fā)酵條件下單一原料發(fā)酵過(guò)程中pH、VFAs的變化52-53
• 5.4 討論53-54
• 5.5 小結(jié)54-55
• 第六章 秸稈混合發(fā)酵配比研究55-63
• 6.1 前言55
• 6.2 材料與方法55
• 6.3 結(jié)果與分析55-61
• 6.3.1 15℃發(fā)酵條件下玉米/小麥秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性55-56
• 6.3.2 15℃發(fā)酵條件下玉米/水稻秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性56-57
• 6.3.3 15℃發(fā)酵條件下小麥/水稻秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性57-58
• 6.3.4 25℃發(fā)酵條件下玉米/小麥秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性58-59
• 6.3.5 25℃發(fā)酵條件下玉米/水稻秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性59-60
• 6.3.6 25℃發(fā)酵條件下小麥/水稻秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性60-61
• 6.4 討論61-62
• 6.5 小結(jié)62-63
• 第七章 糞便混合發(fā)酵配比研究63-71
• 7.1 前言63
• 7.2 材料與方法63
• 7.3 結(jié)果與分析63-69
• 7.3.1 15℃發(fā)酵條件下豬糞/牛糞混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性63-64
• 7.3.2 15℃發(fā)酵條件下豬糞/羊糞混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性64-65
• 7.3.3 15℃發(fā)酵條件下牛糞/羊糞混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性65-66
• 7.3.4 25℃發(fā)酵條件下豬糞/牛糞混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性66-67
• 7.3.5 25℃發(fā)酵條件下豬糞/羊糞混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性67-68
• 7.3.6 25℃發(fā)酵條件下牛糞/羊糞混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性68-69
• 7.4 討論69-70
• 7.5 小結(jié)70-71
• 第八章 秸稈與糞便混合發(fā)酵配比研究71-92
• 8.1 前言71
• 8.2 材料與方法71-72
• 8.3 結(jié)果與分析72-90
• 8.3.1 15℃發(fā)酵條件下豬糞與三種秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性72-75
• 8.3.2 15℃發(fā)酵條件下牛糞與三種秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性75-78
• 8.3.3 15℃發(fā)酵條件下羊糞與三種秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性78-81
• 8.3.4 25℃發(fā)酵條件下豬糞與三種秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性81-84
• 8.3.5 25℃發(fā)酵條件下牛糞與三種秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性84-87
• 8.3.6 25℃發(fā)酵條件下羊糞與三種秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性87-90
• 8.4 討論90-91
• 8.5 小結(jié)91-92
• 8.5.1 15℃條件下糞便與秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性91
• 8.5.2 25℃條件下糞便與秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性91-92
• 第九章 農(nóng)村戶用沼氣分區(qū)與投料方案研究92-99
• 9.1 引言92
• 9.2 結(jié)果與分析92-97
• 9.2.1 中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣區(qū)域化發(fā)展特征92-93
• 9.2.2 15℃條件下不同發(fā)酵原料產(chǎn)氣特性對(duì)比93-94
• 9.2.3 25℃條件下不同發(fā)酵原料產(chǎn)氣特性對(duì)比94-95
• 9.2.4 中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣分區(qū)投料配比方案95-97
• 9.3 小結(jié)97-99
• 第十章 優(yōu)化 15℃、25℃條件下羊糞/水稻秸稈 9:1 和牛糞/小麥秸稈 7:399-111
• 10.1 引言99
• 10.2 材料與方法99-101
• 10.2.1 發(fā)酵原料99
• 10.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)99-100
• 10.2.3 試驗(yàn)方法100-101
• 10.2.4 數(shù)據(jù)分析101
• 10.3 結(jié)果與分析101-109
• 10.3.1 15℃條件下，優(yōu)化羊/稻 9:1 混合發(fā)酵工藝參數(shù)101-105
• 10.3.2 25℃條件下，優(yōu)化牛/麥 7:3 混合發(fā)酵工藝參數(shù)105-109
• 10.4 討論109
• 10.5 小結(jié)109-111
• 第十一章 全文結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)111-113
• 11.1 全文結(jié)論111-112
• 11.2 創(chuàng)新點(diǎn)112-113
• 參考文獻(xiàn)113-119
• 致謝119-121
• 作者簡(jiǎn)介121

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