Highlights•Continuous dry fermentat

Highlights

•
Continuous dry fermentation of swine manure for biogas production is feasible.
•
The feedstock TS concentration exerted a significant impact on biogas production.
•
Influences of ammonia and digestate liquidity were investigated in this study.
•
The results showed that the feedstock TS of swine manure should not exceed 30%.




Abstract

A down plug-flow anaerobic reactor (DPAR) was designed for the feasibility study on continuous dry fermentation of swine manure without any additional stirring. Using fresh swine manure as the feedstock with TS concentration (w/w) of 20%, 25%, 30%, and 35%, stable volumetric biogas production rates of 2.40, 1.92, 0.911, and 0.644 L·(L d)−1 and biogas yields of 0.665, 0.532, 0.252, and 0.178 L g−1VS were obtained respectively, and the TS degradation rates were 46.5%, 45.4%, 53.2%, and 55.6%, respectively. With the increase of feedstock TS concentration, the concentration of ammonia nitrogen grew up to the maximum value of 3500 mg L−1. Biogas production was obviously inhibited when the concentration of ammonia nitrogen was above 3000 mg L−1. The maximal volumetric biogas production rate of 2.34 L·(L d)−1 and biogas yield of 0.649 L g−1VS were obtained with TS concentration of 25% at 25 °C without inhibition. Liquidity experiments showed that TS concentration of digestate could be less than 15.8%, and the flow rate of digestate more than 0.98 m s−1 when the feedstock TS concentration was less than 35%, which indicated the digestate could be easily discharged from a DPAR. Therefore, it is feasible to conduct a continuous dry fermentation in a DPAR using fresh swine manure as the feedstock with TS concentration less than 35%, whereas the feedstock TS concentration should not exceed 30% to achieve the maximal biogas production rate and biogas yield.



Keywords
Ammonia inhibition;
Biogas;
Down plug-flow anaerobic reactor (DPAR);
Dry fermentation;
Swine manure


1. Introduction

In recent years, intensive animal breeding farms produce a large quantity of manure in a restricted area, which posed serious pressure on environment. Therefore, finding effective methods of treatment and application is quite urgent. At present, biogas fermentation is a widely employed process for the treatment of swine manure (De Bere, 2000, Fierro et al., 2014 and Lu et al., 2007).

Biogas fermentation processes are classified into wet fermentations (TS concentration less than 10%) (Deng et al., 2014), semi-dry fermentations (TS concentration ranging from 10% to 20%) (Bolzonella et al., 2003 and Dong et al., 2010), and dry fermentations (TS concentration more than 20%) (Abouelenien et al., 2009 and Kusch et al., 2008). Dry fermentation has attracted increasingly extensive attentions in the studies of biogas fermentation with advantages of water-saving, convenient operation, high yields, high fermentation slurry concentration, and better energy-recovery (Fdez-Güelfo et al., 2010, Kafle and Kim, 2013 and Yabu et al., 2011). However, since swine manure is high in nitrogen content, substantive ammonia nitrogen may accumulate and then inhibit the biogas fermentation process (El-Mashad et al., 2004, Hansen et al., 1999 and Strik et al., 2006). Wet fermentation of swine manure became the focus of previous researches because of less ammonia inhibition, whereas dry fermentation gained less attention. Nevertheless, biogas production from separated pig slurry solids is more profitable than using untreated raw slurry because there is a higher CH4 potential per unit fresh matter (Hothan et al., 2013). In the meantime, considered the specificity of the dry fermentation feedstock, batch fermentation and two-phase fermentation processes were mostly adopted for the study on dry biogas fermentation (Abouelenien et al., 2009, Borja et al., 2003, Kusch et al., 2008, Massé et al., 2003 and Yabu et al., 2011). A batch fermentation process is not suitable for industrial-scale production due to its complex operation (Ahn et al., 2010, Guendouz et al., 2010 and Lantz, 2012). The two-phase fermentation process can regulate the content of organic acid during methane-generating phase, thus enhancing methane production rate and removal rate of volatile fatty acids (VFA). However, in two-phase fermentation process, the separation of acid-producing and methane-generating phases is not easy to achieve, and it also requires high cost for installation, resulting in its limited application. Moreover, stirring is responsible for up to 54% of the power consumption of current biogas plants (Kowalczyk et al., 2013). Consequently, the development of a continuous dry fermentation process used in a swine manure treatment plant is quite essential.

The selected type for digesters depends on operational factors, including the nature of the waste to be treated, e.g. its solid content. Typically, plug-flow digesters are suitable for ruminant animal excreta with high solid concentrations (Hilkiah Igoni et al., 2008). Most applied technologies for dry processes are Dranco, Valorga, Linde and Kompogas, all working in the range 30–40% of total solids in the reactor feeding (Lissens et al., 2001).

In this study, a down plug-flow anaerobic reactor (DPAR) treating swine manure without any additional stirring was constructed with the feedstock TS concentration of 20–35% to investigate biogas yield, ammonia inhibition, digestate liquidity, and the feasibility of continuous dry fermentation of swine manure for biogas production.

2. Material and methods

2.1. Swine manure and inoculation sludge

Fresh swine manure was used as the feedstock in this study, taken from a pig farm in central Sichuan Province, China. The inoculation sludge was collected from an anaerobic digester for the treatment of swine waste in our laboratory. Table 1 shows the characteristics of the swine manure (SM) and inoculation sludge (IS).





Table 1.
The characteristics of swine manure (SM) and inoculation sludge (IS).














Item

pH

TS (%)

VS/TS (%)

NH4+–N (mg L−1)

TKN/TS (%)

TC/TS (%)

TP/TS (%)

Ca/TS (%)

Fe/TS (%)

C/N


SM 7.32 23.6 81.3 400 2.28 32.9 2.12 1.96 0.21 14.5
IS 7.55 7.65 57.1 395.3 — — — — — —


NH4+–N: Ammonia Nitrogen; TKN: Total Kjeldahl Nitrogen; TC: Total Carbon; TP: Total Phosphorus.


Table options








2.2. Experimental set-up

An anaerobic reactor was designed (defined as a down plug-flow anaerobic reactor, DPAR) with a feeding inlet (internal diameter of 20 mm) on the top and a digestate outlet (internal diameter of 20 mm) at the bottom (Fig. 1). The reactor was a double-layer cylinder made of plexiglass with a height of 375 mm and an internal diameter of 125 mm. The total volume of DPAR was 5.0 L, while its effective volume was 4.5 L. In the experiment, the swine manure was fed into the DPAR through the inlet on the top and the digestate was discharged through the outlet at the bottom. Additionally, circulating hot water in water bath jacket was used for thermal control.


Diagrammatic sketch of the down plug-flow anaerobic reactor (DPAR).
Fig. 1.
Diagrammatic sketch of the down plug-flow anaerobic reactor (DPAR).

Figure options







In accord with the objective of the experiment, the TS concentration of the swine manure was adjusted to 20%, 25%, 30%, and 35% by oven-drying, air-drying, and adding water to prepare the feedstock.

During the startup of the experiment, the reactor was filled up with 4.5 L inoculation sludge (TS concentration of 7.65%) and was placed at the temperature of 25 ± 2 °C in water bath for 5 days for the purpose of activating sludge. At first, with temperature of 18–20 °C and organic loading rate (OLR) of 4.44 gTS·(L d)−1, fresh swine manure with TS concentration of 20% was loaded into the DPAR. After the indexes stabilized (67 d), the temperature was maintained at 25 ± 2 °C with the same organic load, and the feedstock with TS concentrations of 25%, 30%, and 35% were loaded successively and the corresponding indexes were determined. In each test, swine manure with a different TS concentration (20%, 25%, 30%, or 35%) was used as the feedstock, and the amount of fresh manure was 100, 80.0, 66.7, and 57.2 g, respectively, accordingly the hydraulic retention time (HRT) was 56.2, 75.0, 96.3, and 121 d. In all instances, the amount of feeding equaled to that of discharging every day. The durations of the experiments were determined by the feeding rate and stability of biogas production, which were 67 d, 46 d, 37 d, and 42 d with feedstock TS concentrations of 20%, 25%, 30% and 35%, respectively. The whole experiment was conducted for 190 d, and feeding and discharging were carried out once a day. Moreover, biogas production and the pH value were measured once a day, the concentrations of TS and ammonia nitrogen in the discharged sludge were determined every two days, and the composition of the collected biogas was analyzed once the biogas container was full (13 L).

2.3. Analytical methods

The biogas production was measured by a wet-type gas flow meter (LML-1, China). The composition of biogas was determined by a biogas component analyzer (ADOS401, Germany). The pH value was analyzed using an acidometer (pHS-3C+, China). The determinations of total solid (TS) and volatile solid (VS) were measured as follows. Firstly, the sample was dried by a thermostat oven (CS101.2, China) at 105 ± 2 °C to stable weight, and then the TS concentration was calculated. Secondly, the sample was burned in a muffle furnace (KSL-1100X, China) at 550 ± 20 °C, and then the VS concentration was also calculated (APHA, 2012). The concentration of ammonia nitrogen was determined by the UV–VIS spectrophotometer (UV-2450, SHIMADZU, Japan). Digestate liquidity was measured in the following steps: the digestate from the reactors with various feedstock TS concentrations was collected, then mixed and prepared. In the DPAR, given the stable temperature at 25 ± 2 °C, a fixed liquid level and volume of di

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ไฮไลท์•เป็นไปได้อย่างต่อเนื่องแห้งหมักมูลสุกรสำหรับการผลิตก๊าซชีวภาพได้•ความเข้มข้นของวัตถุดิบ TS นั่นเองผลกระทบสำคัญในการผลิตก๊าซชีวภาพ•อิทธิพลของสภาพคล่องแอมโมเนียและ digestate ถูกตรวจสอบในการศึกษานี้•ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า วัตถุดิบ TS ของมูลสุกรไม่ควรเกิน 30%บทคัดย่อการลง plug-ขั้นตอนไม่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ (DPAR) ถูกออกแบบมาสำหรับการศึกษาความเป็นไปได้อย่างต่อเนื่องแห้งหมักมูลสุกรโดยไม่กวนใด ๆ เพิ่มเติม ใช้มูลสุกรสดเป็นวัตถุดิบกับ TS ความเข้มข้น (w/w) ของ 20%, 25%, 30%, 35% อัตราการผลิตก๊าซชีวภาพ volumetric 2.40, 1.92, 0.911 และ 0.644 L· ที่มั่นคง −1 (L d) และผลผลิตก๊าซชีวภาพ 0.665, 0.532, 0.252 และ 0.178 L g−1VS ได้รับตามลำดับ และอัตราการสลายตัว TS มี 46.5%, 45.4%, 53.2%, 55.6% ตามลำดับ มีการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของ TS วัตถุดิบ ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนโตขึ้นถึงค่าสูงสุดของ 3500 mg L−1 ผลิตก๊าซชีวภาพได้ห้ามอย่างชัดเจนเมื่อความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนข้าง 3000 mg L−1 อัตราการผลิตก๊าซชีวภาพ volumetric สูงสุดของ 2.34 L· −1 (L d) และก๊าซชีวภาพผลผลิตของ 0.649 L g−1VS ได้รับกับความเข้มข้นของ TS 25% ที่ 25 ° C โดยไม่ยับยั้ง ทดลองสภาพคล่องพบว่า TS ความเข้มข้นของ digestate อาจจะน้อยกว่า 15.8% และอัตราการไหลของ digestate มากกว่า s−1 0.98 m เมื่อวัตถุดิบ TS ความเข้มข้น น้อยกว่า 35% ซึ่งระบุ digestate ที่สามารถจะเดินออกจาก DPAR ได้ ดังนั้น จึงสามารถดำเนินการหมักแห้งอย่างต่อเนื่องใน DPAR ที่ใช้มูลสุกรสดเป็นวัตถุดิบกับ TS ความเข้มข้นน้อยกว่า 35% ในขณะที่ความเข้มข้นของวัตถุดิบ TS ไม่ควรเกิน 30% เพื่อให้ได้อัตราการผลิตก๊าซชีวภาพสูงสุดและผลผลิตก๊าซชีวภาพคำสำคัญยับยั้งการเปลี่ยนแอมโมเนีย ก๊าซชีวภาพ ลงเครื่องปฏิกรณ์ไร้อากาศแบบไหลปลั๊ก (DPAR); หมักแห้ง มูลสุกร1. บทนำในปีที่ผ่านมา ฟาร์มเพาะพันธุ์สัตว์เร่งรัดผลิตจำนวนมากของมูลในพื้นที่จำกัด ซึ่งทำให้เกิดแรงดันอย่างจริงจังในสภาพแวดล้อม ดังนั้น ค้นหาวิธีรักษาและการประยุกต์ใช้ผลได้ค่อนข้างเร่งด่วน ปัจจุบัน หมักก๊าซชีวภาพเป็นกระบวนการที่เจ้าของกันอย่างแพร่หลายสำหรับการบำบัดมูลสุกร (เด Bere, 2000, Fierro et al., 2014 และ Lu et al., 2007)กระบวนการหมักก๊าซชีวภาพแบ่งน้ำหมักแหนม (TS ความเข้มข้นน้อยกว่า 10%) (เต็ง et al., 2014), กึ่งแห้งหมักแหนม (TS ความเข้มข้นตั้งแต่ 10% ถึง 20%) (Bolzonella et al., 2003 และ Dong et al., 2010), และแห้งหมักแหนม (TS ความเข้มข้นมากกว่า 20%) (Abouelenien et al., 2009 และ Kusch et al., 2008) หมักแห้งมีดึงดูด attentions อย่างละเอียดมากขึ้นในการศึกษาการหมักก๊าซชีวภาพมีข้อได้เปรียบของการ ประหยัดน้ำ สะดวก อัตราผลตอบแทนสูง ความเข้มข้นของน้ำหมักสูง และดีพลังงานกู้คืน (Fdez Güelfo et al., 2010, Kafle และ คิม 2013 และ Yabu et al., 2011) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมูลสุกรในเนื้อหาไนโตรเจน ไนโตรเจนแอมโมเนียเราอาจสะสม และยับยั้งกระบวนการหมักก๊าซชีวภาพแล้ว (El Mashad et al., 2004, al. แฮนเซ่นร้อยเอ็ด 1999 และ Strik et al., 2006) น้ำหมักมูลสุกรเป็น จุดเน้นของงานวิจัยก่อนหน้านี้เนื่องจากยับยั้งน้อยแอมโมเนีย ขณะหมักแห้งได้รับความสนใจน้อย อย่างไรก็ตาม ผลิตก๊าซชีวภาพจากหมูแยกสารละลายของแข็งจะมีกำไรมากขึ้นกว่าการใช้น้ำดิบไม่ถูกรักษาได้เนื่องจากมีศักยภาพ CH4 สูงต่อหน่วยเรื่องสด (Hothan et al., 2013) ในขณะเดียวกัน ถือ specificity วัตถุดิบหมักแห้ง ชุดหมักและกระบวนการหมัก two-phase ถูกส่วนใหญ่นำมาใช้เพื่อการศึกษาการหมักก๊าซชีวภาพแห้ง (Abouelenien et al., 2009, al. et Borja, 2003, Kusch et al., 2008, Massé และ al., 2003 และ Yabu et al., 2011) กระบวนการหมักชุดนี้ไม่เหมาะสำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรมเนื่องจากการดำเนินการที่ซับซ้อน (อาห์น et al., 2010, Guendouz et al., 2010 และ Lantz, 2012) หมัก two-phase สามารถควบคุมเนื้อหาของกรดอินทรีย์ในระหว่างการสร้างมีเทนระยะ เพิ่มอัตราการผลิตมีเทนและอัตราการกำจัดกรดไขมันระเหย (VFA) ดัง นั้น อย่างไรก็ตาม ใน two-phase หมัก แยกระยะ ผลิตกรด และ สร้างมีเทนไม่ง่ายเพื่อให้บรรลุ และยังต้องการต้นทุนที่สูงสำหรับการติดตั้ง ในโปรแกรมประยุกต์ของจำกัด นอกจากนี้ กวนรับผิดชอบถึง 54% ของการใช้พลังงานของโรงงานก๊าซชีวภาพปัจจุบัน (Kowalczyk et al., 2013) ดังนั้น การพัฒนากระบวนการหมักแห้งอย่างต่อเนื่องที่ใช้ในโรงงานบำบัดมูลสุกรจะค่อนข้างสำคัญเลือกชนิดสำหรับ digesters ขึ้นอยู่กับปัจจัยในการดำเนินงาน รวมถึงของเสียได้รับ เช่นเนื้อหาของของแข็ง ทั่วไป ต่อกระแส digesters จะเหมาะสำหรับ excreta ruminant สัตว์ที่มีความเข้มข้นของแข็งสูง (Hilkiah Igoni et al., 2008) ส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีสำหรับกระบวนการแห้งมี Dranco, Valorga, Linde และ Kompogas ทำงานในช่วง 30 – 40% ของของแข็งทั้งหมดในเครื่องปฏิกรณ์ที่ให้อาหาร (Lissens et al., 2001)ในการศึกษานี้ การลงปลั๊กขั้นตอนไม่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ (DPAR) รักษามูลสุกรโดยไม่กวนใด ๆ เพิ่มเติมถูกสร้างขึ้น ด้วยความเข้มข้นของวัตถุดิบ TS 20 – 35% เพื่อตรวจสอบผลผลิตก๊าซชีวภาพ ยับยั้งแอมโมเนีย สภาพคล่อง digestate และความเป็นไปได้ของอย่างต่อเนื่องแห้งหมักมูลสุกรสำหรับการผลิตก๊าซชีวภาพ2. วัสดุและวิธีการ2.1. สุกรมูลและ inoculation ตะกอนมีใช้มูลสุกรสดเป็นวัตถุดิบในการศึกษานี้ นำมาจากฟาร์มหมูในกลางมณฑลเสฉวน จีน ตะกอน inoculation รวบรวมจาก digester ที่ไม่ใช้ออกซิเจนในการบำบัดของเสียในสุกรในห้องปฏิบัติการของเรา ตารางที่ 1 แสดงลักษณะของมูลสุกร (SM) และตะกอน inoculation (IS)ตารางที่ 1 ลักษณะของมูลสุกร (SM) และตะกอน inoculation (IS)สินค้าค่า pHTS (%)TS VS (%)NH4 + – N (mg L−1)TS TKN (%)TS TC (%)TP/TS (%)TS Ca (%)TS Fe (%)C/Nเอสเอ็ม 7.32 23.6 81.3 400 2.28 32.9 2.12 1.96 0.21 14.5 เป็น 7.55 7.65 57.1 395.3 — — — — — — NH4 + – n:แอมโมเนียไนโตรเจน TKN: Kjeldahl ไนโตรเจน TC: คาร์บอนรวม TP: รวมฟอสฟอรัสตัวเลือกตาราง2.2 การทดลองติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่ใช้ออกซิเจนถูกออกแบบมา (กำหนดเป็นตัวลงกระแสปลั๊กไม่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ DPAR) กับทางเข้าของอาหาร (ภายในเส้นผ่าศูนย์กลาง 20 มม.) ทางด้านบนเป็นร้าน digestate (ภายในเส้นผ่าศูนย์กลาง 20 มม.) ด้าน (Fig. 1) ปล่อยเป็นทรงกระบอกสองชั้นทำ plexiglass สูง 375 มม.และเส้นผ่าศูนย์กลางภายใน 125 มม. ปริมาตรรวมของ DPAR อยู่ 5.0 L ขณะที่ปริมาณผลได้ 4.5 L. ในการทดลอง มูลสุกรได้รับ DPAR ผ่านทางเข้าของด้านบน และ digestate ที่ออกผ่านร้านที่ด้านล่าง นอกจากนี้ การหมุนเวียนน้ำร้อนในเสื้ออาบน้ำใช้สำหรับการควบคุมความร้อนร่าง diagrammatic ของลงกระแสปลั๊กไม่ใช้ปล่อย (DPAR)Fig. 1 ร่าง diagrammatic ของลงกระแสปลั๊กไม่ใช้ปล่อย (DPAR)ตัวเลือกรูปในสอดคล้องกับวัตถุประสงค์ของการทดลอง TS ความเข้มข้นของมูลสุกรถูกปรับ 20%, 25%, 30%, 35% และ ด้วยเตาอบแห้ง air-drying และเพิ่มน้ำเพื่อจัดเตรียมวัตถุดิบในระหว่างการเริ่มต้นทดลอง ปล่อยได้เต็ม ด้วยตะกอน inoculation 4.5 L (เข้มข้น TS 7.65%) และวางไว้ที่อุณหภูมิ 25 ± 2 ° C ในอ่างน้ำสำหรับ 5 วันเพื่อเรียกใช้ตะกอน ครั้งแรก มีอุณหภูมิ 18 – 20 องศาเซลเซียส และอินทรีย์อัตราการโหลด (OLR) ของ 4.44 gTS· −1 (L d) มูลสุกรสด มีความเข้มข้นของ TS 20% ถูกโหลดไป DPAR หลังจากที่ดัชนีเสถียร (67 d), อุณหภูมิเก็บรักษาที่ 25 ± 2 ° C มีภาระอินทรีย์เดียว และวัตถุดิบที่ มีความเข้มข้นของ TS 25%, 30% และ 35% ถูกโหลดติด ๆ กัน และมีกำหนดดัชนีที่สอดคล้องกัน ในการทดสอบแต่ละ มูลสุกรกับเข้มข้น TS ต่าง ๆ (20%, 25%, 30% หรือ 35%) ถูกใช้เป็นวัตถุดิบ ปริมาณมูลสด มี 100, 80.0, 66.7, 57.2 g ตามลำดับ ตาม เวลาคงไฮดรอลิก (HRT) เป็น 56.2, 75.0, 96.3 และ 121 d ในอินสแตนซ์ทั้งหมด จำนวนอาหารตอนที่ปล่อยทุกวัน ระยะเวลาการทดลองถูกกำหนด โดยการให้อาหารอัตราและเสถียรภาพของการผลิตก๊าซชีวภาพ ซึ่ง มี 67 d, 46 d, 37 d, 42 d มีความเข้มข้นของ TS วัตถุดิบ 20%, 25%, 30% และ 35% ตามลำดับ ทดลองทั้งหมดถูกดำเนินการสำหรับ 190 d และให้อาหาร และปล่อยได้ทำวันละครั้ง นอกจากนี้ การผลิตก๊าซชีวภาพและค่า pH ที่วัดหนึ่งครั้งต่อวัน ความเข้มข้นของ TS และแอมโมเนียไนโตรเจนในตะกอน discharged ได้กำหนดทุกวันสอง และองค์ประกอบของก๊าซชีวภาพที่รวบรวมได้วิเคราะห์เมื่อบรรจุก๊าซชีวภาพได้เต็ม (13 L)2.3 การวิเคราะห์วิธีการผลิตก๊าซชีวภาพถูกวัด ด้วยเครื่องวัดการไหลก๊าซชนิดเปียก (รักของฉันชีวิต-1 จีน) องค์ประกอบของก๊าซชีวภาพที่ถูกกำหนด โดยการวิเคราะห์ส่วนประกอบการก๊าซชีวภาพ (ADOS401 เยอรมนี) ค่า pH ได้วิเคราะห์โดยใช้การ acidometer (pHS-3 C + จีน) Determinations ของแข็งรวม (TS) และของแข็งระเหย (VS) มีวัดดัง ประการแรก ตัวอย่างที่แห้ง ด้วยอุณหภูมิเตาอบ (CS101.2 จีน) ที่ 105 ± 2 ° C น้ำหนักมั่นคง และจากนั้น คำนวณความเข้มข้นของ TS ประการที่สอง ตัวอย่างถูกไฟไหม้เตาเตา (ยะโฮร์-1100 X จีน) ที่ 550 ± 20 ° C แล้ว ความเข้มข้น VS ถูกยังคำนวณ (อาภา 2012) ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนที่ถูกกำหนด โดยเครื่องทดสอบกรดด่าง UV – VIS (UV-2450, SHIMADZU ญี่ปุ่น) เป็นวัดสภาพคล่อง Digestate ในขั้นตอนต่อไปนี้: digestate จากเตาปฏิกรณ์มีความเข้มข้นของวัตถุดิบที่ TS ต่าง ๆ ถูกรวบรวม ผสม แล้วเตรียมการ ใน DPAR กำหนดอุณหภูมิคงที่ 25 ± 2 ° C ระดับของเหลวคงที่ และปริมาณของดี

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

ไฮไลท์•หมักอย่างต่อเนื่องแห้งของมูลสุกรในการผลิตก๊าซชีวภาพเป็นไปได้. •ความเข้มข้นวัตถุดิบ TS กระทำมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญในการผลิตก๊าซชีวภาพ. •อิทธิพลของแอมโมเนียและสภาพคล่องที่ย่อยสลายได้รับการตรวจสอบในการศึกษานี้. •ผลการศึกษาพบว่าวัตถุดิบ TS สุกร ปุ๋ยไม่ควรเกิน 30%. บทคัดย่อลงปลั๊กอินการไหลแบบไม่ใช้ออกซิเจนเครื่องปฏิกรณ์ (DPAR) ได้รับการออกแบบสำหรับการศึกษาความเป็นไปได้อย่างต่อเนื่องในการหมักแห้งของมูลสุกรโดยไม่ต้องกวนเพิ่มเติมใด ๆ การใช้ปุ๋ยมูลสุกรสดเป็นวัตถุดิบที่มีความเข้มข้น TS (w / w) 20%, 25%, 30% และ 35% ที่มีความเสถียรอัตราการผลิตก๊าซชีวภาพปริมาตร 2.40, 1.92, 0.911 และ 0.644 L · (L ง) - 1 และอัตราผลตอบแทนของการผลิตก๊าซชีวภาพ 0.665, 0.532, 0.252 และ 0.178 กรัม L-1VS ที่ได้รับตามลำดับและอัตราการย่อยสลายทีเอสเป็น 46.5%, 45.4%, 53.2% และ 55.6% ตามลำดับ ด้วยการเพิ่มความเข้มข้นของวัตถุดิบ TS ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนเพิ่มขึ้นถึงค่าสูงสุด 3500 มก. L-1 ผลิตก๊าซชีวภาพเป็นยับยั้งอย่างเห็นได้ชัดเมื่อความเข้มข้นของไนโตรเจนแอมโมเนียสูงกว่า 3000 mg L-1 ก๊าซชีวภาพปริมาตรอัตราการผลิตสูงสุด 2.34 L · (L d) -1 และผลผลิตก๊าซชีวภาพ 0.649 กรัม L-1VS ที่ได้รับมีความเข้มข้น TS 25% ที่ 25 ° C โดยไม่ยับยั้ง สภาพคล่องการทดลองแสดงให้เห็นว่ามีความเข้มข้นของการย่อยสลายทีเอสอาจจะน้อยกว่า 15.8% และอัตราการไหลของย่อยสลายมากกว่า 0.98 มิลลิวินาที-1 เมื่อความเข้มข้นของวัตถุดิบทีเอสได้รับน้อยกว่า 35% ซึ่งชี้ย่อยสลายอาจจะออกได้อย่างง่ายดายจาก DPAR ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะดำเนินการอย่างต่อเนื่องหมักแห้งใน DPAR ใช้ปุ๋ยพืชสดหมูเป็นวัตถุดิบที่มีความเข้มข้นน้อยกว่า TS 35% ในขณะที่ความเข้มข้นของวัตถุดิบ TS ไม่ควรเกิน 30% เพื่อให้ได้อัตราการผลิตก๊าซชีวภาพสูงสุดและผลผลิตก๊าซชีวภาพคำสำคัญยับยั้งแอมโมเนีย; ก๊าซชีวภาพ; ลงปลั๊กอินการไหลแบบไม่ใช้ออกซิเจนเครื่องปฏิกรณ์ (DPAR); หมักแห้ง; สุกรปุ๋ย1 บทนำในปีที่ผ่านฟาร์มเพาะพันธุ์สัตว์เข้มข้นผลิตปริมาณมากของปุ๋ยในพื้นที่ที่ จำกัด ซึ่งเกิดความกดดันอย่างรุนแรงต่อสภาพแวดล้อม ดังนั้นการหาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการรักษาและการประยุกต์ใช้ค่อนข้างเป็นเรื่องเร่งด่วน ในปัจจุบันการหมักก๊าซชีวภาพเป็นกระบวนการจ้างงานกันอย่างแพร่หลายในการรักษาของมูลสุกร (เดอ Bere 2000 Fierro et al., 2014 และ Lu et al., 2007). กระบวนการหมักก๊าซชีวภาพจะแบ่งออกเป็นกระบวนการหมักเปียก (ความเข้มข้น TS น้อยกว่า 10%) (เติ้ง et al., 2014) การหมักแหนมกึ่งแห้ง (ความเข้มข้น TS ตั้งแต่ 10% ถึง 20%) (BOLZONELLA et al., 2003 และดง et al., 2010) และหมักแห้ง (ความเข้มข้น TS มากขึ้น กว่า 20%) (Abouelenien et al., 2009 และ Kusch et al., 2008) หมักแห้งได้ดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวางมากขึ้นในการศึกษาของการหมักก๊าซชีวภาพมีข้อดีของการประหยัดน้ำ, การทำงานสะดวก, ผลตอบแทนสูง, ความเข้มข้นของสารละลายหมักสูงกว่าและดีกว่าการกู้คืนพลังงาน (Fdez-Guelfo et al., 2010 Kafle และคิม ปี 2013 และยาบุ et al., 2011) อย่างไรก็ตามเนื่องจากปุ๋ยหมูสูงในปริมาณไนโตรเจนแอมโมเนียไนโตรเจนที่สำคัญอาจสะสมแล้วยับยั้งกระบวนการหมักก๊าซชีวภาพ (El-Mashad et al., 2004, แฮนเซน, et al., 1999 และ STRIK et al., 2006) หมักเปียกของมูลสุกรกลายเป็นจุดสนใจของงานวิจัยก่อนหน้านี้เพราะการยับยั้งแอมโมเนียน้อยลงในขณะที่การหมักแห้งได้รับความสนใจน้อย แต่ผลิตก๊าซชีวภาพจากของแข็งสารละลายหมูแยกออกเป็นผลกำไรมากขึ้นกว่าการใช้สารละลายดิบได้รับการรักษาเพราะมีศักยภาพสูง CH4 ต่อหน่วยไม่ว่าสด (Hothan et al., 2013) ในขณะเดียวกันการพิจารณาความจำเพาะของวัตถุดิบการหมักแห้งหมักชุดและสองเฟสกระบวนการหมักเป็นบุตรบุญธรรมเป็นส่วนใหญ่สำหรับการศึกษาเกี่ยวกับการหมักก๊าซชีวภาพแห้ง (Abouelenien et al., 2009, บอร์ et al., 2003 Kusch et al, 2008 Massé et al., 2003 และยาบุ et al., 2011) กระบวนการหมักชุดไม่เหมาะสำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรมเนื่องจากการทำงานที่ซับซ้อน (Ahn et al., 2010 Guendouz et al., 2010 และ Lantz 2012) กระบวนการหมักสองเฟสสามารถควบคุมเนื้อหาของกรดอินทรีย์ในช่วงก๊าซมีเทนที่ก่อให้เกิดจึงเพิ่มอัตราการผลิตก๊าซมีเทนและอัตราการกำจัดของกรดไขมันระเหย (VFA) อย่างไรก็ตามในกระบวนการหมักสองเฟสแยกขั้นตอนการผลิตกรดและก๊าซมีเทนที่ก่อให้เกิดไม่ได้เป็นเรื่องง่ายที่จะประสบความสำเร็จและยังต้องมีค่าใช้จ่ายสูงในการติดตั้งผลในการประยุกต์ใช้ จำกัด นอกจากนี้ยังเป็นผู้รับผิดชอบในการกวนได้ถึง 54% ของการใช้พลังงานของโรงงานก๊าซชีวภาพปัจจุบัน (Kowalczyk et al., 2013) ดังนั้นการพัฒนากระบวนการหมักแห้งอย่างต่อเนื่องที่ใช้ในการบำบัดปุ๋ยหมูเป็นสิ่งสำคัญมาก. ประเภทที่เลือกสำหรับการหมักขึ้นอยู่กับปัจจัยในการดำเนินงานรวมทั้งลักษณะของเสียที่จะได้รับการปฏิบัติเช่นเนื้อหาที่มั่นคง โดยปกติแล้วหมักเสียบไหลเหมาะสำหรับอุจจาระสัตว์เคี้ยวเอื้องที่มีความเข้มข้นสูงที่เป็นของแข็ง (ยาห์ Igoni et al., 2008) เทคโนโลยีที่นำมาใช้ส่วนใหญ่สำหรับกระบวนการแห้ง Dranco, Valorga, Linde และ Kompogas, ทุกคนที่ทำงานอยู่ในช่วง 30-40% ของของแข็งทั้งหมดในการให้อาหารเครื่องปฏิกรณ์ (Lissens et al., 2001). ในการศึกษานี้ลงแบบไม่ใช้ออกซิเจนปลั๊กอินไหล เครื่องปฏิกรณ์ (DPAR) การรักษาปุ๋ยสุกรโดยไม่ต้องกวนเพิ่มเติมใด ๆ ที่ถูกสร้างขึ้นที่มีความเข้มข้นของวัตถุดิบ TS 20-35% ในการตรวจสอบผลผลิตก๊าซชีวภาพยับยั้งแอมโมเนียสภาพคล่องย่อยสลายและความเป็นไปได้ของการหมักแห้งอย่างต่อเนื่องของมูลสุกรในการผลิตก๊าซชีวภาพ. 2 วัสดุและวิธีการ2.1 ปุ๋ยและการให้วัคซีนสุกรตะกอนสดปุ๋ยคอกสุกรถูกนำมาใช้เป็นวัตถุดิบในการศึกษาครั้งนี้นำมาจากฟาร์มหมูในภาคกลางของมณฑลเสฉวนประเทศจีน กากตะกอนที่ได้รับการฉีดวัคซีนที่เก็บรวบรวมได้จากบ่อหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจนในการรักษาของเสียสุกรในห้องปฏิบัติการของเรา ตารางที่ 1 แสดงให้เห็นถึงลักษณะของปุ๋ยหมู (SM) และกากตะกอนการฉีดวัคซีน (IS). ตารางที่ 1 ลักษณะของมูลสุกร (SM) และกากตะกอนการฉีดวัคซีน (IS). รายการที่พีเอชทีเอส(%) VS / TS (%) NH4 + -N (มก. L-1) TKN / TS (%) TC / TS (%) TP / TS (%) Ca / TS (%) เฟ / TS (%) C / N เอสเอ็ม 23.6 81.3 7.32 400 2.28 2.12 1.96 32.9 14.5 0.21 เป็น 7.55 7.65 57.1 395.3 - - - - - - NH4 + -N: แอมโมเนียไนโตรเจน; TKN: รวม Kjeldahl ไนโตรเจน; TC: รวมคาร์บอน; TP. รวมฟอสฟอรัสตัวเลือกตารางที่2.2 การทดลองติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์แบบไม่ใช้ออกซิเจนได้รับการออกแบบ (หมายถึงลงปลั๊กอินการไหลของเครื่องปฏิกรณ์แบบไม่ใช้ออกซิเจน DPAR) ด้วยการเข้าให้อาหาร (เส้นผ่าศูนย์กลางภายใน 20 มิลลิเมตร) ด้านบนและร้านย่อยสลาย (เส้นผ่าศูนย์กลางภายใน 20 มิลลิเมตร) ที่ด้านล่าง (รูปที่ 1). เครื่องปฏิกรณ์เป็นทรงกระบอกสองชั้นทำจากลูกแก้วมีความสูง 375 มมของและขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางภายในของ 125 มิลลิเมตร ปริมาณรวมของ DPAR เป็น 5.0 ลิตรขณะที่ปริมาณที่มีประสิทธิภาพของมันคือ 4.5 ลิตรในการทดลองที่ใส่ปุ๋ยสุกรถูกป้อนเข้า DPAR ผ่านทางเข้าด้านบนและย่อยสลายที่ถูกปลดผ่านเต้าเสียบที่ด้านล่าง นอกจากนี้การไหลเวียนของน้ำร้อนในอ่างน้ำแจ็คเก็ตที่ใช้สำหรับการควบคุมความร้อน. ร่างแผนภาพของลงปลั๊กอินการไหลแบบไม่ใช้ออกซิเจนเครื่องปฏิกรณ์ (DPAR). รูป 1. ร่างแผนภาพของลงปลั๊กอินการไหลแบบไม่ใช้ออกซิเจนเครื่องปฏิกรณ์ (DPAR). รูปที่ตัวเลือกในสอดคล้องกับวัตถุประสงค์ของการทดสอบความเข้มข้น TS ของปุ๋ยสุกรมีการปรับถึง 20%, 25%, 30% และ 35% โดย เตาอบแห้งเครื่องอบแห้งและเติมน้ำเพื่อเตรียมความพร้อมวัตถุดิบ. ในช่วงเริ่มต้นของการทดลองเครื่องปฏิกรณ์ที่ถูกเต็มไปด้วยตะกอนฉีดวัคซีน 4.5 L (ความเข้มข้น TS ของ 7.65%) และถูกวางไว้ที่อุณหภูมิ 25 ± 2 ° C ในอ่างน้ำเป็นเวลา 5 วันเพื่อวัตถุประสงค์ในการเปิดใช้งานตะกอน ตอนแรกที่มีอุณหภูมิ 18-20 องศาเซลเซียสและอัตราภาระอินทรีย์ (โอแอลอา) ของ 4.44 GTS · (L d) -1 มูลสุกรสดที่มีความเข้มข้น TS 20% ถูกโหลดลงใน DPAR หลังจากที่ดัชนีความเสถียร (67 วัน) อุณหภูมิที่ถูกเก็บรักษาไว้ที่ 25 ± 2 ° C ที่มีภาระอินทรีย์เดียวกันและวัตถุดิบที่มีความเข้มข้น TS 25%, 30% และ 35% ถูกโหลดอย่างต่อเนื่องและดัชนีที่เกี่ยวข้องได้รับการพิจารณา . ในการทดสอบแต่ละมูลสุกรที่มีความเข้มข้น TS ที่แตกต่างกัน (20%, 25%, 30% หรือ 35%) ที่ใช้เป็นวัตถุดิบและปริมาณของปุ๋ยสดเป็น 100, 80.0, 66.7 และ 57.2 กรัมตามลำดับ ตามเวลาเก็บกัก (HRT) เป็น 56.2, 75.0, 96.3 และ 121 d ในทุกกรณีปริมาณของอาหารเท่ากับว่าการปฏิบัติทุกวัน ระยะเวลาของการทดลองที่ได้รับการพิจารณาจากอัตราการเลี้ยงลูกด้วยนมและความมั่นคงของผลิตก๊าซชีวภาพซึ่งเป็น 67 D, 46 D, 37 D, และ 42 d ที่มีความเข้มข้นวัตถุดิบ TS 20%, 25%, 30% และ 35% ตามลำดับ การทดลองทั้งหมดถูกดำเนินการสำหรับ 190 D, และการให้อาหารและการปฏิบัติได้ดำเนินการวันละครั้ง นอกจากนี้ยังมีการผลิตก๊าซชีวภาพและค่า pH วัดวันละครั้งความเข้มข้นของทีเอสและไนโตรเจนแอมโมเนียในตะกอนออกจากโรงพยาบาลได้รับการพิจารณาทุกสองวันและองค์ประกอบของก๊าซชีวภาพที่เก็บรวบรวมได้มาวิเคราะห์ครั้งเดียวภาชนะบรรจุก๊าซชีวภาพได้เต็ม (13 ลิตร) . 2.3 วิธีการวิเคราะห์การผลิตก๊าซชีวภาพได้รับการวัดโดยชนิดเปียกวัดการไหลของก๊าซ (LML-1, จีน) องค์ประกอบของก๊าซชีวภาพที่ได้รับการกำหนดโดยการวิเคราะห์องค์ประกอบก๊าซชีวภาพ (ADOS401, เยอรมนี) ค่าพีเอชที่ได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ acidometer (PHS-3C + จีน) พิจารณาของของแข็งทั้งหมด (TS) และสารระเหยที่เป็นของแข็ง (VS) วัดดังต่อไปนี้ ประการแรกตัวอย่างแห้งด้วยเตาอบเทอร์โม (CS101.2, จีน) ที่ 105 ± 2 ° C ถึงน้ำหนักที่มีเสถียรภาพและจากนั้นความเข้มข้น TS ที่คำนวณได้ ประการที่สองตัวอย่างที่ถูกเผาไหม้ในเตาเผา (KSL-1100X, จีน) ที่ 550 ± 20 ° C และจากนั้นความเข้มข้น VS ยังที่คำนวณได้ (APHA 2012) ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนที่ได้รับการกำหนดโดย spectrophotometer UV-VIS (UV-2450, SHIMADZU ญี่ปุ่น) สภาพคล่องย่อยสลายวัดในขั้นตอนต่อไปนี้: ย่อยสลายจากเครื่องปฏิกรณ์ที่มีความเข้มข้นวัตถุดิบต่างๆทีเอสที่ถูกเก็บรวบรวมไว้แล้วผสมและเตรียมความพร้อม ใน DPAR ให้อุณหภูมิคงที่ที่ 25 ± 2 องศาเซลเซียสซึ่งเป็นระดับของเหลวคงที่และปริมาณของดิ

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

-
อย่างต่อเนื่อง ไฮไลท์ของการหมักมูลสุกรแห้งเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพเป็นไปได้ .
-
TS สมาธินั่นเอง วัตถุดิบสำคัญในการผลิตก๊าซชีวภาพ .
-
อิทธิพลของแอมโมเนียและ digestate สภาพคล่อง คือ การศึกษานี้
-
พบว่าวัตถุดิบ TS ของมูลสุกรไม่ควร เกิน 30 %




นามธรรม

ปลั๊กเครื่องปฏิกรณ์ไหลลงถัง ( dpar ) ถูกออกแบบมาสำหรับการศึกษาความเป็นไปได้ในการหมักมูลสุกรแห้งอย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องเพิ่มเติมใด ๆ กวน การใช้มูลสุกรสดเป็นวัตถุดิบกับ TS สมาธิ ( w / w ) 20% , 25% , 30% และ 35% ปริมาตรคงที่อัตราการผลิตก๊าซชีวภาพของ 2.40 , 1.92 , 0.911 และ 0.644 ผมด้วย ( ผม ) − 1 จากผลผลิตของ 0.665 0.532 0.252 , , , 0178 L G − 1vs ได้ตามลำดับ และอัตราการย่อยสลายมี TS 46.5 ร้อยละ 45.4 เปอร์เซ็นต์ 53.2 % และ 55.6 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ ด้วยการเพิ่มขึ้นของวัตถุดิบ ใช้สมาธิ ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนที่เติบโตขึ้นไป มูลค่าสูงสุด 3 , 500 mg L − 1 การผลิตก๊าซชีวภาพเป็นคนยับยั้งเมื่อความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนสูงกว่า 3000 mg L − 1สูงสุดอัตราการผลิตก๊าซชีวภาพอัตรา 2.34 ผมด้วย ( ผม ) − 1 จากผลผลิตของ 0.649 L G − 1vs ได้รับกับ TS ความเข้มข้น 25 % ที่อุณหภูมิ 25 องศา C ไม่มีการยับยั้ง จากการทดลองพบว่า ความเข้มข้นของ digestate TS สภาพคล่องจะน้อยกว่า 15.8 เปอร์เซ็นต์ และอัตราการไหลของ digestate มากกว่า 0.98 M s − 1 เมื่อวัตถุดิบ TS มีค่าน้อยกว่า 35 %ซึ่งแสดง digestate ได้สามารถออกจากโรงพยาบาล dpar . ดังนั้น จึงมีความเป็นไปได้ที่จะดำเนินการอย่างต่อเนื่องแห้งหมักใน dpar ใช้มูลสุกรสดเป็นวัตถุดิบกับ TS ความเข้มข้นน้อยกว่า 35% ส่วนบริษัท TS ความเข้มข้นไม่ควรเกิน 30 % เพื่อให้บรรลุผลสูงสุด อัตราการผลิตก๊าซชีวภาพ ก๊าซชีวภาพ และผลผลิต .





ระบบแอมโมเนีย สารสําคัญ ;
;ปลั๊กเครื่องปฏิกรณ์ไหลลงถัง ( dpar ) ;
แห้งหมักมูลสุกร ;



1 บทนํา

ใน ปี ล่าสุด เข้มข้น การผสมพันธุ์สัตว์ฟาร์มผลิตขนาดใหญ่ปริมาณของปุ๋ยในเขตหวงห้าม ซึ่งถูกวางแรงกดดันอย่างรุนแรงต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นการหาวิธีที่มีประสิทธิภาพของการรักษาและการประยุกต์ใช้ค่อนข้างด่วน ปัจจุบันการหมักก๊าซชีวภาพเป็นอย่างกว้างขวางใช้ในกระบวนการรักษาของมูลสุกร ( เดอเบเร 2000 เมือง et al . , 2014 และ Lu et al . , 2007 ) .

กระบวนการหมักก๊าซชีวภาพแบ่งเปียก fermentations ( TS ความเข้มข้นน้อยกว่า 10 % ) ( เติ้ง et al . , 2010 ) , fermentations กึ่งแห้ง ( TS ความเข้มข้นตั้งแต่ 10% ถึง 20% ) ( bolzonella et al . , 2003 และดง et al . , 2010 )fermentations แห้ง ( TS และความเข้มข้นมากกว่า 20 % ) ( abouelenien et al . , 2009 และคัช et al . , 2008 ) แห้งหมักได้ดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวางมากขึ้นในการศึกษาการหมักก๊าซชีวภาพมีข้อได้เปรียบของการประหยัดน้ํา , สะดวก , ผลผลิตสูง , ความเข้มข้นของสารละลายการหมักสูงและพลังงานที่ดีกว่า ( fdez-g ü elfo et al . , 2010 , kafle และคิม