FASE专辑回顾丨畜禽废弃物资源化与碳中和

文摘三农 2024-12-16 09:17 北京

中国农业大学刘志丹教授、浙江大学林宏建研究员、中国农业大学张帅教授、农业农村部农村经济研究中心金书秦研究员、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所朱志平研究员、河南农业大学胡建军教授、西北农林科技大学姚义清教授、东北农业大学孙勇教授、华中农业大学晏水平教授共同组织了本期专辑，主要关注畜禽废弃物的资源化处理与低碳发展方面的最新进展和观点。本期专辑共有12篇论文，包括来自国内外学者和同行的研究。围绕（1）畜禽养殖粪污源头减排，（2）生物处理，（3）热化学转化，（4）碳捕获、利用与封存，（5）种养一体化模式五个主题进行详细论述，同时提出建议。帮助读者系统了解畜禽养殖低碳发展的研究进展。

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专辑介绍

畜禽废弃物资源化与碳中和专辑由《农业科学与工程前沿》（英文简称FASE）期刊于2023年第10卷第3期出版，本期专辑包括2篇综述、10篇研究论文和1篇特色栏目文章。

目录

1. 碳中和视野下中国畜禽粪污管理

2. 平养鸡舍的活禽群体体重自动监测系统研发与测试

3. 采用计算流体力学模拟多层及标准单层猪舍的氨气扩散

4. 反刍动物瘤胃甲烷排放机理及营养减排策略的研究进展

5. 结合宏基因组学与高通量测序揭示高温高负荷条件下新鲜玉米秸秆产甲烷潜力

6. 碱性预处理与空气混合促进麦秸与鸡粪垃圾厌氧共消化产甲烷

7. 奶牛粪便制备水热炭中重金属的评估

8. 木屑和马铃薯皮吹氧共气化生产合成气的模拟研究

9. 以牛粪为原料的生物质气化过程模拟研究

10. 新“膜法”利用绿色氨水实现沼气高值化

11. 化学沉淀‒CO₂矿化耦合高效去除猪粪沼液污染物

12. 使用光催化钛酸纳米纤维处理絮凝液体消化物中的有机污染物

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· 组稿专家 ·

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刘志丹

中国农业大学环境增值能源实验室教授、博士生导师。长期从事农业农村废弃物处理与能源资源化、能源‒水‒环境‒材料交叉研究。入选2022年国际先进材料学会（IAAM）会士。现任中国农业大学首批青年科学家创新团队负责人，连续入选爱思唯尔中国高被引学者，入选全球前2%顶尖科学家、全球前10万名科学家、中国可再生能源学会优秀青年科技人才、北京市青年拔尖人才。

林宏建

浙江大学农业工程学科研究员。研究方向为智能家禽养殖技术、精准家禽养殖设备、家禽健康和废物管理。在家禽生长数字化模型、家禽养殖智能感知和管理决策等方面取得重要进展。现任中国农业工程学会畜牧工程分会主任，绿色饲料与健康养殖国家工程研究中心成员，农业农村部环境农业装备与信息化重点实验室成员。美国农业与生物工程学会可再生能源专业委员会主席、中国农业机械学会理事、家禽科学学会理事。

张帅

中国农业大学动物科学技术学院教授，博士生导师。现任农业农村部饲料工业中心教研处处长、国家畜牧标准委员会委员、中国高新技术产业化研究会饲料分会常务理事、中国畜牧兽医学会动物营养分会理事、中国畜牧协会智能畜牧分会理事、中国畜牧杂志编委会委员。研究方向为养猪生产中实现精确和可持续营养的数学模型，以及养猪生产中饲养策略和系统的环境影响评价。

金书秦

曾就读于北京科技大学、中国人民大学、荷兰瓦赫宁根大学，2010年获环境经济学博士学位，现任农业农村部农村经济研究中心可持续发展研究处处长、研究员，绿色发展小组首席专家，畜禽废弃物资源化利用技术指导委员会委员，农业资源与环境标准化技术委员会委员，重点流域农业面源污染控制委员会委员。在农业资源经济和环境保护政策方面有10多年的专业经验。

朱志平

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员。2007年获中国农业大学博士学位。参与了家畜粪便处理和利用的研究，研究重点是畜牧业的氨和温室气体减排。农业农村部畜禽粪便资源化利用专家指导委员会成员。

胡建军

教授，河南农业大学机电工程学院院长。现任农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室副主任，担任河南省特聘教授和河南省农业生物环境与能源工程首席科普专家。在生物质能研究和开发领域有着丰富的经验，特别是在农业废弃物的处理和利用、生物质能利用和生物炭土壤改良方面。

姚义清

西北农林科技大学教授，主要研究方向为生物质能源转化与资源利用。曾入选中国“海外高层次人才计划”专家、陕西省“高层次人才计划”专家。在中国兰州大学获得生物能源博士学位。曾在美国华盛顿州立大学生物系统工程系从事博士后助理研究。农业农村部西部农村可再生能源开发利用科学观测实验站副主任，水肥一体化产业联盟副主任，美国化学会会员、美国微生物学会会员。

孙勇

东北农业大学教授，博士生导师。在25年的工作中，专注于寒区气候特征和农业废弃物资源特性研究，致力于农业废弃物资源化利用技术及配套设备的研究。现任黑龙江省农业废弃物综合利用产业技术协同创新与推进体系首席专家，中国农业机械学会能源与动力分会副主任委员，中国可再生能源学会生物质能源专业委员会委员。

晏水平

华中农业大学工学院教授。2009年获浙江大学博士学位。主要研究方向为开发可再生CO₂吸附剂，筛选新型CO₂吸附剂，改造CO₂捕集工艺，实现低成本的沼气、烟气等富CO₂气流中的CO₂捕集，加强CO₂在农业生态系统中的固定。

碳中和视野下中国畜禽粪污管理

LIVESTOCK AND POULTRY MANURE MANAGEMENT FROM THE PERSPECTIVE OF CARBON NEUTRALITY IN CHINA

第一作者：张乐礼、额热艾汗

通讯作者：刘志丹

Email：zdliu@cau.edu.cn

引用此文：

Leli ZHANG, Reaihan E, Mahmoud M. ALI, Hongjian LIN, Shuai ZHANG, Shuqin JIN, Zhiping ZHU, Jianjun HU, Yiqing YAO, Yong SUN, Shuiping YAN, Zhidan LIU. LIVESTOCK AND POULTRY MANURE MANAGEMENT FROM THE PERSPECTIVE OF CARBON NEUTRALITY IN CHINA. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 341‒362 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023509

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摘要：温室效应是全球面临的重大环境危机之一。畜禽养殖业是农业碳排放的重要来源，是气候变化的重要贡献者。在“双碳”战略视角下，本文聚焦于畜禽粪污管理系统，梳理了粪便收集、储存和处理阶段的温室气体及其它有害气体的排放现状，定性分析了粪肥管理技术的碳友好性。此外，与以往畜禽粪污处理相关的综述论文不同的是，本文从“以资源化为导向”的粪污处理思路深入到“以减污降碳协同为导向”的思路，归纳了畜禽粪污碳排放的影响因素及其影响机理，综述了碳交易体系现状及发展潜力，并从不同层面给出畜禽粪污减污降碳的建议和对策，旨在为中国畜禽粪污管理系统碳减排方法学的成立、碳交易体系的形成和发展提供思路。

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平养鸡舍的活禽群体体重自动监测系统研发与测试

DEVELOPMENT OF AN AUTOMATIC WEIGHING PLATFORM FOR MONITORING BODYWEIGHT OF BROILER CHICKENS IN COMMERCIAL PRODUCTION

第一作者：周丹妮

通讯作者：林宏建

Email：linhongjian@zju.edu.cn

引用此文：

Danni ZHOU, Yi ZHOU, Pengguang HE, Lin YU, Jinming PAN, Lilong CHAI, Hongjian LIN. DEVELOPMENT OF AN AUTOMATIC WEIGHING PLATFORM FOR MONITORING BODYWEIGHT OF BROILER CHICKENS IN COMMERCIAL PRODUCTION. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 363‒373 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023510

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摘要：在商品肉鸡生产过程中，鸡群体重相关的指标是衡量生产效率和鸡群健康状况的重要指标之一。目前，商品肉鸡以平养为主，其称重方式以劳动密集型的人工称重为主，费时费力且易造成鸡只应激。本文开发了一种自动、无应激的活禽群体体重自动监测系统，用于监测商业生产中的平养肉鸡体重。系统由称重平台、实时通讯终端、用户端计算机软件和用户端手机小程序等组成。在101批次实际生产条件下的养殖试验中，监测数据与肉鸡（活禽）销售平台称重数据之间的一致性较强，测得系统的平均误差仅为10.3 g，平均精度为99.5%，标准偏差为2.3%。系统对不同生长阶段、饲养季节、生长速率类型和性别均具有较好的稳定性，可用于平养鸡舍肉鸡的群体平均体重、体重均匀度、体重变异系数、日增重等指标的监测，以提高肉鸡生长与健康监测水平及饲养管理的数字化与智能化水平，助力提升平养肉鸡养殖行业的可持续性。

采用计算流体力学模拟多层及标准单层猪舍的氨气扩散

AMMONIA DISPERSION FROM MULTI-FLOOR VERSUS STANDARD SINGLE-FLOOR PIG PRODUCTION FACILITIES BASED ON COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SIMULATIONS

第一作者：辛宜聪

通讯作者：刘德钊

Email：dezhao_l@163.com

引用此文：

Yicong XIN, Li RONG, Gunther SCHAUBERGER, Dejia LIU, Xiusong LI, Zhihua YANG, Songming ZHU, Dezhao LIU. AMMONIA DISPERSION FROM MULTI-FLOOR VERSUS STANDARD SINGLE-FLOOR PIG PRODUCTION FACILITIES BASED ON COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SIMULATIONS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 374‒389 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023501

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摘要：最近，多层猪舍的集约化畜牧生产引起了广泛的关注。而这种集约化的多层猪舍所排放的污染物给当地环境带来了新的挑战。为了比较多层猪舍和单层猪舍排放空气污染物（如氨气）的扩散情况，本文基于计算流体力学三维模型模拟研究了氨气的扩散距离和浓度梯度，主要研究夏季1.5 m高度（近似人体吸入的高度）的风速、风向和排放源浓度的影响。结果表明，在Z = 1.5 m平面上，多层猪舍的氨气扩散距离远大于单层猪舍。当风向为67.5°、风速为2 m·s^‒1、排放源浓度为20 ppmv时，多层猪舍的扩散距离可达1380 m。根据本研究中模拟的源浓度为20 ppmv，为避免对居民造成影响，多层养猪场应设置在距离居民区1.4 km的地方。本研究的结果对未来多层猪舍的发展具有指导意义。

反刍动物瘤胃甲烷排放机理及营养减排策略的研究进展

USING NUTRITIONAL STRATEGIES TO MITIGATE RUMINAL METHANE EMISSIONS FROM RUMINANTS

第一作者：孙健

通讯作者：李蒙蒙

Email：limeng2021@cau.edu.cn

引用此文：

Jian SUN, Guangyong ZHAO, Meng M. LI. USING NUTRITIONAL STRATEGIES TO MITIGATE RUMINAL METHANE EMISSIONS FROM RUMINANTS. 2023, 10(3): 390‒402 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023504

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摘要：畜牧生产过程中排放的甲烷约占全球人为温室气体排放量的14.5%，其中反刍动物胃肠道发酵是甲烷的主要来源。反刍动物瘤胃内大量的微生物（细菌、原虫、真菌和古生菌等）构成互营或者共生关系，其分泌的催化酶（消化酶、还原酶、脱氢酶和转移酶等）是影响碳水化合物发酵和甲烷生成途径的关键因素。本文主要综述了通过日粮、微生物和化学物质三种营养调控策略减少甲烷排放的最新研究进展。通过对体内与体外研究数据的总结，对比了不同调控策略在减排效果、使用时效和饲料安全等方面的差异。

一分钟解读论文

结合宏基因组学与高通量测序揭示高温高负荷条件下新鲜玉米秸秆产甲烷潜力

METAGENOMICS COMBINED WITH HIGH-THROUGHPUT SEQUENCING REVEALS THE METHANOGENIC POTENTIAL OF FRESH CORN STRAW UNDER THERMOPHILIC AND HIGH OLR

第一作者：黄金芝，闫小婷

通讯作者：林民松，姚义清

Email：linms@caep.org.cn, dzhtyao@nwafu.edu.cn

引用此文：

Jinzhi HUANG, Xiaoting YAN, Zhen LIU, Mengyi WANG, Yangyang HU, Zhenyu LI, Minsong LIN, Yiqing YAO. METAGENOMICS COMBINED WITH HIGH-THROUGHPUT SEQUENCING REVEALS THE METHANOGENIC POTENTIAL OF FRESH CORN STRAW UNDER THERMOPHILIC AND HIGH OLR. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 403‒423 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022471

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摘要：干玉米秸秆（Dry corn straw, DCS）通常以干物质状态用于厌氧消化（anaerobic digestion, AD），但鲜玉米秸秆（fresh corn straw, FCS）很少涉及。本工作研究了高温条件下单一底物（FCS或DCS）及两种状态秸秆分别与牛粪混合厌氧消化的特性。结果表明，FCS单底物厌氧消化的甲烷产率144 mL·g⁻¹·VS⁻¹，比DCS单底物和FCS加牛粪混合厌氧消化高7.5%和19.6%。FCS结构疏松，比DCS更易降解，利于甲烷快速生成。在发酵系统的水解和酸化阶段，Clostridium_sensu_stricto_1, Clostridium_sensu_stricto_7和Sporosarcina促进有机质分解，导致挥发性脂肪酸（VFAs）积累，而丰度高达54.4%的甲烷八叠球菌（Methanosarcina）激活多功能产甲烷途径，从而避免VFAs对反应系统的抑制。通过探究发现消化系统主要编码甲酰甲烷呋喃脱氢酶（K00200-K00203）和四氢甲烷蝶呤S甲基转移酶（K00577-K00584）基因，通过抗逆性强的氢营养途径产甲烷。与此同时，甲烷八叠球菌还分别编码乙酰磷酸（K13788）和甲基辅酶M还原酶（K04480，K14080和K14081）基因，激活了乙酸营养和甲基营养产甲烷途径。为了避免单底物厌氧消化发生的酸抑制影响新鲜秸秆产甲烷效率，本研究进一步将其与牛粪混合消化，在缓冲性能较好的系统中证实了FCS具有更高的产甲烷潜力。本研究提出的思路和结论为高效利用农作物秸秆产甲烷提供了新的途径与科学依据。

碱性预处理与空气混合促进麦秸与鸡粪垃圾厌氧共消化产甲烷

ALKALINE PRETREATMENT AND AIR MIXING FOR IMPROVEMENT OF METHANE PRODUCTION FROM ANAEROBIC CO-DIGESTION OF POULTRY LITTER WITH WHEAT STRAW

第一作者：占源航

通讯作者：占源航

Email：yz062@uark.edu

引用此文：

Yuanhang ZHAN, Jun ZHU, Yiting XIAO, Leland C. SCHRADER. ALKALINE PRETREATMENT AND AIR MIXING FOR IMPROVEMENT OF METHANE PRODUCTION FROM ANAEROBIC CO-DIGESTION OF POULTRY LITTER WITH WHEAT STRAW. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 424‒436 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023506

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摘要：碱性预处理和空气混合均能提高畜禽粪便与小麦秸秆的厌氧共消化（Co-AD）产甲烷效率。本研究探讨了碱性预处理（pH 12处理12 h）与空气混合（12 mL·d^‒1）相结合对Co-AD过程的影响。实验结果表明碱性预处理增强了底物的水解，可溶性化学耗氧量增加了4.59倍，挥发性脂肪酸增加了5.04倍。在碱性预处理与空气混合相结合的实验组 (Co-(AL+air))，累积甲烷产量为287 mL·(g VS_added)⁻¹，较对照组提高了46.7％。Cone模型被发现最适合模拟各组的甲烷产量动力学，判定系数R² ≥ 0.9979，均方根预测误差（rMSPE）≤ 3.50。Co-(AL+air)的水解动力学常数k（0.14 d^‒1）较对照组k（0.12 d^‒1）更大，滞后期λ（0.99 d）较对照组λ (2.06 d) 短。Co-(AL+air)的消化产物中总固体和总挥发性固体的去除率较对照组分别提高2.0和2.3倍。实验结果的机理是碱性预处理促进了底物降解，而空气混合可以丰富微生物活性，共同增强了甲烷的生成。本研究结果表明，碱性预处理和空气混合相结合可作为一种有效的提高Co-AD甲烷产量的方法。

奶牛粪便制备水热炭中重金属的评估

ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN HYDROCHAR PRODUCED BY HYDROTHERMAL CARBONIZATION OF DAIRY MANURE

第一作者：B. Brian HE

通讯作者：B. Brian HE

Email：bhe@uidaho.edu

引用此文：

B. Brian HE, Zheting BI, Lide CHEN. ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN HYDROCHAR PRODUCED BY HYDROTHERMAL CARBONIZATION OF DAIRY MANURE. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 437‒447 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023507

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摘要：奶牛粪便水热炭是一种受到政府监管的生物质，如果要推广应用于农业中，其性质如重金属（HMs）含量等必须符合相关环境标准和政府法规。本研究通过中心复合试验设计和统计分析，对奶牛粪便水热炭中的重金属含量以及反应参数包括反应温度（180–255 ℃）、停留时间（30–120 min）和粪水所含固体含量（2%–15%）进行了系统研究。结果发现，重金属含量在水热炭中的滞留率从40%–100%不等。反应温度和原料中的固体含量是对水热炭的重金属滞留率影响最大的工艺参数。统计分析表明，虽然没有一个最佳反应参数点可以使水热炭中的重金属滞留量最小化，但在既定的反应时间和固体含量下存在最小的重金属滞留量。大多数重金属在水热炭中的浓度高于奶牛粪便原料中的浓度，但也远低于美国环境保护署规定的阈值。因此，将水热炭作为一种富磷有机肥料或土壤改良剂应用于农业时其所含的重金属不会引起危害。

木屑和马铃薯皮吹氧共气化生产合成气的模拟研究

SIMULATION OF O2-BLOWN CO-GASIFICATION OF WOOD CHIP AND POTATO PEEL FOR PRODUCING SYNGAS

第一作者：胡玉琳

通讯作者：胡玉琳

Email：yulinhu@upei.ca

引用此文：

Yulin HU, Kang KANG, Iker Zulbaran ALVAREZ, Nasim MIA, Aadesh RAKHRA. SIMULATION OF O2-BLOWN CO-GASIFICATION OF WOOD CHIP AND POTATO PEEL FOR PRODUCING SYNGAS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 448‒457 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023490

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摘要：马铃薯在加拿大是第五大农产品，由此产生了大量的马铃薯皮。然而，由于严格的环境法规，且缺乏合适的马铃薯皮回收和增值方法，因此，处理和回收这些果皮是一个挑战。共气化技术使用木屑和马铃薯皮混合制取合成气，是一种生态友好且具有成本效益的马铃薯皮增值方式。本研究使用Aspen Plus软件模拟了木屑与马铃薯皮共气化过程，调查了气化温度和木屑/马铃薯皮比对碳转化效率（CCE）、产物气体组分及产物低位热值（LHV）的影响。模拟结果表明，共气化过程中，木屑和马铃薯皮协同作用增强了CCE。随着木屑占比增加（0–100%），产物气体H2和CO的摩尔分数及产物LHV则不断下降。因此，本文提出共气化生产合成气是马铃薯皮循环利用和增值的可行且环保的方案。

以牛粪为原料的生物质气化过程模拟研究

NUMERICAL MODELING OF BIOMASS GASIFICATION USING COW DUNG AS FEEDSTOCK

第一作者：张亚军

通讯作者：姚森

Email：yaosen@henau.edu.cn

引用此文：

Yajun ZHANG, Sen YAO, Jianjun HU, Jiaxi XIA, Tao XIE, Zhibin ZHANG, Hai LI. NUMERICAL MODELING OF BIOMASS GASIFICATION USING COW DUNG AS FEEDSTOCK. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 458‒467 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023500

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摘要：河南农业大学胡建军教授团队研究生张亚军和姚森副教授等人，利用Aspen Plus软件，基于吉布斯自由能最小化，建立针对牛粪热解气化过程的生物质气化模型并开展了相关研究。通过改变气化温度、蒸汽/生物质比和压力等参数来评估所得合成气的H₂/CO比和低热值（LHV）。模拟结果表明，气化温度的升高有利于H₂和CO含量的提升，H₂在900 ℃时达到峰值。蒸汽作为气化剂时，H₂产量增高，但是，蒸汽/生物质比的增加会对降低产物中CO和CH₄的比例，导致LHV降低。

新“膜法”利用绿色氨水实现沼气高值化

VALORIZATION OF BIOGAS THROUGH SIMULTANEOUS CO2 AND H2S REMOVAL BY RENEWABLE AQUEOUS AMMONIA SOLUTION IN MEMBRANE CONTACTOR

第一作者：孙涛

通讯作者：晏水平、贺清尧

Email：yanshp@mail.hzau.edu.cn, qingyao.he@mail.hzau.edu.cn

引用此文：

Tao SUN, Wenlong LI, Jiandong WEI, Long JI, Qingyao HE, Shuiping YAN. VALORIZATION OF BIOGAS THROUGH SIMULTANEOUS CO₂ AND H₂S REMOVAL BY RENEWABLE AQUEOUS AMMONIA SOLUTION IN MEMBRANE CONTACTOR. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 468‒478 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022473

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摘要：将沼气转化为生物甲烷不仅可以提高沼气作为汽车燃料或天然气替代品的利用率，还可以减少温室气体排放。结合绿色能源工程原理，从沼液中提取的可再生氨水（RAA）溶液在中空纤维膜接触器中可联合脱除H₂S和CO₂。本研究采用混合了乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和NH₄HCO₃等典型杂质的氨水溶液模拟RAA。与典型的物理吸收（H₂S脱除率：48%）相比，0.1 mol·L⁻¹ NH₃的RAA溶液可脱除沼气中97% H₂S。当NH₃浓度由0.1增加到0.5 mol·L⁻¹时，CO₂吸收通量由0.97提高到1.72 mol·m⁻²·h⁻¹。RAA所含有的杂质中，乙醇对CO₂吸收的影响较小，而其他杂质如乙酸等对CO₂吸收有显著的负面影响。但杂质对H₂S脱除率的影响较小，RAA可脱除沼气中98%以上H₂S气体。本文通过研究各项操作参数对酸性气体脱除的影响，为沼气提纯工艺的绿色发展提供了工程建议。

化学沉淀‒CO₂矿化耦合高效去除猪粪沼液污染物

EFFICIENT CONTAMINANT REMOVAL FROM LIQUID DIGESTATE OF PIG MANURE BY CHEMICAL PRECIPITATION AND CO2 MINERALIZATION USING ALKALINE ASH

第一作者：费正新

通讯作者：费正新，纪龙

Email：20050910@jhc.edu.cn, long.ji@mail.hzau.edu.cn

引用此文：

Zhengxin FEI, Zijie DING, Xuan ZHENG, Liang FENG, Qingyao HE, Shuiping YAN, Long JI. EFFICIENT CONTAMINANT REMOVAL FROM LIQUID DIGESTATE OF PIG MANURE BY CHEMICAL PRECIPITATION AND CO₂ MINERALIZATION USING ALKALINE ASH. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 479‒491 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023480

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摘要：化学沉淀法是一种广泛应用于处理农业废弃物厌氧消化废水（沼液）的方法，但其大规模应用需要低成本、高效的沉淀剂与新颖的工艺设计。本研究探究了以碱性飞灰为原料，采用化学沉淀‒CO₂矿化耦合的方法去除沼液污染物这一技术路径的可行性。通过pH值、电导率 (EC) 、处理过程中总磷 (TP)、化学需氧量 (COD) 和重金属的去除率评价该方法的技术可行性。研究采用飞灰作为化学沉淀剂，对沼液中COD和TP具有良好的去除效果，主要去除机理为共沉淀和吸附的耦合作用。沉淀处理后固液分离得到高碱性和高电导率的滤液，通过引入CO₂气体，使其与滤液中的碱性组分和金属离子发生矿化反应进一步去除滤液中的COD和TP。结果表明，虽然加入飞灰使沼液的pH从8.3提高到12.9，EC从7.01提高到13.7 mS·cm^‒1，但进一步的CO₂矿化过程使处理后的沼液趋于中性，并且进一步降低了溶液EC和有毒离子浓度。化学沉淀‒CO₂矿化耦合可实现COD去除率>93%，TP去除率>98%，处理后的废液EC < 2 mS·cm^‒1，pH为中性，可以生产高纯度方解石产品。

使用光催化钛酸纳米纤维处理絮凝液体消化物中的有机污染物

DEGRADATION OF ORGANIC POLLUTANTS IN FLOCCULATED LIQUID DIGESTATE USING PHOTOCATALYTIC TITANATE NANOFIBERS: MECHANISM AND RESPONSE SURFACE OPTIMIZATION

第一作者：肖依婷

通讯作者：肖依婷

Email：yx011@uark.edu

引用此文：

Yiting XIAO, Yang TIAN, Yuanhang ZHAN, Jun ZHU. DEGRADATION OF ORGANIC POLLUTANTS IN FLOCCULATED LIQUID DIGESTATE USING PHOTOCATALYTIC TITANATE NANOFIBERS: MECHANISM AND RESPONSE SURFACE OPTIMIZATION. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 492‒502 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023503

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摘要：本研究首次通过水热法成功合成了钛酸纳米纤维 (TNFs)，并将其应用于光催化降解家禽粪便厌氧消化液中的有机污染物。该纳米材料具有3.16 eV的能带间隙，其光催化性能经过了有机污染物降解和颜色去除的多轮测试。本文研究了不同的污染物浓度和pH值组合，并利用中心复合设计 (CCD) 与响应面方法 (RSM) 进行了优化。结果显示，最佳的pH值、剂量、挥发性脂肪酸 (VFA) 去除率、化学需氧量 (COD) 去除率和脱色率的分别为6.752、0.767 g·L⁻¹、72.9%、59.1%和66.8%。这些结果表明，TNFs具有巨大的应用潜力，不仅可用于厌氧消化液的后处理，还可用于其他类型的废水处理。

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