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水热炭特性及强化厌氧发酵潜力研究进展

中国环境科学 2023年第10期43卷 5270-5280页

作者：耿涛赵立欣姚宗路申瑞霞于佳动罗娟中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室北京100081

厌氧发酵技术可以对作物秸秆,畜禽粪便,市政污泥等有机废弃物进行清洁转化,生成的沼气,沼渣和沼液在能源,农业,环保等领域有极大的应用价值.但目前厌氧发酵技术仍存在停滞期长,发酵过程中微生物活性受氨氮和有机酸等代谢产物与微塑料,... 详细信息

厌氧发酵技术可以对作物秸秆,畜禽粪便,市政污泥等有机废弃物进行清洁转化,生成的沼气,沼渣和沼液在能源,农业,环保等领域有极大的应用价值.但目前厌氧发酵技术仍存在停滞期长,发酵过程中微生物活性受氨氮和有机酸等代谢产物与微塑料,酚类等有毒物质抑制,沼气中甲烷含量低等问题.水热炭是生物质在高温密闭环境以及亚临界水的作用下发生热化学反应得到的固体产物,具有丰富的孔隙结构和表面含氧官能团,是一种新兴的多功能炭基材料.厌氧发酵体系中适量添加水热炭能够有效缩短停滞期,缓解不同物质的抑制效应,促进微生物种间电子传递,增强甲烷生成等,具有综合的强化效果.对水热炭理化特性以及水热炭强化厌氧发酵的作用方式与机理进行了解,有利于进一步开展水热炭强化厌氧发酵以及农业废弃物高效厌氧处理的研究与应用.

关键词：农业废弃物生物质厌氧发酵水热炭产甲烷

双金属催化剂在生物质焦油催化蒸汽重整领域的研究进展

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化工进展 2024年第8期43卷 4354-4365页

作者：胡婷霞赵立欣姚宗路霍丽丽贾吉秀谢腾中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业农村部华北平原绿色低碳重点实验室北京100081

综述了双金属催化剂在生物质焦油及其模型化合物催化蒸汽重整领域的研究现状,梳理了常用双金属催化剂的类型及不同催化剂催化焦油重整的性能,总结了影响双金属催化剂性能的主要因素,探讨了焦油催化重整的反应机理,并阐释了催化剂失活-... 详细信息

综述了双金属催化剂在生物质焦油及其模型化合物催化蒸汽重整领域的研究现状,梳理了常用双金属催化剂的类型及不同催化剂催化焦油重整的性能,总结了影响双金属催化剂性能的主要因素,探讨了焦油催化重整的反应机理,并阐释了催化剂失活-再生反应机制。文中指出:双金属催化剂丰富的活性位点和双金属之间的协同作用促进了催化剂性能的提升,双金属活性相和载体之间适宜的相互作用增强了催化剂的稳定性;双金属催化剂在焦油蒸汽重整方面具有潜在的应用前景。目前双金属催化剂的活性、稳定性仍然无法满足焦油催化重整的产业化应用需求。下一步需开发催化剂的精准调控技术,深入阐释其催化反应机理,为焦油催化蒸汽重整产业化发展提供技术指导。

关键词：生物质焦油催化重整蒸汽重整双金属催化剂再生

基于CO_(2)排放量检测的秸秆腐解动态监测系统研究

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农业机械学报 2024年第10期55卷 399-409页

作者：李奇辰霍丽丽姚宗路赵立欣杉原敏昭中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室北京100081 明治大学农学部川崎214-8571

针对秸秆腐解产物复杂,导致在线监测困难的问题,提出以秸秆腐解CO_(2)排放量作为反映秸秆腐解动态特性的指标。并针对市面CO_(2)传感器成本高、体积大,在秸秆腐解监测中普及困难的问题,基于小型、低成本非色散红外(Non-dispersive infra... 详细信息

针对秸秆腐解产物复杂,导致在线监测困难的问题,提出以秸秆腐解CO_(2)排放量作为反映秸秆腐解动态特性的指标。并针对市面CO_(2)传感器成本高、体积大,在秸秆腐解监测中普及困难的问题,基于小型、低成本非色散红外(Non-dispersive infrared,NDIR)CO_(2)传感器、环境传感器及Arduino板,设计了秸秆腐解动态监测系统,实现秸秆腐解过程环境参数、秸秆温度以及CO_(2)浓度多位点的监测,并结合微生物群落数据,分析了秸秆腐解规律。以市面TR-76Ui CO_(2)记录仪为基准,对每个低成本NDIR CO_(2)传感器进行测试与校准,1829个数据点的线性回归模型决定系数R^(2)为0.97~0.99,RMSE为14.56~56.36μL/L,表明低成本NDIR CO_(2)传感器具有良好的检测精度和稳定性。秸秆堆体内部CO_(2)浓度具有周期性变化规律,变化趋势与温度的变化趋势一致,且振动幅度随秸秆干燥逐渐减弱,该现象反映了微生物活动的生物节律,揭示了秸秆堆体内部CO_(2)变化能够反映秸秆腐解的行为特征。分析表明,秸秆腐解速率与温度和含水率呈正相关,决定系数R^(2)分别为0.8137与0.892。调节秸秆含水率大于40%后,秸秆腐解速率迅速下降,至第4天趋于平稳。添加微生物菌剂后秸秆腐解速率在第7天开始明显下降,至第12天开始趋于平稳。监测周期内传感器未发生明显漂移,有较好的稳定性,检测精度可以满足秸秆腐解试验的分析需求,小型、低成本硬件对于秸秆腐解动态监测具有很好的推广应用潜力。

关键词：秸秆CO_(2)排放腐解动态监测系统 Arduino 高时空分辨率监测

生物炭负载蒽醌-2-磺酸钠对厌氧消化的影响

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中国环境科学 2023年第11期43卷 5863-5872页

作者：张玉磊马俊怡艾平赵立欣姚宗路于佳动梁依华中农业大学工学院湖北武汉430072 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室北京100081

为提高厌氧消化系统的降解效率,以生物炭(BC)为载体负载蒽醌-2-磺酸钠(AQS),制备复合材料BC/AQS并应用于厌氧消化系统.在中温条件(35℃)下开展批式厌氧消化试验,探究BC/AQS对玉米秸秆厌氧消化的影响.结果表明,当AQS浸渍浓度为1mmol/L时,... 详细信息

为提高厌氧消化系统的降解效率,以生物炭(BC)为载体负载蒽醌-2-磺酸钠(AQS),制备复合材料BC/AQS并应用于厌氧消化系统.在中温条件(35℃)下开展批式厌氧消化试验,探究BC/AQS对玉米秸秆厌氧消化的影响.结果表明,当AQS浸渍浓度为1mmol/L时,BC/AQS强化厌氧消化的产甲烷效率最高,此时最大产甲烷速率Rmax达到10.64mL/(d·g),最大累积甲烷产量Pmax达到240.41mL/g,单位挥发性固体(VS)累积产甲烷量分别比空白对照组和添加BC的试验组提高20.60%和12.11%(P<0.05).产甲烷古菌中甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)和甲烷泡菌属(Methanofollis)得到富集.此外,BC/AQS在发酵前期促进了挥发性脂肪酸(VFA)的生成,使总VFA浓度在第10d比对照组提高了7.73%~18.54%;在中后期促进了VFA的降解,其中BC/AQS-1mmol/L使总VFA浓度下降77.43%,降幅最大.BC/AQS提高了水解产酸菌群Ruminofilibacter、Proteiniphilum、Fermentimonas和不动杆菌属(Acinetobacter)的丰度.

关键词：玉米秸秆厌氧消化生物炭蒽醌-2-磺酸钠复合介体

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不同成熟期玉米秸秆特性分析及利用潜力评价

太阳能学报 2023年第12期44卷 358-365页

作者：傅国浩霍丽丽姚宗路赵立欣贾吉秀谢腾中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 中国农业科学院农业农村碳达峰碳中和研究中心北京100081 农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室北京100081

为深入探究不同成熟期玉米秸秆组成特性之间的关联性以及生长时间对不同秸秆资源化利用潜力的影响,以3个不同成熟期,生长时间分别为110~116、116~122、122~132 d的玉米秸秆为原料,系统分析14个指标特性(纤维素、半纤维素、木质素、可溶... 详细信息

为深入探究不同成熟期玉米秸秆组成特性之间的关联性以及生长时间对不同秸秆资源化利用潜力的影响,以3个不同成熟期,生长时间分别为110~116、116~122、122~132 d的玉米秸秆为原料,系统分析14个指标特性(纤维素、半纤维素、木质素、可溶性糖、粗蛋白、C、H、O、N、S、灰分、挥发分、固定碳、低位发热量),采用主成分分析法对3种利用路径进行综合评价。结果表明,在玉米植株生长时间为110~132 d的整个成熟阶段,秸秆的纤维素、半纤维素和低位发热量显著升高,升幅分别为7.6%、14.0%和2.8%,粗蛋白、可溶性糖、N、S和固定碳显著降低,降幅分别为19.8%、96.7%、18.9%、73.8%和3.1%,木质素、C、H、O、挥发分和灰分无显著差异;玉米秸秆利用潜力综合评价结果表明玉米秸秆营养养分利用适宜采收时期为乳熟期,生物化学转化利用适宜采收时期为蜡熟期,燃烧利用适宜采收时期为完熟期。

关键词：生物质秸秆成熟期资源化利用主成分分析综合评价

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移动式玉米秸秆热解炭化原位还田设备研究

农业机械学报 2023年第1期54卷 357-363页

作者：赵立欣田利伟贾吉秀霍丽丽谢腾姚宗路黑龙江八一农垦大学工程学院大庆163319 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室北京100081

针对目前秸秆炭化还田主要以异位为主,移动式热解设备结构复杂,难以实现秸秆田间炭化还田等问题,基于秸秆内热式低氧炭化原理,建立自供热反应系统,研制热解炭化反应器和热解气清洁燃烧室等关键部件,集成秸秆捡拾收集、粉碎输送、烟气回... 详细信息

针对目前秸秆炭化还田主要以异位为主,移动式热解设备结构复杂,难以实现秸秆田间炭化还田等问题,基于秸秆内热式低氧炭化原理,建立自供热反应系统,研制热解炭化反应器和热解气清洁燃烧室等关键部件,集成秸秆捡拾收集、粉碎输送、烟气回用烘焙、生物炭原位还田技术,研发移动式热解炭化原位还田设备。样机试制后,进行了静态调试试验,结果表明:该设备原料处理量为50 kg/h,炭得率为21%,系统能量利用率74.6%;排放烟气中NOx质量浓度为184 mg/m^(3),SO_(2)质量浓度为26 mg/m^(3),颗粒物质量浓度为17.8 mg/m^(3),达到烟气排放要求;生物炭中总碳、固定碳及金属元素含量符合DB21/T 3314—2020《生物炭直接还田技术规程》中的Ⅰ级生物炭要求。该设备能够实现低碳排放、炭化能源自给、田间作业等功能,为秸秆还田提供支撑平台。

关键词：玉米秸秆原位炭化生物炭还田移动式设备

不同灌溉施肥措施对夏玉米-冬小麦农田N2O排放和产量的影响

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农业工程学报 2018年第16期34卷 103-112页

作者：李昊儒郝卫平梅旭荣郭瑞中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部旱作节水农业重点实验室北京100081

为明确不同灌溉施肥措施下夏玉米-冬小麦轮作农田N_2O的排放特征,寻求既能减少N_2O排放又保证粮食产量的灌溉施肥方法,以华北地区夏玉米-冬小麦轮作农田为研究对象,利用静态暗箱-气相色谱法对土壤N_2O排放特征进行了周年(2015年6月15日-... 详细信息

为明确不同灌溉施肥措施下夏玉米-冬小麦轮作农田N_2O的排放特征,寻求既能减少N_2O排放又保证粮食产量的灌溉施肥方法,以华北地区夏玉米-冬小麦轮作农田为研究对象,利用静态暗箱-气相色谱法对土壤N_2O排放特征进行了周年(2015年6月15日-2016年6月12日)观测,探讨了常规施氮量(夏玉米:205.5 kg/hm2;冬小麦:250 kg/hm2)下传统灌溉施肥(FP100%)、滴灌+传统施肥(DN100%)、滴灌水肥一体化(FN100%)以及滴灌水肥一体化下不同施氮量(减氮60%(FN40%)、减氮30%(FN70%)、常规氮量(FN100%)和增氮30%(FN130%))下农田N_2O排放特征及土壤温湿度对农田N_2O排放的影响,另设滴灌+不施氮肥(CK)为对照。结果表明:在夏玉米-冬小麦轮作体系中小麦季农田土壤N_2O排放通量高于玉米季,夏玉米季土壤N_2O阶段排放峰值出现在拔节期和抽雄期;而冬小麦季土壤N_2O阶段排放峰值出现在冬前苗期和拔节期。与FP100%处理相比,FN40%处理在夏玉米和冬小麦季的N_2O平均排放通量分别降低了70.8%和66.7%,N_2O排放总量分别减少了58.7%和66.3%;整个轮作季周年产量没有显著减少,N_2O排放总量显著降低了62.9%(P研究认为,在华北地区夏玉米-冬小麦轮作系统下,若采用滴灌,则根据作物需肥规律同时采用水肥一体化方式进行施肥才既有增产,又减少农田N_2O排放的效果,并且在滴灌水肥一体化技术下,减少60%施氮量在保障粮食产量的同时,可以有效地减少N_2O排放,是兼顾作物产量及大气环境的推荐管理措施。

关键词：灌溉氮肥作物华北平原冬小麦-夏玉米轮作水肥一体化 N2O排放

添加剂促进堆肥过程氨气和温室气体减排研究进展

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高校化学工程学报 2024年

作者：韩冰霍丽丽赵立欣姚宗路罗娟张沛祯申瑞霞中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室

好氧堆肥能够将有机物降解转化为稳定腐殖质，实现有机废弃物的绿色、高效处理，是农业废弃物处理利用的最有效途径之一。然而堆体孔隙度低、碳氮比失衡会导致大量的碳和氮以甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氨气(NH3)等形式释放到大气中，... 详细信息

好氧堆肥能够将有机物降解转化为稳定腐殖质，实现有机废弃物的绿色、高效处理，是农业废弃物处理利用的最有效途径之一。然而堆体孔隙度低、碳氮比失衡会导致大量的碳和氮以甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氨气(NH3)等形式释放到大气中，不仅污染环境，还导致堆肥产品质量下降。在好氧堆肥过程中使用添加剂是促进堆肥进程、改善堆肥质量和减少碳氮损失的有效方法。基于此，探讨了有机添加剂、无机添加剂和生物添加剂对农业废弃物好氧堆肥过程的作用机制与影响因素，并重点综述了不同添加剂在促进堆肥过程NH3和温室气体减排方面的优缺点，旨在为好氧堆肥添加剂的研究和应用提供有益参考。

关键词：好氧堆肥添加剂氨气温室气体减排

地膜覆盖对旱作玉米田水热通量传输的影响研究

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农业机械学报 2018年第12期49卷 300-313页

作者：冯禹郝卫平高丽丽李昊儒龚道枝中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业农村部旱作节水农业重点实验室北京100081

为探明旱作农田生态系统生态水文过程、提升农田水分利用效率,选取黄土高原东部旱作春玉米田为研究对象,设置露地(CK)和地膜覆盖(PM)两种处理,利用涡度相关系统对两种处理条件下玉米田水热通量进行了连续观测,基于观测结果对两种处理下... 详细信息

为探明旱作农田生态系统生态水文过程、提升农田水分利用效率,选取黄土高原东部旱作春玉米田为研究对象,设置露地(CK)和地膜覆盖(PM)两种处理,利用涡度相关系统对两种处理条件下玉米田水热通量进行了连续观测,基于观测结果对两种处理下玉米田水热通量的日、季节变化特征和能量分割进行了分析。结果表明:两个处理各能量通量均存在显著的日、季节变化特征。在快速生长期(拔节期),降水后CK和PM处理潜热通量(λET)均明显增大,而显热通量(H)和土壤热通量(G)均减小;但在后期(成熟期),降水对各能量通量变化过程的影响没有快速生长期明显,表明玉米生育期内降水的分布能够显著影响旱作玉米田的能量平衡。玉米生育期内,净辐射(Rn)主要以λET为主,而休闲期Rn主要以H为主。Rn是玉米田λET的最主要影响因子,其次是平均气温和饱和水汽压差,风速和相对湿度对λET的影响相对较小。

关键词：黄土高原旱作农田玉米地膜覆盖水热通量涡度相关系统