膜覆盖微正压好氧堆肥过程颗粒尺度甲烷产排动力学及模型研究

Effective control of methane emission and greenhouse effect during aerobic composting is a hotspot of attention and research on a world scale. Based on the finished national natural science fund project and recent study, this proposal will firstly execute the macroscopic and microscopic structure and composition characterization study on the film-covered aerobic composting under micro-positive pressure, and propose a pore network model with heterogeneous physical structure and biochemical composition arrangement at the particle scale. Based on the aforementioned pore network model, four kinetic processes including matrix dissolution, methane generation and methane oxidation and methane emission through gas-liquid interface will be developed and then coupled to form a kinetic model of methane generation and emission. The membrane-covered aerobic composting kinetic experiments will be carried out based on micro-positive pressure levels. Both the methane mission kinetic data and matrix distribution data will be used to validate the coupled model. Therefore, this study has good science significance and application value for the clarity of methane generation and emission mechanism during film-covered aerobic composting under micro-positive pressure, the guide of process optimization and greenhouse effect reduction.

有效控制好氧堆肥过程甲烷产排、减少温室效应是目前国内外关注的热点。本项目以申请人已结题的国家自然基金项目和近期相关研究为基础，针对功能膜覆盖这一新技术模式形成的微正压环境下好氧堆肥过程甲烷产排为研究对象，开展宏观尺度和颗粒尺度单元结构和组成耦合表征研究，创新构建微正压环境好氧堆肥多孔介质网络模型；进而系统研究微正压和空间梯度协同的基质溶解、甲烷产生、甲烷氧化、甲烷经气液界面排放四阶段动力学并耦合构建甲烷产排机理模型。基于研发的智能型膜覆盖好氧堆肥反应器系统，获取微正压好氧堆肥环境甲烷排放-时间和颗粒水平基质降解及其产物浓度-时间宏观、微观尺度试验数据，对所构建的动力学模型进行验证，并阐释其机制。研究成果对于明晰膜覆盖微正压好氧堆肥甲烷产排机理、优化堆肥工艺、减少甲烷排放及温室效应具有重要的科学意义和应用价值。

有效控制好氧堆肥过程甲烷产排、减少温室效应是近年来国内外研究关注的热点。本项目以申请人已结题的国家自然基金项目和近期相关研究为基础，针对功能膜覆盖这一新技术模式形成的微正压环境下好氧堆肥过程甲烷产排为研究对象，开展了宏观尺度和颗粒尺度单元结构和组成耦合表征研究，创新构建了微正压环境好氧堆肥多孔介质网络模型；进而系统研究了微正压和空间梯度协同的基质溶解、甲烷产生、甲烷氧化、甲烷经气液界面排放四阶段动力学并耦合构建甲烷产排机理模型。基于研发的智能型膜覆盖好氧堆肥反应器系统，开展多批次猪粪-麦秸膜覆盖反应器好氧堆肥试验，获取了微正压环境宏观和颗粒尺度结构和物理生化组成特性以及堆体沿垂直方向的上、中和下层物理生化组成特性，为完善构建微正压好氧堆肥甲烷产排模型打下基础。通过获取的微正压好氧堆肥环境甲烷排放-时间和颗粒水平基质降解及其产物浓度-时间宏观、微观尺度试验数据，对所构建的动力学模型进行验证，并阐释其机制。研究成果对于明晰膜覆盖微正压好氧堆肥甲烷产排机理、优化堆肥工艺、减少甲烷排放及温室效应具有重要的科学意义和应用价值。项目实施期间，项目负责人2018年获中国农业机械学会第六届青年科技奖，培养已毕业的研究生5名，在国内外学术期刊发表SCI/EI收录研究论文10篇，获授权国家专利7项，申请1项，转化科技成果1项，达到了预期目标。