CN109136287A - 微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机固体废弃物厌氧消化领域，提供一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法。具体为：取自然风干或烘干的秸秆(TS≥90±1％)反复揉搓后切成小段，充分研磨后过筛，保证得到粒径小于1mm的足量秸秆粉末，以秸秆VS：接种泥VS＝2:1的接种比接种厌氧消化污泥，加水定容后调节pH，进行中温厌氧消化。结果显示：经微化粉碎预处理后，VS降解率提高；厌氧消化周期明显缩短；单位产气量呈倍状提升；沼气中甲烷百分含量提高；且有效抑制了传统秸秆厌氧消化存在的浮渣现象。
Description
技术领域
本发明属于有机固体废弃物厌氧消化领域，具体涉及一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法。
背景技术
基于生态学以及循环低碳经济的思想，发展以农业废弃物为原料进行厌氧消化处理农村清洁能源工程，有利于实现农业废弃物资源化利用与生态农业***的有机集成；对于满足农民的生产用能需求，增加农民收入，改善农村生态环境，促进***新农村建设具有重要意义。
中国是传统的农业生产大国，各类农作物秸秆资源丰富、分布广泛。据不完全统计，2015和2016年中国的农作物秸秆产量分别达到8.5和7.9亿吨；2017年 6月1日农业部农产品加工局、农业部规划设计研究院在北京召开农产品及加工副产物综合利用模式研讨会，会议指出，我国农产品及加工副产物、剩余物逐年增多，每年秸秆产量有9亿吨，加工副产物有5.8亿吨，加工副产物综合利用率平均不到40％，60％以上的副产物被随意堆放、丢弃或用作肥料还田、生活燃料，相当于7亿亩土地的投入产出和6000亿元的收入被白白损失掉。
厌氧消化是将作物秸秆变废为宝的有效手段，在厌氧条件下，秸秆等有机废物能被厌氧微生物分解利用产生甲烷。厌氧消化过程是在厌氧条件下由多种(厌氧或兼性)微生物共同作用，使有机物分解并产生甲烷和二氧化碳的过程。复杂有机物的厌氧消化过程由水解阶段、发酵酸化阶段、产乙酸产氢阶段以及产甲烷阶段组成。在这四个阶段中，前两个阶段的反应是由同一类细菌完成的，前三个阶段的反应速度很快，第四个阶段反应速度通常很慢。厌氧消化操作简单，成本较低且技术相对成熟，在我国已有许多工程应用实例。
秸秆密度小、体积大，进入厌氧发酵罐后很快形成浮渣层，影响气、液、固三相传质、传热和流动性，气体释放困难，增加了安全风险发生率；形成的固液分层易导致物料与接种物接触不充分，反应器内传热、传质不均匀，消化条件不易控制，进而影响微生物群落条件反射或水解不充分导致底物粘滞性高；秸秆中木质素含量较高，它是构成植物细胞壁的成分之一，亲水性基团少，常存在于植物纤维素之间的连接处，具有增强细胞及粘合纤维的作用，不溶于水和一般溶剂，化学性质非常稳定，对酶降解和微生物水解有很强的抗性，使微生物不能有效利用秸秆，并给纤维素和半纤维素的分解带来了一定的困难，导致消化率不高，投入产出效率差等问题。因此，在进行厌氧消化处理前，通常需要对秸秆进行一定的预处理，破坏其内部结构以利于其后续水解过程中释放出更多的糖类物质。
木质纤维素类原料的预处理方法主要物理处理法、化学处理法、物理化学综合处理法和生物处理法。物理处理能够降低秸秆的尺寸，提高秸秆的可接触面积，降低秸秆纤维素的晶度和聚合度，提高后处理过程的效率。化学法对条件要求低、时间短、处理效率高，但通常仅加入单一酸或碱，很难达到理想的效果，且产生的大量化学残液会迁移到沼渣沼液中，导致沼渣沼液难以被回收利用；生物处理对化学物质和能量的消耗较少，是一种生物安全、环境友好的秸秆处理方式，但需对特定菌种进行定向培养，对人员和设备条件的要求较高，大规模生产应用难度较大。
发明内容
本发明的目的在于，针对秸秆厌氧消化过程中易形成浮渣层、水解不充分和利用率低等缺陷，提供一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，本发明具有以下特点：(1)随着机械粉碎程度增大，酶解反应中酶负荷将会减少，降解和发酵速率加快；(2)固体颗粒的粒度变化到100μm便已经具有表面效应和体积效应等特殊性质，同介质的作用力显著加强，有很好的溶解性、吸附性和流动性，化学反应速度快；(3)提高秸秆的可接触面积，降低秸秆纤维素的晶度和聚合度；(4)阻止厌氧发酵罐内形成浮渣层，减少了安全风险发生率。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法：
1)秸秆物理预处理
a.取自然风干或烘干处理后的秸秆，其TS(Total Solid，总固体含量)不应小于90±1％；
b.取经a步骤处理后的秸秆，手工反复揉搓，使纤维结构变得柔软；
c.取经b步骤处理后的秸秆，将其手工剪成尽量小的段状，以小于1～2cm为宜；
d.取经c步骤处理后的小段秸秆于研钵中，手工充分研磨，得到秸秆粉末；
e.取经d步骤处理后的秸秆粉末，手工过筛，得到微粒径秸秆粉末；
f.取足量经e步骤处理后得到的微粒径秸秆粉末，干燥保存备用；
2)接种比确认
取步骤1)所得微粒径秸秆粉末和待接种的厌氧消化污泥样品，分别测定其挥发性固体(volatile solid，VS)，以秸秆VS：接种泥VS一定的接种比进行接种，加水稀释至反应器总体积的60％-80％后搅拌均匀得料液，料液的含固率为5-8％；
3)调节pH值
调节料液的pH值至6.8-7.2以保证合适的发酵环境；
4)厌氧消化
将各反应器连接好搅拌单元后密封，在恒温水浴锅内进行中温厌氧消化30d，搅拌单元搅拌-静置交替运行，正转-反转交替运行。
本发明中，采用湿式发酵，步骤2)所述的“料液的含固率为5-8％”，属于湿式发酵的范畴。
进一步，步骤1)的所述微粒径秸秆粉末的粒径小于1mm，更接近“超微化”颗粒，同介质的作用力显著加强，有很好的溶解性、吸附性与流动性，化学反应接触位点增多，反应速度轩主加快。
进一步，步骤1)所述的秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、高粱秸秆中的任意一种或几种，破碎前需自然风干并去除沙土等杂质。
进一步，步骤2)的待接种物为稳定产甲烷的厌氧消化工艺污泥。
进一步，步骤2)中，秸秆VS：接种泥VS的接种比为2:1。
进一步，步骤3)中要求厌氧消化反应前利用盐酸和氢氧化钠溶液调节pH在 7±0.2。
进一步，步骤4)中所述厌氧消化过程包括序批式、半连续式与连续式运行过程。
进一步，步骤4)中，秸秆进行中温厌氧消化，恒温水浴的温度控制在37±1℃。
进一步，步骤4)中，秸秆厌氧消化过程进行搅拌，搅拌-静置交替运行，正转-反转交替运行，搅拌转速为60r/min。
本发明进一步测定厌氧消化前后木质纤维素含量，甲烷百分含量，沼气产量，总固体含量TS，总挥发性固体含量VS，pH，氨氮，粗蛋白含量，溶解性COD，溶解性蛋白，溶解性多糖和碳氮元素含量，用于评价微化粉碎预处理后秸秆厌氧消化的效果。
结果显示：经微化粉碎预处理后，VS降解率提高，最高可达58.98％；厌氧消化周期明显缩短，由25天可缩短至19天；单位产气量呈倍状提升，由164.84 L/kg·VS可提升至303.26L/kg·VS；沼气中甲烷百分含量提高，由66.1％可提升至 71.57％；且有效抑制了传统秸秆厌氧消化存在的浮渣现象。
由于，秸秆这类木质纤维素含量很高的物质，韧性很足，常规破碎过程丝状纤维很容易搅缠刀片设备，使用周期非常短，维护成本非常高。而本发明依次采用自然风干或烘干、手工反复揉搓、剪切、研磨、过筛处理得到足够细的微粒径秸秆粉末。
木质纤维素是由三个部分组成，分别是纤维素、半纤维素与木质素。在厌氧消化过程中，从最根本属性来说纤维素和半纤维素属于较易被降解的物质，木质素属于难降解物质，但在秸秆中这三种物质互相交联成一个整体，所以导致本身易被降解的纤维素和半纤维素也因木质素的包裹及本身结晶作用不能充分被降解糖化，本发明通过将秸秆类物质破碎到足够细，以打破交联与结晶状态，促进三种木质纤维素的降解与糖化，且实验证明效果很好，因为将秸秆微化粉碎后打破了木质纤维素间的交联与结晶状态，导致后续糖化率提升，厌氧消化产气率提升。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)厌氧消化周期明显缩短。微化粉碎预处理在37±1℃条件下秸秆厌氧消化酸化迟滞期不明显，进入产甲烷高峰期较快，明显缩短厌氧消化周期。对于微化粉碎预处理后，厌氧消化周期为18-20天，比传统用段状秸秆厌氧消化(25天) 缩短20％-28％，可大幅减少运行成本。
(2)甲烷百分含量提高。微化粉碎预处理后秸秆甲烷百分含量为71.57％。整个厌氧消化过程中，相比于传统用段状秸秆(66.10％)，经微化粉碎预处理的秸秆厌氧消化的甲烷百分含量提高8.28％。
(3)甲烷产量明显提高。微化粉碎预处理后秸秆的VS甲烷总产量为 161.74-197.12mL/g VS。整个厌氧消化过程中，相对于传统用段状秸秆(107.15mL/g VS)，经微化粉碎预处理的秸秆厌氧消化的VS产甲烷量获得了50.95-83.97％的极显著提升。
(4)预处理秸秆的VS降解率提高。本发明的最高预处理秸秆VS降解率为 58.98％。
(5)浮渣现象的有效抑制。本发明可有效抑制在厌氧消化罐内形成浮渣层，物料流动性更强，接触面积更大，秸秆降解率更高，大幅减小了安全风险发生率。
(6)本发明采用湿式发酵，与现有的干式发酵相比，干式发酵中最小的粒径产气效果与最大粒径产气效果之间也就22.81％的增幅，而本发明中最小粒径产气效果与最大粒径产气效果之间的增幅是倍状的；因为干式发酵的通病就是传质不易，小粒径状态反而会产生结团等问题，效果不明显；而湿式发酵的液相传质效果好，可以充分发挥微粒径的优势，打破木质纤维素结构与纤维素结晶度。
附图说明
图1.本发明实施例提供的2-5cm段状秸秆实验组日产甲烷量随时间的变化；
图2.本发明实施例提供的2-5cm段状秸秆实验组累计产甲烷量随时间的变化；
图3.本发明实施例提供的粒径小于1mm秸秆实验组日产甲烷量随时间的变化；
图4.本发明实施例提供的粒径小于1mm秸秆实验组累计产甲烷量随时间的变化；
图5.本发明实施例提供的粒径小于0.150mm秸秆实验组日产甲烷量随时间的变化；
图6.本发明实施例提供的粒径小于0.150mm秸秆实验组累计产甲烷量随时间的变化；
图7.本发明实施例提供的粒径小于0.075mm秸秆实验组日产甲烷量随时间的变化；
图8.本发明实施例提供的粒径小于0.075mm秸秆实验组累计产甲烷量随时间的变化；
图9.本发明实施例提供的全实验组沼气成分含量随粒径的变化。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
在以下实验中，厌氧消化装置采用全自动甲烷潜力测试***(Automatic MethanePotential Test System II，AMPTS II)，反应器容积为500mL蓝盖瓶，接种后体积为300mL，设5组序批式厌氧反应器M1-M5，除M1空白组，其余每组设两个平行，进行厌氧实验前均给瓶体内充氮气5～10min，保证厌氧环境后检查瓶体气密性。反应温度通过恒温水浴控制在37±1℃，***进行自动搅拌，转速为60 r·min-1，以转动/停止为5min/5min的方式交替运行。
秸秆取自江苏某农场已风干水稻秸秆，先切成2-5cm的段状，再取部分段状秸秆用植物粉碎机粉碎，取出粉碎后的水稻秸秆分别用不同规格标准筛筛分出粒径小于1mm，粒径小于0.150mm与粒径小于0.075mm的足量秸秆粉末，干燥保存备用。
接种污泥取自实验室正常运行的中温半连续式厌氧消化反应器，饥饿处理7 天直至反应器不再产气后，取出待接种污泥保证厌氧环境封存于35℃恒温箱中保存备用。
分别取待接种的厌氧消化污泥，2-5cm段状秸秆、粒径小于1mm、粒径小于 0.150mm与粒径小于0.075mm的秸秆样品，测定其总固体(total solid,TS)和挥发性固体(volatilesolid，VS)。原始物料TS和VS测定结果如表1所示。接种污泥基础指标测定结果如表2所示。
表1厌氧消化前原始物料性质
表2接种污泥基础指标
每个蓝盖瓶反应器中加入100mL接种污泥，以秸秆VS：接种泥VS＝2:1的接种比分别进行接种。具体计算如下：
接种污泥VS＝14.76g/L*0.1L＝1.476g
所需秸秆VS＝1.476g*2＝2.952g
2-5cm段状秸秆质量＝2.952g/(91.76％*89.03％)＝3.613g
粒径小于1mm秸秆质量＝2.952g/(85.07％*92.21％)＝3.763g
粒径小于0.150mm秸秆质量＝2.952g/(74.16％*92.48％)＝4.304g
粒径小于0.075mm秸秆质量＝2.952g/(59.09％*93.59％)＝5.338g
接种完毕后，加水稀释至300mL后搅拌均匀。
分别调节10个反应器内pH至6.8-7.2。
先将5组反应器添加搅拌单元后，分别给瓶体内充氮气5～10min，封闭保证厌氧环境后浸没水体检查瓶体气密性，再将蓝盖瓶反应器与各自CO2吸收单元和气体计量单元连接，设置恒温水浴锅温度为37±1℃保证进行中温厌氧消化，最后连接计算机对各反应器参数进行输入，设置自动搅拌，转速为60r·min-1，以转动/停止为2min/2min的方式交替运行。
五组(M1-M5)序批式厌氧反应器设置情况如表3所示。
表3序批式厌氧反应器设置情况
通过气体计量单元记录每天的甲烷产气量，日甲烷量变化见图1、图3、图5、图7。
通过气体计量单元记录累计甲烷产气量，累计产甲烷量见图2、图4、图6、图8。
实验结束后计算总产气量和甲烷总产量，记录厌氧消化周期，测定各反应器内TS与VS，pH，碳氮元素含量，溶解性氨氮，溶解性COD，溶解性蛋白质，溶解性多糖，挥发性脂肪酸(VFAs)。厌氧消化出料结果如下表4所示。
表4厌氧消化出料性质
注：M2组(②和③)TS与VS偏高是由于2-5cm段状秸秆上浮导致取样不均所致。
表4所示为厌氧消化结束后T80、TS、VS、TS去除率、VS去除率、单位TS 产甲烷、单位VS产甲烷、碳元素含量、氮元素含量、溶解性氨氮、溶解性COD、溶解性蛋白质、溶解性多糖及VFA含量的分析结果。微化粉碎预处理组(M3、 M4、M5)在37±1℃条件下秸秆厌氧消化酸化迟滞期不明显，进入产甲烷高峰期较快，明显缩短厌氧消化周期，T80为19±1d，比未处理组(M2，25d)缩短20％-28％。整个厌氧消化过程中，微化粉碎预处理组(M3、M4、M5)的VS甲烷总产量为 161.74-197.12mL/g VS，相对于未处理组(M2,107.15mL/g VS)，经微化粉碎预处理的秸秆厌氧消化的VS产甲烷量获得了50.95-83.97％的极显著提升。微化粉碎预处理组(M3、M4、M5)随着秸秆粒径的逐渐减小，VS降解率逐渐升高。其中，秸秆粒径小于0.075mm微化粉碎预处理时，厌氧消化单位VS产甲烷率最高 (195.4±1.5mL·gVS-1)，T80最短(19±1d)，VS降解率最高(58.9％)。确定微化预处理使秸秆粒径小于0.075mm为本实验组最优预处理条件。
图1、图3、图5、图7分别表示本发明实施例提供的2-5cm段状秸秆实验组、粒径小于1mm秸秆实验组、粒径小于0.150mm秸秆实验组、粒径小于0.075mm 秸秆实验组日产甲烷量随时间的变化，皆呈现前期日产甲烷量升高，达到日产甲烷最高值后逐渐减少的趋势
图2、图4、图6、图8分别表示本发明实施例提供的2-5cm段状秸秆实验组、粒径小于1mm秸秆实验组、粒径小于0.150mm秸秆实验组、粒径小于0.075mm 秸秆实验组累计产甲烷量随时间的变化。对比发现，相同VS条件下，随着秸秆粒径的不断减小，累计产甲烷量有非常明显的升高，相较于2-5cm的现行工艺，当粒径达到0.075mm以下时，累计产气量翻倍，已接近于已报道利用化学法预处理后的产气效果。
图9表示本发明实施例提供的全实验组沼气成分含量随粒径的变化，可见，随着粒径的减小，沼气中甲烷百分比含量也在逐渐升高。
综上可见，秸秆的微化粉碎预处理对其厌氧消化产气性能有显著促进作用。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (9)
1.一种微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，其特征在于，包括如下过程：
1)秸秆物理预处理：
a.取自然风干或烘干处理后的秸秆，其总固体含量TS不应小于90±1％；
b.取经a步骤处理后的秸秆，手工反复揉搓，使纤维结构变得柔软；
c.取经b步骤处理后的秸秆，将其手工剪成尽量小的段状，以小于1～2cm为宜；
d.取经c步骤处理后的小段秸秆于研钵中，手工充分研磨，得到秸秆粉末；
e.取经d步骤处理后的秸秆粉末，手工过筛，得到微粒径秸秆粉末；
f.取足量经e步骤处理后得到的微粒径秸秆粉末，干燥保存备用；
2)接种比确认：
取步骤1)所得微粒径秸秆粉末和待接种的厌氧消化污泥样品，分别测定其挥发性固体VS，以秸秆VS：接种泥VS一定的接种比进行接种，加水稀释至反应器总体积的60％-80％后搅拌均匀得料液，料液的含固率为5-8％；
3)调节pH值：
调节料液的pH值至6.8-7.2以保证合适的发酵环境；
4)厌氧消化
将各反应器连接好搅拌单元后密封，在恒温水浴锅内进行中温厌氧消化30d，搅拌单元搅拌-静置交替运行，正转-反转交替运行。
2.根据权利要求1所述的微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：步骤1)的所述微粒径秸秆粉末的粒径小于1mm。
3.根据权利要求1所述的微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：步骤1)所述的秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、高粱秸秆中的任意一种或几种，破碎前需自然风干并去除沙土等杂质。
4.根据权利要求1所述的微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：步骤2)的待接种物为稳定产甲烷的厌氧消化工艺污泥。
5.根据权利要求1所述的微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：步骤2)中，秸秆VS：接种泥VS的接种比为2:1。
6.根据权利要求1所述的微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：步骤3)中要求厌氧消化反应前利用盐酸和氢氧化钠溶液调节pH在7±0.2。
7.根据权利要求1所述的微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：步骤4)中所述厌氧消化过程包括序批式、半连续式与连续式运行过程。
8.根据权利要求1所述的微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：步骤4)中，秸秆进行中温厌氧消化，恒温水浴的温度控制在37±1℃。
9.根据权利要求1所述的微化粉碎预处理提高秸秆湿式厌氧消化产气性能的方法，其特征在于：步骤4)中，秸秆厌氧消化过程进行搅拌，搅拌-静置交替运行，正转-反转交替运行，搅拌转速为60r/min。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112938929A (zh) * | 2021-02-09 | 2021-06-11 | 同济大学 | 一种利用秸秆高效制备磁性生物炭的方法与应用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101338325A (zh) * | 2008-08-28 | 2009-01-07 | 河南富城生态能源科技有限公司 | 一种利用秸秆干式发酵生产沼气的工艺 |
| CN102092913A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-06-15 | 天津大学 | 污泥与玉米秸秆混合发酵改善中温厌氧消化效果的工艺 |
| CN106220262A (zh) * | 2014-10-16 | 2016-12-14 | 农业部南京农业机械化研究所 | 一种消化处理禽畜粪便与秸秆的方法 |
| CN107626417A (zh) * | 2016-07-18 | 2018-01-26 | 孙仁 | 无筛农作物秸秆粉碎机 |
| CN108251175A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-07-06 | 北京三聚环保新材料股份有限公司 | 一种提高秸秆在水中固含量的方法 |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101338325A (zh) * | 2008-08-28 | 2009-01-07 | 河南富城生态能源科技有限公司 | 一种利用秸秆干式发酵生产沼气的工艺 |
| CN102092913A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-06-15 | 天津大学 | 污泥与玉米秸秆混合发酵改善中温厌氧消化效果的工艺 |
| CN106220262A (zh) * | 2014-10-16 | 2016-12-14 | 农业部南京农业机械化研究所 | 一种消化处理禽畜粪便与秸秆的方法 |
| CN107626417A (zh) * | 2016-07-18 | 2018-01-26 | 孙仁 | 无筛农作物秸秆粉碎机 |
| CN108251175A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-07-06 | 北京三聚环保新材料股份有限公司 | 一种提高秸秆在水中固含量的方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| FLAVIA LIOTTA等: "Methane and VFA Production in Anaerobic Digestion of Rice Straw Under Dry, Semi-Dry and Wet Conditions During Start-Up Phase", 《ENVIROMENTAL TECHNOLOGY》 * |
| FLAVIA LIOTTA等: "Methane and VFA Production in Anaerobic Digestion of Rice Straw Under Dry, Semi-Dry and Wet Conditions During Start-Up Phase", 《ENVIROMENTAL TECHNOLOGY》, vol. 37, no. 5, 3 September 2015 (2015-09-03) * |
| XIAOHU DAI等: "Particle size reduction of rice straw enhances methane production under anaerobic digestion", 《BIORESOURCE TECHNOLOGY》, vol. 293 * |
| 宁桂兴等: "秸秆厌氧消化试验研究", 《农业环境科学学报》 * |
| 宁桂兴等: "秸秆厌氧消化试验研究", 《农业环境科学学报》, vol. 28, no. 6, 20 June 2009 (2009-06-20), pages 1279 - 1282 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112938929A (zh) * | 2021-02-09 | 2021-06-11 | 同济大学 | 一种利用秸秆高效制备磁性生物炭的方法与应用 |
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