多元混合物料协同促进厌氧消化产甲烷性能试验研究

为评估农牧废弃物多元物料混合厌氧发酵对产甲烷性能的协同促进作用,研究了中温（37±1）℃和固体质量分数为12%时,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合原料的厌氧消化产甲烷性能,最后应用修正的Gompertz方程分析甲烷生产的动力学过程.结果表明：3种物料混合厌氧发酵发生了明显的协同促进作用,协同效应作用值为34.85%~70.39%,贡献效果显著（P<0.05）;当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS混合比例为50：20：30时,甲烷产率、累计甲烷产量和VS降解率达到最大值,分别为286.0mL/g VS、20713mL和65.6%,比单一牛粪、蔬菜废弃物以及玉米秸秆厌氧消化甲烷产量分别提高了32.9%、229.9%和82.0%.修正的Gompertz方程能较好反映物料厌氧消化产甲烷过程,拟合结果的R²均大于0.99,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为50：20：30时具有最大产甲烷速率17.34mL/（d×g）和较短的迟滞时间2.97d.该研究结果可为农牧废弃物多元混合物料厌氧消化产沼气工程提供参考.     

不同处理模式下污泥厌氧消化的能源回收与碳排放分析

厌氧消化是污泥资源化的主要方式之一,然而不同处理模式下污泥的能源回收和碳排放情况存在差异。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的核算准则,从碳减排的角度比较了4条污泥厌氧消化技术路线的能源回收与碳排放强度。结果表明：污泥传统厌氧消化(R₁)、污泥热水解(90℃/170℃)-厌氧消化(R₂)、污泥与餐厨垃圾共消化(R₃)和污泥热水解(170℃)-餐厨垃圾共消化(R₄)4种不同情境下的甲烷产量顺序为R₁2^90℃2^170℃34,净碳排放量顺序为R₃2^90℃142^170℃。各技术路线通过能源回收,均实现了碳中和率...     

碱(水)热处理改善分选有机废物的厌氧消化性能

取用凋落杨树叶和自配厨余废物,分别进行水热(碱)预处理后测定生物化学甲烷势(BMP),研究碱热处理对废物厌氧消化性能的影响.水热处理后产物pH降低,有机物加速溶解并进一步水解生成小分子物质.对于不同废物,实验得到的最佳水热条件不同.杨树落叶在水热温度150℃、碱性环境处理后观察到厌氧甲烷势,水解液SCOD浓度13 203 mg/L.水热温度超过130℃时厨余废物完全溶解或悬浮,SCOD浓度12412 mg/L.加碱催化对产沼性能影响不大.此时两者最大比累计甲烷产量分别为112 mL/g和276 mL/g.总碳转化率分别为24.81%和53.34%.     

醋糟高效厌氧消化体系构建

运用高固态厌氧消化模式,通过提高反应体系均质程度和沼液回流等手段,逐步提升物料负荷,对未经预处理的醋糟进行厌氧消化处理,成功构建了醋糟高效厌氧消化体系.结果表明,在反应体系物料负荷达到6.15 g·(L·d)~(-1)时表现出最佳的厌氧消化性能,单位干物料产沼气量为396 m L·g~(-1),单位干物料产甲烷量为211 m L·g~(-1).该物料负荷下半纤维素降解率达到63.66%,是醋糟厌氧消化性能提高的主要原因.纤维素、木质素的降解率分别为21.46%、24.43%,较低的降解效率主要是由于木质素中的苯环结构难以降解,并阻碍纤维素酶的水解作用,对纤维素降解产生屏蔽效应.     

KOH和NH3·H2O联合固态预处理对青稞秸秆厌氧发酵特性的影响

为提高青稞秸秆的综合利用率,选用KOH和NH₃·H₂O作为青稞秸秆固态预处理试剂进行中温批式厌氧发酵产甲烷试验研究,并通过Box-Behnken响应面法来考察不同含量的KOH、NH₃·H₂O及预处理时间对青稞秸秆累积甲烷产量的交互影响. 结果表明:各因素对青稞秸秆累积甲烷产量的影响程度表现为NH₃·H₂O含量>KOH含量>预处理时间;通过响应面模型验证试验得到最优预处理条件为KOH含量5.13%、NH₃·H₂O含量3.35%、预处理时间13.87 h,该条件下累积甲烷产量实测值为282.34 mL/g(以VS计),与预测值(286.4 mL/g)非常接近,相对误差小于5%,证明验证模型有效. KOH和NH₃·H₂O联合预处理能够显著提高青稞秸秆厌氧发酵产甲烷能力(P<0.05),累积甲烷产量较7% KOH和5% NH₃·H₂O单一预处理及未处理分别提高了7.59%、20.82%和70.78%;二者联合预处理还能够有效降解木质素(降解率为29.21%),提高发酵液营养价值;同时,可减少回收预处理试剂的成本,降低对环境的污染. 研究显示,Box-Behnken响应面法能较好地优化青稞秸秆厌氧发酵的预处理条件,KOH和NH₃·H₂O联合预处理是高效生产生物甲烷和环境友好的木质纤维素类废弃物的处理方法.      

芦苇酶解对氢气-甲烷联产过程微生物群落演替规律的影响

采用10 mg/g纤维素酶R-10预处理芦苇秸秆,研究了酶解预处理对芦苇厌氧产气潜力的影响,分析了氢气-甲烷联产过程中微生物群落结构演替规律. 结果表明:酶解预处理后,芦苇秸秆在产氢阶段的累积产气量和φ(H₂)分别达到42.5 mL/g和52.1%;在产甲烷阶段,累积产气量稳定上升,最高值可达137.5 mL/g,是对照组产气量的5倍. 由扫描电镜(SEM)观察可知,产氢阶段以短杆状和梭状菌为主,产甲烷阶段以长杆菌为主. PCR-DGGE(聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳)分析表明,芦苇在酶解预处理后,其厌氧联产过程中微生物群落呈规律性演替,产氢阶段的优势微生物分别为具有降解纤维素产氢气功能的嗜热纤维素菌Clostridium thermocellum(条带B20)、具有高效产氢潜力的兼性厌氧产气肠杆菌Enterobacter aerogenes(条带B28);在产甲烷阶段,其优势微生物为可利用氢营养途径合成甲烷的产甲烷古菌Methanoculleus bourgensis(条带A3)、Methanoculleus horonobensis(条带A13). 经纤维素酶预处理后,芦苇秸秆厌氧联产的累积产气量、φ(H₂) 提高显著,具有纤维素降解功能的细菌和可利用氢营养途径合成甲烷的古菌为主要优势微生物.      

高温条件下初始pH值对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH4的影响

污泥-餐厨垃圾厌氧消化产氢产CH₄可将城市有机废弃物转化为可再生能源H₂、CH₄,对实现碳减排发挥着重要作用。通过批式试验探究高温条件下(55±1℃),不同初始pH值对污泥和餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH₄的影响。研究结果表明:适度地增加产氢余物的碱度会提高产CH₄效能,而过低的初始pH则抑制了产氢余物产CH₄效能。初始pH=8时,CH₄最高浓度(79.08%)、累积产甲烷量(101 mL/g DS)和最大CH₄生产速率(12.21 mL/d)均达到最大。不同初始pH下,总糖和总蛋白质的降解量跟累积产甲烷量呈正相关,其中总蛋白的降解量及降解率均高于总糖。初始pH=8时,总糖和总蛋白质的降解量及降解率最高,分别为6078 mg/L、55.70%和4710 mg/L、69.67%。不同初始pH值下,产氢余物厌氧消化后的pH都趋于7.5左右。     

秸秆高固体厌氧消化预处理实验研究

农作物秸秆含有大量难降解的木质素,难于直接被厌氧微生物利用,降低了高固体厌氧消化技术处理农作物秸秆的效率.本研究采用4种不同化学药剂浸泡的方法对秸秆进行预处理以破坏木质素结构、加快高固体厌氧消化的进程.实验分别利用浸泡液COD浓度、COD溶出总量和14 d加速产气实验结果来表征预处理效果,考察了预处理药剂种类、浓度,预处理时间、温度,秸秆种类及其破碎程度等因素对预处理效果的影响.结果表明,NaOH溶液是预处理效果最好的药剂,提高秸秆的破碎程度和预处理温度,同样能提高预处理效果.利用4 mg/L的NaOH进行秸秆预处理,14 d加速产气实验共产气约1?500 mL(10　g秸秆);预处理24 h后其浸泡液COD浓度达到39?000　mg/L.经过NaOH溶液预处理,秸秆中难降解木质素的含量从28%下降到19%,有利于提高高固体厌氧消化技术处理秸秆的效率.     

造纸污泥与味精废液联合厌氧消化产甲烷性能研究

采用造纸污泥与味精废液间歇式联合厌氧消化产沼气,通过设计总固体(TS)含量、碳氮比(C/N)和接种量等不同的工艺参数,研究了不同工艺条件下各反应器的产甲烷性能.试验结果表明:在中温(37±2)℃条件下,TS含量对系统累积产气量的影响较大,各反应器的累积产气量随TS含量的增加而增加;各反应器的单位质量挥发性固体(VS)累积产气率和TS、VS的去除率随TS含量增加而降低;在TS含量为10%的3组反应器中,造纸污泥:味精废液(w/w)=10∶1的反应器产气效果优于造纸污泥∶味精废液(w/w)=25∶1和70∶1两组处理,这与前者在消化过程中pH值下降最多、酸化能力最强有关;联合厌氧消化累积甲烷产量最大值为5482mL(TS含量为10%,造纸污泥∶味精废液(w/w)=10∶1),单位质量VS甲烷产率最大值为362mL.g-1(TS含量为3%,造纸污泥∶味精废液(w/w)=11∶1),可见这两种工业废物联合厌氧消化具有巨大的产甲烷潜力.     

ADM1模型对生物强化厌氧产甲烷体系的模拟

利用厌氧消化1号模型（ADM1）对高氨氮条件下生物强化促进厌氧消化产甲烷体系进行模拟,对原始ADM1参数进行修正,进而对修正模型进行验证.基于生物强化对厌氧消化产甲烷过程影响的实验数据,结合敏感度分析及参数意义,提出3种假设,选择乙酸半饱和系数（ks_ac）、最大比乙酸降解速率系数（km_ac）和氨氮抑制参数（KI_NH3,_Xac）对原始ADM1进行修正.模拟结果表明,3种修正模型均可对生物强化过程进行较准确的描述,其中,修正km_ac后的模型（ADM1_km_ac）对甲烷产量和挥发性脂肪酸的拟合优度最高（R² > 0.87）,说明在此过程中对km_ac的修正更有意义.模型验证表明,修正后的ADM1_km_ac模型可对生物强化技术强化厌氧消化产甲烷过程进行描述、分析及预测.     

典型兽用抗生素对猪粪厌氧消化产甲烷效率及微生物代谢产物的影响

为明晰猪粪厌氧消化过程中抗生素对于反应体系的影响,对3种典型抗生素处理组下猪粪厌氧消化产气潜能、代谢路径及产物进行研究。四环素和磺胺嘧啶处理组的甲烷回收潜能更高,四环素处理组的最大累积甲烷产量可达到60.92~67.00 mL/g TS,磺胺嘧啶处理组可达到55.88~62.13 mL/g TS,均高于对照组58.15 mL/g TS;而土霉素处理组的甲烷产量为42.27~50.43 mL/g TS,仅有16%~19%的COD转化为CH₄。土霉素处理下,水解过程受促进,而产甲烷过程受到抑制。3类抗生素处理均会促进厌氧消化系统中厌氧微生物对溶解性蛋白质的转化,而抑制溶解性多糖的转化;进一步对发酵液中的溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)成分进行分析,发现土霉素处理组中富里酸和腐植酸类代谢产物相对于其他组更少。结果表明:不同种类抗生素对于厌氧发酵系统中厌氧微生物代谢降解产物与路径产生较大影响,进而影响有机物的能源转化及污染物处理效率。     

膨润土对鸡粪序批式厌氧消化特性的影响

为考察外源添加物——膨润土对鸡粪厌氧消化特性的影响,在中温〔(35±1)℃〕条件下,采用L₈(23)正交试验设计,考察了膨润土添加量(w,以干基计,下同)、鸡粪VS(挥发性固体)添加量、厌氧消化污泥接种量对鸡粪厌氧消化过程中产气、pH、氨氮形态、EC(电导率)等的影响. 结果表明:添加1.5%和3.0%的膨润土均能显著提高鸡粪VS产CH₄量,并且在高鸡粪添加量情况下达到极显著水平(P<0.01);当膨润土添加量为3.0%、厌氧消化污泥接种量为20%时,VS累积产CH₄量达到301.92 mL/g,比对照组(160.76 mL/g)提高了87.80%;当鸡粪VS添加量相同时,添加1.5%和3.0%的膨润土均能极显著地降低消化料液的ρ(TAN)(TAN为总氨氮)(P<0.01),并且可以减少鸡粪厌氧消化过程中ρ(FAN)(FAN为游离氨)的剧烈变化;添加膨润土还能极显著地降低鸡粪厌氧消化料液的EC. 研究显示,添加膨润土有利于缓解鸡粪厌氧消化过程中氨氮抑制,提高系统稳定性,并可显著改善厌氧消化整体性能.      

预处理对园林垃圾混合物料联合厌氧发酵的影响

采用超声、微波及碱热预处理技术强化园林垃圾、厨余垃圾与果蔬垃圾联合厌氧发酵产气性能,并以未进行预处理的实验组作为对照。结果表明:4组实验pH值在2 d内迅速降低至7.24~7.45,反应后期可稳定在7.7~8.0,表明厌氧消化系统有较强的稳定性。挥发性脂肪酸（volatile fatty acids,VFA）浓度在第2~4天内达到最大值。乙酸和丙酸是4组实验中VFA的主要成分,两者比例之和在70%以上。VFA浓度在第13天后降低到500 mg/L以下,且以乙酸为主。氨氮（TAN）浓度在前4 d内出现一定波动,随后逐渐升高至2190~2410 mg/L。游离氨氮（FAN）浓度呈先降低后增加趋势,并在第13天后逐渐趋于稳定,为144~209 mg/L。沼气中甲烷比例在第2天后均超过50%,并在第11~12天时达到最大值61.4%~63.8%。修正的Gomperts模型模拟结果表明:预处理技术可缩短反应体系厌氧产沼的适应时间,提高前期产气速率。除此之外,超声预处理与碱热预处理可显著提高基质甲烷产率,由未处理时的396 mL/g分别提高到601,536 mL/g,而微波预处理使得反应体系甲烷产量略有降低。     

水热/臭氧预处理促进餐厨垃圾中典型废弃油脂厌氧发酵产甲烷

为了缓解餐厨垃圾中大量未降解油脂包覆微生物,对厌氧发酵产生严重抑制的问题,本文采用水热或臭氧预处理有效降解油脂,预处理进行厌氧发酵.扫描电子显微镜和傅里叶变换-红外光谱分析表明,经过水热或臭氧预处理后,厌氧发酵过程油脂降解程度提高.经过臭氧预处理的火锅废油厌氧发酵甲烷产率提升至（854.20±10.28） mL·g^-1（每克有机质干重所产生的甲烷量,以毫升计,下同）,在第20 d达到产甲烷速率峰值（122.06±3.46） mL·g^-1·d^-1,较之未处理组达到甲烷峰值速率的时间缩短4 d,甲烷产率提升17.4%.总体能量转化效率由未经预处理的64.88%提升到臭氧预处理后的76.18%,说明臭氧或水热预处理可以促进油脂的降解,并且提高产甲烷菌对底物的利用从而提高发酵产甲烷的效率,从而在一定程度上缓解目前工业生产中存在的油脂难以降解以及包裹厌氧微生物的问题.     

氧化钙强化消落带植被厌氧消化产甲烷的探究及作用机制

为了探究CaO预处理对消落带植被（VE）厌氧消化产甲烷的影响,采用4种不同质量分数的CaO对VE进行中温厌氧预处理,并考察了CaO预处理后VE的厌氧消化性能。结果表明:CaO预处理能提高VE中溶解性COD的含量,降低纤维素及木质素的含量,为后续消化过程提供物质基础。当CaO投加量为3%时,甲烷最大积累量为（229.8±6.3）mL/g,显著高于其他组别。此外,CaO预处理VE组别中甲烷的体积分数随消化时间呈现上升趋势。CaO能促进挥发性脂肪酸（VFA）的积累,当CaO投加量为3%时,VFA的最大积累量为（964±45）mg/L。CaO预处理可加速VE中总悬浮固体及挥发性悬浮固体的减量率。     

不同类型秸秆对污泥厌氧消化特性及细菌群落结构的影响

为促进污水处理厂污泥及农作物秸秆的资源化利用,探讨不同类型秸秆（玉米、小麦、水稻）对污泥厌氧消化特性、产气效果及细菌群落结构的影响,在中温〔（35±1）℃〕下,研究了污泥与秸秆按不同质量比（1:0、1:0.5、1:1、1:1.5）联合厌氧消化对污泥C/N（碳氮比）和厌氧消化环境中pH、ρ（NH₄+-N）、ρ（VFAs）（VFAs为挥发性脂肪酸）、日均沼气产量及φ（CH₄）、细菌群落的特征变化,以未添加秸秆的污泥厌氧消化为CK（对照）.结果表明:不同类型秸秆的添加对厌氧消化体系的pH、ρ（NH₄+-N）、ρ（VFAs）均产生显著影响,秸秆的加入明显提高了厌氧消化体系的产气量.联合厌氧消化可通过优化厌氧消化底物的C/N,从而增加ρ（VFAs）和φ（CH₄）.其中,污泥与玉米秸秆质量比为1:1.5时对厌氧消化的促进作用最为显著;其沼气日产量为2 303.08 mL,比CK（536.15 mL）提高了3倍以上,而沼气中φ（CH₄）最高为54.49%,比CK（37.07%）提高46.99%.此外,不同类型秸秆的添加也可通过改变细菌群落结构从而促进秸秆降解,增加ρ（VFAs）和提高沼气产量,特别是添加秸秆后,Bacteroidetes会逐渐取代Proteobacteria成为主要的产酸菌种,从而导致ρ（VFAs）增加.研究显示,污泥与秸秆联合厌氧消化可改善污泥营养结构,改变细菌群落结构,提高沼气产量.      

外加铁对城市污泥厌氧消化产甲烷的作用

为提高城市污泥厌氧消化产甲烷效率,除适量添加餐厨垃圾以提高有机质外,还在污泥中加入了机械加工企业产生的废铁屑,中温（39±1） ℃下厌氧消化30 d,同时与加入等量纯铁粉对比,考察废铁屑和纯铁粉的产甲烷效率。结果表明:废铁屑组和纯铁粉组的累积产甲烷量分别达到340.33,336.52 mL/g,分别比不外加任何铁元素的空白组提高了54%、52%;上述两组在厌氧消化第10天产生的挥发性有机酸达到最大,分别为11051,10800 mg/L,比空白组高出16%、12%。消化第1天,废铁屑组和纯铁粉组的H₂组分比空白组提高了24%、12%;到第25天时,两组的CH₄组分分别比空白组提高了35%、30%。表明废铁屑中多孔的FeOOH导致微生物絮体松散,使得废铁屑厌氧消化的产甲烷效果优于铁粉。     

RSI-MO反应器强化沼气原位深度脱硫研究

为实现剩余污泥厌氧消化沼气原位深度脱硫,采用向反应器中嵌入最佳剂量(20g/L)废铁屑并引入微氧条件,构建废铁屑-微氧(RSI-MO)工艺,探索微氧效应对厌氧消化稳定性、效率、脱硫的影响.试验分7阶段,P1阶段对照组,P2阶段加入RSI,P3~P7阶段逐步提高O₂剂量. 结果表明,MO激发硫氧化菌生物脱硫,促发RSI化学腐蚀而生成铁硫沉淀物,耦合生物脱硫与化学除硫作用.P3~P7阶段,随O₂剂量的提高,H₂S浓度呈降低趋势,而残余O₂浓度呈升高趋势.综合来看,P6阶段反应器厌氧消化效率和脱硫效率最佳,甲烷产率达301.1mL/gCOD、沼气H₂S浓度为113mg/m³,较P1阶段分别提高37.65%和99.40%.通过硫平衡分析发现,P6阶段存在于固、液、气三相硫元素含量分别占84.0%、11.9%、0.21%.表明RSI-MO工艺可实现沼气原位深度脱硫.