烷基多苷对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响

近年来,餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸(VFA)得到广泛的研究,水解反应是餐厨垃圾厌氧发酵的限速步骤。利用生物表面活性剂——烷基多苷(APG)强化餐厨垃圾厌氧发酵生产VFA,考察了APG投加量对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响,分析了APG对餐厨垃圾厌氧发酵的强化机制。结果表明,APG的最佳投加量为0.5g/L,在此投加量下VFA的最大累积量为18.5g/L,VFA的转化率为38%;APG能够强化餐厨垃圾的水解反应,使溶解性蛋白质和溶解性多糖含量明显增加,为后续产酸细菌提供了更多的发酵基质。APG自身分解对VFA有一定贡献,但贡献量远远小于餐厨垃圾的产生量。     

电刺激对餐厨垃圾-污泥共厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响

以小型生物电化学反应器为发酵装置,考察外加电刺激对餐厨垃圾-污泥共厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFA)产量的影响。实验结果表明,餐厨垃圾协同污泥厌氧发酵,有利于体系中蛋白质和糖类的溶解消耗,提高VFA的产量。0.5 V微电刺激可增强厌氧体系中微生物的活性,有利于VFA的产出。第144和192小时,外加0.5V的实验组VFA浓度分别为24 342 mg·L~(-1)和21 291 mg·L~(-1),高于其他实验组,较空白分别提高了30.8%和4.1%;其组成主要是乙酸、丙酸和戊酸。发酵进行第24 h和96 h时,0.5 V微电刺激厌氧发酵体系中溶解性糖类和溶解性蛋白质分别为722.4 mg·L~(-1)和1.49 g·L~(-1),且有机物水解酸化过程中,厌氧体系内糖类先于蛋白质被消耗。     

餐厨垃圾湿式厌氧消化最优有机负荷及失稳指标

为探究餐厨垃圾湿式厌氧消化最佳有机负荷及失稳预警指标,在(36±1)?C单相连续搅拌条件下进行有机负荷(OLR)梯度实验。通过理论及数学分析确定90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化的最佳OLR和失稳指标。当OLR(以VS计)为2.94 g·(L·d)-1时,挥发性固体去除率、甲烷产率、容积沼气产率分别为78%、0.58 L·g-1VS、2.99 L·(L·d)-1,此时厌氧反应器达到最佳运行状态。一定浓度的游离氨(FAN)会抑制微生物活性,触发挥发性脂肪酸(VFA)的积累,造成容积沼气产率降低,第36天,当OLR增至3.21 g·(L·d)-1时,FAN浓度升至区域峰值207 mg·L-1,但随后骤降35.9%(39 d),分别造成VFA和挥发性脂肪酸浓度与碳酸氢盐碱度的比值(VFA/TA)从第37天的1 897 mg·L-1、0.22升高至第47天的4 755 mg·L-1、0.73,系统进入抑制稳定状态,最终导致容积沼气产率从第47天的2.66 L·(L·d)-1降至第48天的1.88 L·(L·d)-1,系统恶化。协同分析表明,当VFA和VFA/TA分别达到2 500 mg·L-1和0.35并出现持续上升的现象时,能提前7~8 d对90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化系统的失稳提出预警。     

酸化餐厨垃圾厌氧消化产氢研究

分析了餐厨垃圾酸化过程中的pH、挥发性脂肪酸(VFA)产量及含水量等参数的变化,考察了酸化餐厨垃圾厌氧消化过程中的产氢情况,并探讨了调节初始pH对酸化餐厨垃圾产氢的影响.结果表明,餐厨垃圾的酸化是一个前期极为快速的过程,经过1d的酸化,新鲜餐厨垃圾的pH就从6.0左右下降到4.5左右,而后pH缓慢下降,经过5～6 d的酸化,pH下降到4.0以下;餐厨垃圾酸化过程中,产生的VFA主要是异戊酸,其浓度变化与VFA的浓度变化趋势较为一致;酸化时间为1、3、4、5、6d的餐厨垃圾体系产生的氢气的最高体积分数呈递减趋势,产氢量也呈现出相同的变化趋势;初始pH对酸化餐厨垃圾体系的产氢影响是很大的,调节到相同初始pH的不同体系,产氢的结果可以相近.因此,pH是酸化餐厨垃圾厌氧消化产氢过程中必须控制的关键因素之一.     

脂肪酶对餐厨垃圾厌氧产气的影响

在序批式厌氧反应器中探究了脂肪酶对餐厨垃圾厌氧消化的影响,结果表明脂肪酶能强化甲烷的积累量,且最佳的脂肪酶投加量为0.4 g·L~(-1),相应的甲烷积累量为356 m L·g~(-1)VSS,该数值是空白对照组的1.3倍。进一步机理研究表明脂肪酶能够促进溶解性COD的释放,提高生物脱氢酶的活性而减少长链挥发性脂肪酸的积累,进而提高甲烷的积累量。     

餐厨垃圾生化产甲烷潜力的数学模拟

为资源化回收利用餐厨垃圾,采用BMP实验对其产甲烷潜力进行了研究,测定了不同厌氧消化时间内的沼气产量及COD、VFA浓度,并在此基础上对餐厨垃圾产甲烷潜力进行了数学模拟。结果表明,混合液COD浓度变化曲线呈逐渐下降的趋势,VFA出现短暂积累,应调控厌氧消化系统的碱度。餐厨垃圾经40 d厌氧消化后,实际生物化学产沼气及产甲烷潜力分别可达559.1、349.7 m L·g~(-1)VS,第20天后累积产气量增加不显著。数学模拟结果表明,餐厨垃圾最初7 d的平均水解常数为0.244 d~(-1),模拟产沼气及甲烷潜力分别可达578.36和363.72 m L·g~(-1)VS,实际产沼气及甲烷潜力分别占模拟产沼气及甲烷潜力的96.7%、96.1%,采用固体停留时间为25~30 d进行厌氧消化较为合理。     

脱水淋滤-UBF工艺处理餐厨垃圾中试研究

以常州市餐厨垃圾为研究对象,采用脱水淋滤-UBF工艺,通过现场实验研究该工艺处理餐厨垃圾过程中厌氧工艺参数(SCOD、p H值和VFA)的变化及产气效能。结果表明:脱水淋滤厌氧反应阶段餐厨垃圾减量率在84%以上,SCOD和VFA浓度先升高后降低,最高达到120 000 mg·L~(-1)和900 mmol·L~(-1)以上;UBF反应阶段p H逐渐上升,运行稳定后维持在7.0~7.5;SCOD逐渐降低,出水在8 000 mg·L~(-1)以下,去除率90%以上;VFA逐步降低,出水降低至100 mmol·L~(-1)。UBF运行稳定后,每吨餐厨垃圾产气量达到83 m3以上,产气效率较为理想。可见脱水淋滤-UBF工艺处理餐厨垃圾是可行的,具有较好经济效益和社会效益。     

利用米曲霉发酵餐厨垃圾产水解酶促进污泥厌氧消化

将米曲霉接种到餐厨垃圾中生产水解酶,并利用此生物酶强化污泥厌氧消化。对比分析了富含水解酶的餐厨垃圾(实验组)、中温灭活富含水解酶的餐厨垃圾(对照组A)和未发酵餐厨垃圾(对照组B)分别与剩余污泥厌氧共消化情况;考察了实验组对污泥厌氧体系的促进效果;并运用3种模型对反应体系中底物的产甲烷潜力进行了拟合。结果显示,实验组甲烷含量最高可达71.51%;挥发性固体单位累计甲烷产量为(308.46±19.47) mL·g~(-1),相比对照组A和对照组B显著提高(P0.05),分别是对照组A和对照组B的1.56倍和1.31倍。修正的Gompertz模型优于一级动力学模型和Cone模型,能够很好地预测厌氧消化体系的最大甲烷产量,更适宜于拟合富酶餐厨与剩余污泥厌氧共消化体系。     

接种顺序和固含率对餐厨垃圾真菌水解效果的影响

为了使餐厨垃圾水解成为优良的营养素来源,采用对淀粉和蛋白质具有不同分解偏好的2种菌种来水解餐厨垃圾,研究了不同接种顺序和餐厨垃圾初始固含率展对水解效果的影响。结果表明,不同的接种顺序对发酵48 h后的还原糖产量及96 h后的游离氨基氮产量有着显著的影响,其中先接种螺旋巴克斯霉(Backusella circina)后接种黑曲霉(Aspergillus niger)的处理还原糖和游离氨基氮的产量最优。初始固含率为2.5%时,真菌产淀粉酶和蛋白酶的效果最佳,分别为382.4和212.3 U·m L~(-1)。餐厨垃圾初始固含率在1.25%~10%的范围内,还原糖、游离氨基氮产量与餐厨垃圾初始固含率呈线性增加的关系:初始固含率每增加1%能多产生还原糖1.14 g,游离氨基氮11.38 mg。     

初始pH和温度对餐厨垃圾厌氧发酵制氢的影响

以餐厨垃圾为发酵底物,研究不同初始p H和发酵温度对餐厨垃圾厌氧发酵制氢潜力、中间代谢产物和发酵途径的影响。结果表明,初始p H和发酵温度对餐厨垃圾厌氧发酵产氢性能及代谢途径具有显著影响,高温发酵的产氢效率优于中温发酵。55℃高温、初始p H为6时厌氧发酵产氢性能最佳,累积产气量、最大氢气含量最大,分别达到620 m L和52.45%,挥发性脂肪酸中丁酸浓度最高为6 182.96 mg·L~(-1),发酵类型以丁酸型发酵途径为主。通过初始p H和发酵温度的优化控制可以有效提高产氢微生物的底物利用效率和产氢潜能,改变厌氧发酵途径,保证厌氧发酵制氢系统高效稳定运行。     

长链脂肪酸对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响

为研究中温条件下长链脂肪酸(LCFA)的含量及代谢对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响,考察了LCFA添加量分别为0、0.6、1.2、1.8、2.4、3和3.6 g·L~(-1)条件下产沼气量、累积甲烷产量以及代谢中间产物挥发性脂肪酸/乙醇的浓度和组成。结果表明:在中温餐厨垃圾厌氧产甲烷的过程中,虽然LCFA也能够被微生物代谢转化生成甲烷,但LCFA的存在会对产甲烷过程造成一定程度的抑制作用;当其含量较低时抑制作用较为微弱,当其含量较高(2.4 g·L~(-1))时,甲烷产量及产甲烷速率都会受到较大影响;特别是当LCFA含量高于3.6 g·L~(-1)时,体系出现较强的抑制现象。通过实验累积值与理论甲烷产率的对比可以发现,LCFA含量越高的反应器中实验累积值/理论值的比值越低,表明有机物的转化效率越低。通过对厌氧过程中间产物的检测可知,LCFA含量越多的反应器中初期累积的挥发性脂肪酸浓度越高,当反应体系的LCFA浓度超过2.4 g·L~(-1)时,累积的乙酸和丙酸浓度较高,丙酸降解过程和乙酸代谢产甲烷的过程受到一定程度的延滞和抑制作用,降解速率低于正常水平,厌氧发酵的能力和效率受到影响。     

蔬菜与餐厨垃圾厌氧发酵启动阶段微生物分析简

为了研究厌氧发酵启动阶段微生物菌群结构、数量变化情况与沼气产量的关系，分别对蔬菜废弃物和餐厨垃圾单一物料发酵进行分析，并测定pH值、挥发性脂肪酸（VFA）、氧化还原电位。结果表明，餐厨垃圾比蔬菜废弃物的启动时间长，但产气持久。蔬菜废弃物中细菌达峰值的时间早于餐厨垃圾，说明蔬菜废弃物中的有机质更利于微生物降解利用。两种原料中的微生物群落结构变化一致，启动阶段初期好氧和兼性厌氧细菌属优势菌，其中产酸菌增殖速率高于氨化细菌，是启动阶段降解有机质的主要菌群。随后厌氧细菌快速增殖，日增殖速率由不足20%增长到近100%并保持稳定。厌氧纤维素降解菌在启动阶段增殖较慢，原料中纤维素降解在厌氧发酵后期。原料液VFA中丁酸含量最多，最高浓度4.7 mg/mL以上，占有机酸总量总量的46%以上，厌氧发酵类型为丁酸发酵型。     

蔬菜与餐厨垃圾厌氧发酵启动阶段微生物分析

为了研究厌氧发酵启动阶段微生物菌群结构、数量变化情况与沼气产量的关系，分别对蔬菜废弃物和餐厨垃圾单一物料发酵进行分析，并测定pH值、挥发性脂肪酸（VFA）、氧化还原电位。结果表明，餐厨垃圾比蔬菜废弃物的启动时间长，但产气持久。蔬菜废弃物中细菌达峰值的时间早于餐厨垃圾，说明蔬菜废弃物中的有机质更利于微生物降解利用。两种原料中的微生物群落结构变化一致，启动阶段初期好氧和兼性厌氧细菌属优势菌，其中产酸菌增殖速率高于氨化细菌，是启动阶段降解有机质的主要菌群。随后厌氧细菌快速增殖，13增殖速率由不足20％增长到近100％并保持稳定。厌氧纤维素降解菌在启动阶段增殖较慢，原料中纤维素降解在厌氧发酵后期。原料液VFA中丁酸含量最多，最高浓度4．7mg／mL以上，占有机酸总量总量的46％以上，厌氧发酵类型为丁酸发酵型。     

零价铁对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响研究

针对餐厨垃圾厌氧消化酸抑制而造成的消化效率低和产气量低等问题,在中温((37±1)℃)条件下,通过向厌氧消化器中投加不同量的零价铁(Fe~0),考察其对餐厨垃圾厌氧消化过程中pH、挥发性脂肪酸(VFAs)、日产气量、COD及累计产气量的影响。结果表明,投加1 000mg/L Fe~0对餐厨垃圾厌氧消化酸抑制的缓冲作用最好,可保证厌氧系统的稳定及最佳运行,第10天的VFAs转化率比对照组(CK组)提高了36.21%;COD去除率比CK组高13.10百分点;日产气量峰值为1 728mL;25d的累积产气量为10 108mL,比CK组高35.01%。     

餐厨垃圾单相厌氧酸化系统恢复参数

针对现今餐厨垃圾单相厌氧酸化系统缺乏有效的恢复性监控指标,提出可有效表征酸化系统恢复的监控指标。在中温条件下,连续对餐厨垃圾单相厌氧消化系统进行负荷冲击及恢复,分别对p H、沼气产率及成分、挥发性脂肪酸组成成分、总碱度(TA)和碳酸氢盐碱度(BA)及其组合指标进行监测分析。结果表明,传统单因子参数不能有效地指示系统恢复,选取VFA/BA和丙酸/乙酸的比值作为餐厨垃圾单相厌氧酸化系统恢复指示性参数。在酸化系统恢复过程中,当丙酸/乙酸≤1.4、VFA/BA≤0.4时,表明系统中各种挥发酸浓度值已恢复正常,且具有足够的缓冲能力,可提高反应器负荷,保证反应器恢复启动运行。     

矿化垃圾对污泥厌氧消化产甲烷的影响

在序批式厌氧反应器中探究了矿化垃圾对污泥厌氧消化产甲烷的影响。实验结果表明,矿化垃圾能够提高甲烷的产量并且提高甲烷的体积分数。当矿化垃圾投加量由0增加到5 g·L~(-1)时,甲烷的产量也由168.9 m L·(g VSS)-1(挥发性悬浮固体)增加到218.6 m L·(g VSS)-1,体积分数由60%增加至70%。然而继续提高矿化垃圾的投加量至7 g·L~(-1)对污泥厌氧消化造成一定的抑制作用。矿化垃圾的存在能够提高污泥中溶解性化学需氧量(SCOD)的溶出,挥发性脂肪酸的积累进而为产甲烷菌提供了充足的消化底物,从而提高了甲烷的产量。     

接种量对餐厨垃圾中温厌氧产甲烷潜能的影响

以接种量作为餐厨垃圾厌氧消化进料负荷的衡量参数,研究不同接种量对餐厨垃圾中温产甲烷潜能的影响,确定餐厨垃圾中温厌氧消化最适接种量。实验设置10%、15%、20%、25%、30%和35%等6种不同的接种量,分析不同接种量之间产气量、甲烷含量、发酵前后总固体(TS)和挥发性固体(VS)、发酵过程中总挥发酸(VFAs)的变化情况。实验结果表明,发酵6 d后,所有发酵瓶罐均无气体产生,35%接种量导致系统酸化;30%和25%接种量时,发酵液维持较高的VFA浓度,在发酵结束后仍有较高浓度的VFA残留,这说明虽然该接种量下系统可以运行,但酸化产生的VFA并未充分转化为甲烷;10%、15%和20%接种量的发酵罐则能够将产生的VFAs利用掉,相比之下,接种量为20%时产气量最大,甲烷含量达到52.88%,TS和VS的去除率也能达到32.11%和38.24%,因此,20%接种量可作为后续实验的最适接种量。     

竹叶与餐厨垃圾厌氧共消化工艺

将黄金竹和毛竹的竹叶分别与餐厨垃圾厌氧共消化,通过分析消化过程中的产气量、pH、COD、NH4+-N和VFAs变化,探讨添加不同竹叶对餐厨垃圾厌氧消化效果的影响.实验结果表明,添加毛竹叶显著增强了餐厨垃圾的厌氧消化能力.毛竹叶+餐厨垃圾组的总产气量是餐厨垃圾对照组单独厌氧消化总产气量的3.28倍,甲烷总产量为10.1 L,COD去除率高达83.0％.而添加黄金竹叶对餐厨垃圾厌氧消化的影响则不明显,可能因为黄金竹叶在消化过程中释放了大量挥发性脂肪酸(VFAs),造成体系酸中毒.     

餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产沼气协同效应

在(35±0.2)℃温度下,以餐厨垃圾和剩余污泥为原料,设置餐厨垃圾和剩余污泥混合比例(VS)分别为1∶0、2∶1、1∶1、1∶2和0∶1,研究其单独消化与混合消化的系统性能、产甲烷潜力及脱氢酶活性和F420浓度变化。结果表明,混合消化提高了系统稳定性,与餐厨垃圾单独消化相比,添加剩余污泥能调节pH、氨氮浓度和VFA浓度,缩短产气周期;与剩余污泥单独消化相比,添加餐厨垃圾能显著提高沼气产量。混合比例为1∶1组混合消化产甲烷潜力最佳,消化作用的协同效应最为明显,沼气和甲烷产量分别达358.2 mL/g VS和224.1 mL/g VS,较餐厨垃圾和污泥单独消化估计值分别提高了23.09%和36.80%。1∶1混合消化组脱氢酶活性最高达437.33 TFμg/(mL·h),比餐厨垃圾和剩余污泥单独消化分别提高93.60%和40.69%,辅酶F420浓度最高为1.718μmol/L,分别提高17.3%和100.7%。     

湿热预处理对北京市典型餐厨垃圾生物制氢潜力的影响

采用北京市2种典型餐厨垃圾,研究不同湿热预处理温度(40、80、120和160℃)和时间(30、60、90和120 min)对2种典型餐厨垃圾理化性能的影响。在此基础上,阐明餐厨垃圾厌氧产氢潜力。结果表明,湿热预处理温度、时间对餐厨垃圾可浮油脱出量具有显著影响,ρ(SCOD)、ρ(TOC)与VS/TS呈负相关。餐厨垃圾处理厂的厨余垃圾经120℃湿热预处理30 min后,可浮油脱出量最大达17 m L·kg-1,ρ(SCOD)、ρ(TOC)分别为150.99、57.91 g·L-1;食堂的餐饮垃圾经160℃湿热预处理30 min后效果最佳,可浮油脱出量最高达99 m L·kg-1,ρ(SCOD)、ρ(TOC)分别为120.69、62.58 g·L-1。餐饮垃圾经160℃湿热预处理30 min,在中温(35±1℃)、高温(55±1℃)厌氧制氢,高温比产氢率和最大产氢速率分别可达40.58 m L·g-1VS、29.20 m L·h-1,与未经预处理组比提高0.78、2.02倍,中温产氢启动时间缩短1倍以上。可见,湿热预处理能显著改善餐厨垃圾理化性质,提高微生物的底物利用效率,提高餐厨垃圾厌氧制氢量及产氢效率。