牛粪和玉米秸秆厌氧消化产甲烷潜力及动力学

为了评价牛粪和玉米秸秆的产甲烷潜力,研究其厌氧消化过程动力学方程,采用自制序批式厌氧发酵实验装置对某养殖场牛粪和秸秆的最大甲烷生产潜力及其发酵过程进行研究。通过实验研究,测得接种物、牛粪和玉米秸秆的累计甲烷产量分别为64.87、244.0和466.54 m L CH4/g VS。根据实测的产气量变化曲线,按照modified Gompertz equation模型进行方程拟合,牛粪组和玉米秸秆组拟合方程的相关性系数分别为0.983和0.991,表明运用modified Gompertz equation模型预测牛粪和玉米秸秆的产甲烷潜力方法可行。通过对产甲烷过程的动力学研究得到:接种物、牛粪和玉米秸秆的最大产甲烷潜力分别为66.07、213.93和458.57 m L CH4/g VS,与实测值的误差率分别为1.8%、12.3%和1.7%;牛粪和玉米秸秆的最大甲烷日产气率(Rm)和延滞期时间(λ)分别是13.14 m L CH4/(g VS·d)、30.76 m L CH4/(g VS·d)和0.35 d、0.71 d。综上,玉米秸秆厌氧消化的停滞期长,但总产气量和最大甲烷日产期率都比牛粪高。     

餐厨垃圾与活性污泥混合厌氧发酵研究

为实现固体废弃物的能源化利用,对餐厨垃圾与污水处理厂活性污泥进行混合厌氧发酵,通过单因素实验考察了餐厨垃圾与活性污泥的物料配比、TS质量分数、接种量及温度等因素对产气性能的影响,在此基础上利用正交实验探索多因素共同作用对混合厌氧发酵产气特性及产甲烷量的影响。结果表明,多因素对累积产甲烷量的影响顺序为接种量TS质量分数温度物料配比,混合厌氧发酵的最佳条件为物料配比4∶6(质量比)、TS质量分数6%、接种量55%(质量分数)、温度40℃。三次函数可以用于模拟最佳条件下混合厌氧发酵过程中日产甲烷量与发酵时间的关系,模型拟合效果较好(P0.001),达到极显著水平,R~2为0.832,拟合结果可靠性高。     

固相餐厨垃圾厌氧发酵特性

为了研究固相餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷特性,对固相餐厨垃圾进行批式厌氧发酵实验,主要考察了pH、VFA、COD以及纤维素酶活的变化情况,并运用修正Gompertz模型对其产气模型进行动力学拟合.实验结果表明,缓冲溶液的添加可明显促进厌氧发酵产甲烷.在添加缓冲溶液条件下,污泥与餐厨垃圾比例为2∶1,1∶1,2∶3和1∶2时,餐厨垃圾都能很好地进行厌氧发酵产甲烷,最大产甲烷产量分别为594.66、449.74、392.93和333.36 mL/g TS.采用修正Gompertz模型分别对2∶1、1∶1、2∶3和1∶2实验组产甲烷曲线进行拟合,得到产甲烷潜力分别为567.57、437.89、381.12和305.60 mL/g TS,最大产甲烷速率分别为89.38、59.81、47.26和25.80 mL/(d·g VS).对厌氧发酵过程中纤维素酶活的变化进行了研究,结果表明,CMC酶活性在提高餐厨垃圾厌氧发酵过程中纤维素的降解起重要作用.     

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。     

基质组分对厨余与污泥共发酵动力学特性的影响

通过厌氧发酵4阶段动力学实验、产甲烷抑制实验及单一VFA的产甲烷动力学实验,探明了厨余和污泥共发酵过程中,典型组分对其潜在的酸积累类型以及甲烷化过程的影响。结果表明,不同基质组分在厌氧发酵过程中的VFA组成比例以及单一VFA的产甲烷化动力学特性,对其产甲烷潜能及速率有着决定性影响。乙酸的甲烷化速率高达44.80 mL·d~(-1),丁酸略慢于乙酸,而丙酸和戊酸的甲烷化速率不足乙酸的1/2,其中丙酸的延滞期长达1.76 d。因此,产酸类型以乙酸为主的污泥、菜类在产甲烷阶段不存在延滞期;而蛋肉类及油的产甲烷速率受到丙酸、戊酸动力学特性的影响相对较慢。通过调整共发酵基质配比不仅能够提高发酵潜能,还能够优化VFA组成比例,实现较高的甲烷产率及甲烷化速率。     

猪粪与酒糟混合厌氧发酵的产甲烷和三元pH缓冲体系特征

以猪粪和酒糟为发酵原料,考察了5种混合比例(猪粪与酒糟总固体含量(TS)比100:0、95:5、90:10、80:20、50:50)下混合厌氧发酵的产甲烷特性,并研究了其三元pH缓冲体系特征。结果表明,混合比例显著影响猪粪与酒糟混合发酵的甲烷产率(P0.05)。当猪粪与酒糟TS比为95:5时,甲烷产率最大(271 mL·g~(-1)(VSadded)),比纯猪粪厌氧发酵的甲烷产率提高了6.2%。纯猪粪、猪粪与酒糟TS比为95:5的2组累积产甲烷量符合修正Gompertz方程(R~2=0.993 3;R~2=0.989 6),无明显滞后期。酒糟含有的大量硫酸盐影响了甲烷产量。VFAs-氨氮-TIC三元pH缓冲体系特征的研究结果表明,由于酒糟的碱度严重缺失,酒糟添加量过大时,体系偏离合适的pH缓冲区域,体系酸度过高,抑制了厌氧发酵的进行。     

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程底物指标变化

将污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物进一步产甲烷,产甲烷量比污泥与餐厨垃圾单独或直接联合厌氧发酵产甲烷大.研究污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程中产甲烷量与底物指标变化的关系,实验结果表明,整个消化过程中,累积产甲烷量为613 L,最大产气速率和产甲烷速率分别为2.12 L/(kg·d)和1.46 L/(kg·d),最大甲烷含量为72.5％,消化系统的pH在总挥发性脂肪酸(TVFA)以及氨氮、CO32-和HCO3-等碱度的共同作用下基本维持在适宜产甲烷的范围内,在不同的消化阶段,厌氧发酵产甲烷过程起主要作用的物质不同,先后顺序依次为糖类、蛋白质和TVFA,并且累积产甲烷量与COD、总糖、总蛋白质的显著相关性大小依次为:COD＞总糖＞总蛋白质,COD去除率高达79.54％.     

氧化铁对不同有机负荷下餐厨垃圾厌氧消化产气的影响

进行了餐厨垃圾(FW)和接种污泥(Ⅰ)基于不同VS比(分别为FW/I=1,FW/I=3,FW/I=5)下的中温厌氧消化实验,对比了不同有机负荷下未添加氧化铁和添加氧化铁对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响。结果表明,在FW/I=1时,餐厨垃圾厌氧消化体系的产气情况主要由接种污泥决定,添加氧化铁仅能在较小的程度上促进体系产甲烷能力提升;而在FW/I=3时,添加氧化铁可以帮助餐厨垃圾厌氧消化体系从低速产甲烷过程快速进入高速产甲烷,快速降解有机质实现稳定化;而对于FW/I=5时添加氧化铁可以解除由于有机负荷过高造成的酸抑制并恢复体系的产甲烷能力。因此,在实际应用厌氧消化技术处理餐厨垃圾中可以通过添加氧化铁来提高其有机负荷(OLR),提高处理效率,保证餐厨垃圾厌氧消化的正常运行和促进甲烷的产生。     

不同碱剂对污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷的影响

为了使污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷后的沼渣得到有效利用,研究了以Ca(OH)_2代替NaOH作为碱剂调节产氢余物与污泥混合物初始pH进行厌氧发酵产甲烷情况。结果表明,以NaOH和Ca(OH)_2作为碱剂的消化系统厌氧发酵产甲烷的最佳接种量均为50%,且产甲烷率和比产甲烷速率相差不大,分别为60.48mL/(g·DS)、2.16mL/(g·DS·d)和58.68mL/(g·DS)、2.35mL/(g·DS·d),两种消化系统的COD、总糖和总蛋白质的降解率分别为63.0%、25.7%、47.1%和56.7%、23.6%、45.7%。以Ca(OH)_2代替NaOH作为碱剂调节反应物初始pH进行厌氧发酵产甲烷是可行的。     

预处理沼液与餐厨废弃物的厌氧产气发酵特性

为了实现对餐厨废弃物能源化的梯度利用,将沼液进行水浴加热、超声波和曝气等预处理后与餐厨废弃物混合,在中温(35±1)℃条件下进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵实验。考察了不同预处理沼液对产氢率、产氢相缓冲能力、产氢过程可溶性代谢产物成分以及其进行产甲烷发酵的潜力。结果表明,未经处理的沼液与餐厨废弃物混合发酵的产氢率很低,并且相分离不彻底有甲烷产生;各预处理组的产氢率均明显高于未处理组,并很少或几乎没有甲烷产生,其中超声波处理组产氢率最高为52.3 m L·g~(-1)VS。水浴加热和超声波处理组的产氢流出液经产甲烷发酵,可以获得与餐厨废弃物直接进行产甲烷发酵相当的甲烷产率。这表明,将餐厨废弃物进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵可获得更高的能源化效率。     

褐铁矿与固体含量对牛粪秸秆混合厌氧干式发酵的影响

干式厌氧发酵是处理农业废弃物的有效途径之一,其中总固体(TS)含量和外源添加剂是影响有机质产甲烷过程的重要影响因素。以牛粪与水稻秸秆为例,研究了不同的褐铁矿添加量以及TS含量对牛粪秸秆混合厌氧干式发酵产甲烷过程的影响,并对沼渣特性进行表征。结果表明:固定TS含量25%时,添加1%褐铁矿(基于底物TS含量)显著促进产甲烷过程,产气量比对照组增加了21 mL·g~(-1)(以VS计);对照组(无褐铁矿)和添加1%褐铁矿时,纤维素降解均随TS含量升高而降低;TS含量40%时,添加1%褐铁矿对产甲烷过程具有抑制作用,甲烷产率相比于对照组(TS含量25%)降低了71%。可见只有当TS含量25%时,添加适量褐铁矿才能有效促进牛粪秸秆混合厌氧发酵产甲烷过程。研究可为优化农业废弃物甲烷化提供参考。     

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷条件优化研究

研究了21、37和47 d产甲烷物料代替新鲜污泥接种于污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物的厌氧发酵产甲烷情况,发现接种47 d产甲烷物料的消化系统在最佳接种量50%条件下的产甲烷效能显著优于接种新鲜污泥的消化系统,不仅提高了产甲烷率,还大大缩短了消化时间。并且3种消化系统产甲烷率和比产甲烷率均为47 d37 d21 d,分别为3.78、3.88、6.15 mL/g和0.172、0.277、0.559 mL/(g·d),完成产甲烷过程的消化时间为47 d37 d21 d。在一定的消化时间范围内,产甲烷菌被驯化时间越长,接种于产氢余物中的产甲烷效能越好。     

餐厨垃圾和稻草两相厌氧发酵及其动力学

采用响应面实验设计对影响酸化相产酸效果的4个因素即有机负荷、酸化时间、F/M(VS/VS)比、餐、草比进行实验研究.在最优的酸化条件下,选取最优的餐、草比与单餐厨和单稻草的产酸效果和产甲烷性能进行比较,并进行产物动力学曲线拟合.实验结果表明,进料负荷为42.95 g(VS)/L,酸化时间为7.92 d,F/M(VS/VS)为2.12∶1,餐、草混合比为3.88∶1时,产酸效果最优,VFA和乙醇总量为16 844 mg/L,比单因素最优水平组合VFA和乙醇总量提高30.4％.一级动力学模型可以很好地表征酸化阶段的VFA和乙醇的产量,餐、草比3.88∶1,餐厨垃圾和稻草的酸化一级产物生成的速率k分别为0.0887、0.0753和0.0625 1/d.修正Gompertz模型也较好地表征产甲烷阶段的负荷累计产甲烷量,拟合曲线的相关系数均大于0.98.     

添加NaOH对水生植物固体厌氧发酵产甲烷的作用

为了提高木质纤维素生物质的甲烷产率,固体厌氧发酵以及预处理技术得到了广泛应用。本研究以水生植物菹草为例,探讨了厌氧固体发酵同步碱处理提高甲烷产率的可行性。采用2种来源的微生物(厌氧污泥和牛粪),初始生物质浓度为20%TS(total solid,总固体重量),考察不同的NaOH添加量(基于反应体系总TS 0%、2.0%、3.5%和5.0%)对菹草厌氧发酵产气和固体水解效率的影响。结果表明,与对照实验组相比,初始NaOH加入量为3.5%时,接种污泥和牛粪的实验组中甲烷总产量分别为787.1 mL和1 165.4 mL,与对照实验组相比(619.1 mL和834.8 mL),分别提高了27.1%和39.6%,而且接种牛粪的实验组中单位挥发性固体(VS)产甲烷率最高,为186.5 mL/g。对发酵后的木质纤维素残渣组分进行分析,结果表明,NaOH有助于促进菹草中纤维素及半纤维素的分解,以及木质素结构的破坏,从而提高了菹草厌氧发酵产气产甲烷效率。     

藻渣添加对玉米秸秆厌氧发酵特征的影响

厌氧发酵是农业废弃物资源化的有效途径之一.将农业废弃物同其他富含氮元素的有机废物混合发酵能够有效地提高产气效率.以玉米秸秆为例,尝试利用藻渣作为添加剂,提高农业废弃物厌氧发酵的性能.实验主要研究了混合发酵比例对沼气产量、甲烷产量、沼渣沼液特征的影响.当玉米秸秆、藻渣和接种污泥的挥发性固体质量分数为10∶ 2∶2时,沼气产率最高可达421.0 mL/g,甲烷产率为218.7 mL/g.沼渣组分分析表明,纤维素和半纤维素降解效率分别为83.7％和68.4％,和对照相比纤维素的降解效率显著提高.结果表明,藻渣的添加能够有效地促进玉米秸秆厌氧发酵产甲烷过程.     

接种比对餐厨垃圾干式厌氧发酵启动的影响

针对不同接种比对餐厨垃圾干式厌氧发酵启动的影响,对比分析了VS接种比分别为0.36和0.90两种情况下,餐厨垃圾干式厌氧发酵启动过程中pH、NH4-N、COD、VFA、甲烷含量等指标的变化。实验结果表明,启动初期2组样品pH分别快速降至4.74和5.68,均呈酸化状态,经碱液调整后,接种比为0.36的处理仍无法正常产气,接种比为0.90的处理,pH逐步提高,系统正常运行,经72 d的发酵实验,COD去除率达90.29%,甲烷含量高于60%的沼气产量达255.4 L,分析可见,VS接种比是干式厌氧发酵处理的重要参数;此外,与传统湿式厌氧发酵处理相比,餐厨垃圾干式厌氧发酵在较高的VFA和氨氮浓度下,仍能正常运行,采用干式厌氧发酵技术处理餐厨垃圾是可行的。     

厌氧发酵系统中回流沼液的产甲烷活性研究

为确定两阶段厌氧发酵系统合理的污泥回流时段,对厌氧发酵系统排出沼液产甲烷活性进行了研究。通过对这些沼液在后储罐放置的不同天数(0~5 d)测定其不同的活性,用间歇实验方法测定最大比产甲烷活性(Um ax.CH4)作为厌氧污泥的产甲烷活性指标。结果表明,排出的沼液产甲烷活性在不同的时间段有所不同,经实验得出沼液放置第2 d时的产甲烷活性最高,从而确定该两阶段厌氧发酵系统排出污泥合理的回流时段应该是沼液进入后储罐的第2 d。进而为在线活性污泥与后储罐最佳活性时段污泥混合的污泥回流工艺提供理论依据。     

多壁碳纳米管短期作用对厌氧颗粒污泥的影响

研究了不同质量浓度(1、20和100 mg·L~(-1))多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotubes,MWCNTs)短期(7 d)作用对厌氧污泥系统的影响。结果表明:1、20和100 mg·L~(-1)的MWCNTs反应器出水中的COD、pH、VFA与对照组变化规律一致;其中,100 mg·L~(-1)的MWCNTs可以诱导更快的底物利用率。不同质量浓度MWCNTs反应器的产气量和甲烷体积分数与对照组之间相比无显著差异(P0.05)。运用修正Gompertz方程拟合甲烷产量曲线以及计算最大比产甲烷速率(U_(max,CH_4))和最大比COD去除速率(U_(max,COD))表明厌氧产甲烷菌产气特性没有受到MWCNTs的影响。实验研究结果为以后研究碳纳米管在厌氧废水处理中的影响提供了提供新的思路和方法。     

垃圾渗滤液发酵产氢和产甲烷特性研究

以实际垃圾渗滤液作为厌氧发酵基质,研究了初始pH为7.0、中温(37℃)条件下的发酵产氢、产甲烷特性。结果表明,利用垃圾渗滤液作为基质发酵产氢或甲烷时,氢气的最大累积产量为24.33mL(以每克COD计,下同),甲烷的最大累积产量为91.59mL,产氢发酵在初期存在明显的迟滞期,但是产甲烷发酵不存在明显迟滞期;产氢发酵的液相末端产物中含有大量的挥发性有机酸和乙醇,乙醇、乙酸、丁酸质量浓度分别为487.23、1 175.21、1 225.78mg/L,相比产氢发酵,产甲烷发酵的液相末端产物中乙醇、乙酸、丁酸质量浓度均较低,分别为256.38、106.73、107.42mg/L;产甲烷发酵的最终pH是6.32,接近中性,而产氢发酵的最终pH为4.21,呈明显酸性;产甲烷发酵对COD的去除率(41.78%)高于产氢发酵对COD的去除率(32.14%),可能是产氢发酵液相末端产物中的乙酸能被产甲烷菌利用,而被进一步降解。     

初始pH值对泔脚发酵产氢余物甲烷化的强化研究

以城市生活垃圾厌氧消化污泥为接种物,考察了初始pH值为5、6、7和8时对泔脚发酵产氢余物中温(36℃)批式厌氧消化的影响。结果表明,当初始pH值低于7时,随着初始pH值的增大,产氢余物的产甲烷能力也随之增大;而当初始pH值高于7时,体系的产沼能力却受到了极大的抑制。结合Gompertz模型拟合结果,初始pH值为7为泔脚发酵产氢余物沼气化的最佳初始pH值,其沼气化的延迟时间λ、产甲烷率、生物气中甲烷的最高体积含量分别为:4.02 d,379.28 mL/g VS,82.2%。厌氧消化结束后,除初始pH值为5的以外,厌氧消化余物的pH值在6.8~6.9之间,这为沼气中甲烷的高体积含量(高于常规厌氧消化的最高甲烷体积含量75%)提供了证据。