热碱-分步酶水解-厌氧消化工艺处理秸秆畜粪混合物料及其甲烷高值化条件

为获得秸秆畜粪混合物料在厌氧消化过程中的甲烷高值化产出,提出了一种新型“热碱-分步酶水解-厌氧消化”组合工艺。以玉米秸秆和牛粪混合物料作为实验对象,考察物料中纤维素、半纤维素、蛋白质获得高溶出效率的热碱预处理条件;分步投加纤维素酶和蛋白酶的剂量及水解时间;热碱预处理后的混合浆液和热碱-酶水解后的混合水解液厌氧消化甲烷产率及产气周期。结果表明,在80°C和0.5%NaOH碱用量条件下,纤维素、半纤维素和蛋白质的溶出效率(%TS)最高,与未预处理相比(对照组),分别提高24.84%、12.24%和8.92%;分步酶水解的过程和条件为:先投加80U·g-1的纤维素酶水解18h,再投加20U·g-1的蛋白酶水解4h,纤维素和蛋白质的水解效率可分别达到74.08%和74.01%,获得的水解液中糖类提高12~32倍;在厌氧消化阶段,热碱-酶水解后的水解液甲烷产量最高值可达750mL·h-1,产气周期50h,相比于热碱预处理后的底物消化(对照组),产甲烷效率提高了约14倍,产气周期缩了短约17d。热碱-酶水解预处理能有效地解除混合物料厌氧消化过程的水解限速,研究结果可以为开发高效的农业废弃物能源高值化利用技术提供参考依据。     

热碱-分步酶水解-厌氧消化工艺处理秸秆畜粪混合物料及其甲烷高值化条件

为获得秸秆畜粪混合物料在厌氧消化过程中的甲烷高值化产出,提出了一种新型"热碱-分步酶水解-厌氧消化"组合工艺.以玉米秸秆和牛粪混合物料作为实验对象,考察物料中纤维素、半纤维素、蛋白质获得高溶出效率的热碱预处理条件;分步投加纤维素酶和蛋白酶的剂量及水解时间;热碱预处理后的混合浆液和热碱-酶水解后的混合水解液厌氧消化甲烷产率及产气周期.结果表明,在80℃和0. 5%Na OH碱用量条件下,纤维素、半纤维素和蛋白质的溶出效率(%TS)最高,与未预处理相比(对照组),分别提高24. 84%、12. 24%和8. 92%;分步酶水解的过程和条件为:先投加80 U·g-1的纤维素酶水解18 h,再投加20 U·g-1的蛋白酶水解4 h,纤维素和蛋白质的水解效率可分别达到74. 08%和74. 01%,获得的水解液中糖类提高12～32倍;在厌氧消化阶段,热碱-酶水解后的水解液甲烷产量最高值可达750 m L·h-1,产气周期50 h,相比于热碱预处理后的底物消化(对照组),产甲烷效率提高了约14倍,产气周期缩短了约17 d.热碱-酶水解预处理能有效地解除混合物料厌氧消化过程的水解限速,研究结果可以为开发高效的农业废弃物能源高值化利用技术提供参考依据.     

厌氧分步生物反应器系统处理城市生活垃圾的试验研究

以生活垃圾中COD溶出量为研究参数,试验研究了厌氧分步生物反应器系统和渗滤液直接回灌填埋场中的有机物降解规律与产甲烷特征.结果表明:厌氧分步生物反应器系统可显著促进生活垃圾及渗滤液中有机污染物的降解,加速填埋垃圾稳定化,其COD溶出总量与填埋时间的对数呈极显著的线性相关性.厌氧分步生物反应器中产甲烷反应器的产气量占总产气量的80%,甲烷含量55%～69%,较适容积COD负荷为6.5～7.5g/(L·d).     

甲烷化出水循环量对固体废物厌氧水解的影响

在蔬菜花卉类废物的两相厌氧消化过程中,利用甲烷化出水循环至水解反应器凋控厌氧水解过程,以加速固相有机物的水解.比较甲烷化出水循环量分别为0.1、0.5、1.0、2.0 m3/(m3·d)时,水解环境(pH、碱度、ORP、氨氮浓度、还原糖浓度)、水解微生物量和水解效率(SCOD和还原糖的累计溶出量、水解速率常数)的变化,探讨了循环量对水解过程的影响.结果表明,甲烷化出水循环增强了水解环境的缓冲能力和稳定性,高循环量有利于微生物的合成代谢和生物量的增加,水解效率随循环量的增加而升高.该工艺运行9 d后,循环量为0.1、0.5、1.0、2.0 m3/(m3·d)时,水解液的SCOD(以VS计)累计溶出量分别达到334、407、413、581 mg/g,相应的一级动力学水解速率常数分别为0.065、0.083、0.089、0.105 d-1.     

热水解预处理剩余污泥的有机物分布及厌氧消化特性

研究了热水解后剩余污泥中有机物分布以及热水解对污泥厌氧消化效果的影响。剩余污泥经过热水解处理后,VSS含量从51. 0%降低至42. 7%,溶解性COD占总COD的比例从0. 5%提高至33. 5%;进一步厌氧消化时,总COD和VS降解率分别提高至35%和41%,甲烷产率提高至0. 25 L/g,累积甲烷产量比未热水解的污泥提高了101. 2%。脱水污泥液累积甲烷产量占热水解污泥甲烷产量的59%,是厌氧消化所产甲烷的主要来源,而脱水泥饼COD转化成甲烷的比例相对较低。根据剩余污泥热水解后液相和固相有机物的厌氧消化特性差异,提出了基于热水解的污泥厌氧消化工艺优化方案。     

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.     

生物质秸秆静态与动态厌氧消化产甲烷潜能对比研究

中温(32~35℃)环境下,通过对固含率为15%三种不同粒径的发酵物料(0.5 cm以下、1~2 cm、3~5 cm)的厌氧消化过程分析,并且对固含率20%、25%、30%与带消化液回流的厌氧发酵实验研究,结果表明:三种不同粒径发酵物料产气量最大的是<0.5 cm,其次依次为1~2 cm,3~5 cm,考虑到粒径小容易酸化的原因,选择秸秆厌氧消化的粒径范围0.5~2.0 cm;小麦秸秆无回流间歇发酵的产气率可达到每立方米发酵物料2~3 m3/d,带消化液回流的厌氧发酵产气率达到2.2 m3/(m3.d);初始固含率8%的发酵物料经过消化液回流、排剩,最终发酵物的固含率为16.4%;小麦秸秆无回流间歇发酵产甲烷潜能最大达249.0 m3/t,对应的固含率为25%,带消化液回流的厌氧发酵产甲烷潜能达223.06 m3/t。     

温和湿热预处理对稻秸理化特性及生物产沼气的影响

为考察温和湿热预处理提高秸秆产气速率的可行性,以水稻秸秆为原料,在湿热预处理温度80℃、物料含水率60%条件下,通过分析湿热处理前后稻秸理化特性及厌氧生物产气特性的变化,研究不同湿热预处理时间对秸秆预处理及产沼气效果的影响.结果表明,温和湿热预处理促进了稻秸有机物的溶出,预处理后稻秸水浸提液pH值有较大幅度下降,而COD、TVFA和乙酸含量均大幅度增加,与对照组相比,T1、T2和T3处理秸秆水浸提液COD浓度分别增加了47.19%、55.18%和60.62%,TVFA浓度分别增加了22.34%、33.98%和50.12%,乙酸浓度分别增加了19.52%、34.02%和49.37%,并且乙酸占TVFA百分比均超过85%以上,差异显著性分析表明,处理T1水浸提液各理化特性指标与对照组相比呈极显著差异,而不同温和湿热预处理之间无显著差异;对稻秸纤维素组分破坏效果明显,但不同预处理时间对秸秆木质纤维组分破坏效果影响不大;厌氧发酵产气的结果表明,温和湿热预处理可明显提高稻秸厌氧生物产沼气,发酵20 d平均容积产气率可提高12.53%以上,累积TS产气率可提高36.17%以上.可见,温和湿热预处理提高秸秆厌氧生物产沼气效果是可行的,考虑到工程应用中预处理能耗成本因素,湿热预处理时间以T1处理(即6 h)为宜.     

UASB处理高浓度畜禽养殖废水启动及产气性能研究

利用外循环上流式厌氧污泥床反应器在中温条件下处理高浓度畜禽养殖废水,研究反应器的启动影响因素和产气性能,分析反应器运行特征。在容积负荷为8.1 kg COD/(m3·d)时反应器取得最佳的运行效果,此时COD平均去除率86.9%,出水VFA为204.0 mg/L。该负荷下单位容积平均产气率2.2 L/(L·d),消耗单位有机物平均产气率316.9 m L/g COD,甲烷平均含量70.5%。该研究可为UASB处理高浓度养殖废水的启动提供依据。     

基于秸秆后发酵产沼气的一次发酵时间优化

采用“一次发酵+ NaOH处理+二次发酵”工艺,以稻秸为原料,研究一次发酵时间对稻秸沼气发酵的影响.结果表明,一次发酵后的稻秸仍有一定的产气能力,干物质(TS)产气量为28.11~50.73mL/g TS,产气量大小与一次发酵时间成反比;一次发酵后的稻秸经NaOH处理后,稻秸物质结构受到明显破坏,有机物大量溶出,稻秸浸提液COD、总氮、铵态氮和硝态氮浓度分别较未经NaOH处理的稻秸提高128.56%~213.62%、93.92%~110.59%、53.90%~73.78%和112.08%~188.98%;NaOH处理并不能破坏稻秸的骨架结构,但稻秸官能团相对含量发生变化,加剧了纤维素、半纤维素和木质素结构的破坏.将一次发酵15,25和35d的稻秸经NaOH处理后用于沼气发酵,产气量较相应的对照分别提高了77.37%,119.41%和159.94%,一次发酵时间越长NaOH处理促进秸秆产气的效果越好.实验结束时,一次发酵15,25和35d的稻秸总产气量分别为202.78,205.15,210.21mL/g TS,三者间差异不显著,但较对照(CK)显著提高了11.89%、13.20%、15.99%,发酵周期较CK分别增加了-12,-2,8d.综上所述,采用“一次发酵+ NaOH处理+二次发酵”工艺时,一次发酵时间选择15d更合适.     

不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响

在中温[(35±1)℃]条件下,采用批式发酵方式,研究了不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响.结果表明,不添加氮源时,麦秆挥发性固体(VS)产气量为323.97mL/g,甲烷含量为64.38%;厌氧发酵后发酵液中各形态氮含量均大幅增加,发酵液中的氮以铵态氮和有机氮为主;发酵后的麦秆中木质素含量增加,纤维素结晶区受到一定程度的破坏.添加氮源提高了微生物的活性,产气速率大幅提高,VS产气量提高了35.37%~50.20%,但对甲烷含量的影响不大.除硝酸钾外,添加氮源的各处理发酵液中均以铵态氮为主,占总氮的70%以上,添加硝酸钾的处理最低,仅为54.60%,均远高于对照的38.49%.添加氮源及不同氮源对发酵液中硝态氮含量的影响不大;添加氮源促进了微生物对麦秆中纤维素和半纤维的破坏,但对纤维素结晶区的影响不大.在各种氮源中,以添加尿素的效果最好.     

碱浸泡预处理对固体有机物厌氧消化的影响研究

为提高稻草的产气量并确定最理想的NaOH用量,采用不同浓度的NaOH溶液对稻草进行了浸泡预处理,并在完全混合厌氧消化工艺条件下,分析消化过程的pH值、VFA、COD和产气量等随时间的变化情况.结果表明,在经过NaOH溶液的浸泡处理以后,稻草厌氧消化的气体产量提高了38%～119%,其中甲烷含量从46%提高到59%,VS的去除率从38%提高到51%.实验证明,NaOH溶液对稻草的厌氧消化能力具有显著的促进作用,但Na 的存在也对消化造成了一定的阻抑作用.综合考虑实验结果后认为,浓度为6%的NaOH溶液的处理效果最为理想.     

预处理对打捆麦秸贮存和厌氧生物产沼气的影响

秸秆的长期贮存是秸秆沼气工程长期运行的重要保障,预处理是提高秸秆产气性能的常用方法.为此研究了打捆麦秸贮存与预处理一体化的可行性,分析了麦秸预处理后打捆贮存前后麦秸理化特性、物质结构以及厌氧发酵产气特性的变化.结果表明,将麦秸直接打捆后贮存120 d,对麦秸理化特性、物质结构及产气性能的影响均不明显,影响最大的是堆体上层的麦秸,产气量也仅下降了7.40%;将麦秸用NaOH处理后打捆贮存对提高麦秸干物质(total solid,TS)产气量有一定促进作用,麦秸TS产气量较未贮存麦秸和直接打捆贮存后的麦秸(CK)分别提高了7.02%～8.31%和5.68%～16.96%,对麦秸理化特性的影响不明显;麦秸经尿素处理后打捆贮存,不利于麦秸后续产沼气,麦秸TS产气量较CK下降了2.8%～7.71%;麦秸贮存过程中,将麦秸直接暴露于空气中对麦秸有机物的保存及后续产沼气利用均不利,但影响并不显著,CK和尿素处理堆体上层麦秸TS产气量分别下降了7.40%和4.25%.     

有机负荷对秸秆床反应器厌氧生物产沼气的影响

在实验室条件下,以打捆麦秸为固定相,以猪场废水为流动相,采用半连续进料方式,考察了不同猪场废水容积负荷对秸秆床反应器产沼气的影响.结果表明:发酵前25d,较高的猪场废水有机负荷对反应器产气有一定抑制,之后日产气量和容积产气量迅速增加,并明显高于低猪场废水有机负荷的处理,当猪场废水容积负荷为7.2kgCOD/(m3×d)时,厌氧反应器最大容积产气量达2.29m3/(m3×d),产气稳定后维持在1.52~1.76m3/(m3×d),较猪场废水容积负荷为2.4,1.44kgCOD/(m3×d)的处理分别提高了50%和130%以上,对产气中甲烷含量无明显影响;较高的猪场废水容积负荷不利于麦秸厌氧发酵产沼气,发酵后麦秸干物质损失率、纤维素和半纤维素分解率均与猪场废水容积负荷成反比,红外的结果与之一致.对发酵后麦秸水浸提液的DGGE检测表明,维持反应器高有机负荷、低发酵液HRT,促进了厌氧微生物在麦秸表面定植,微生物种群数量和丰富度均明显高于低有机负荷、高发酵液HRT的处理,反应器耐高有机负荷冲击的能力增强.采用秸秆床反应器处理农村常见的秸秆和畜禽养殖污水产沼气是可行的,且较高的废水有机负荷有利于提高反应器容积产气率.     

含固率和有机负荷对厨余垃圾厌氧消化性能及沼渣特性的影响

为提高厨余垃圾厌氧消化性能和促进沼渣资源化利用,以底物降解效能和产甲烷量最大化为目标,分别考察不同进料总固体（TS）含量（含固率）(12%、15%、18%、25%、28%、33%)和有机负荷〔8.5、10.5、13.5 g/(L·d),以挥发性固体(VS)计〕条件下厨余垃圾的中温厌氧消化特性,并对最优进料参数下沼渣特性和资源利用潜力进行分析. 结果表明:进料TS含量是影响厨余垃圾厌氧消化效能的重要因素,调节进料TS含量至25%时可获得最大累计产甲烷量(16.81 L)和最高单位容积负荷累计产甲烷量(42.01 L/L),挥发性固体降解率达72.29%,系统运行稳定. 在进料TS含量为25%的条件下,系统累计产甲烷量随有机负荷的增加呈先升高后降低的趋势,有机负荷为10.5 g/(L·d)时,系统累计产甲烷量和挥发性固体降解率最高,分别为24.04 L和79.64%,未产生酸抑制现象. 厌氧消化过程中产生的副产物沼渣中有机质和总养分含量较高,电导率和重金属含量较低,pH适宜,满足《有机肥料》(NY 525—2021)和《绿化用有机基质》(GB/T 33891—2017)的要求. 研究显示:当进料TS含量为25%、有机负荷为10.5 g/(L·d)时,厌氧消化系统运行效能最优;沼渣营养成分较高、生物毒性较低,具有较大资源化利用潜力,后续经脱水处理并提高腐熟程度后可进行应用.      

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.      

去除城市生活污泥中有机络合态金属强化其厌氧生物制气

为提高城市生活污泥厌氧消化沼气产率,本文考察了通过金属络合剂EDTA预处理污泥,以去除城市生活污泥中有机络合态金属,强化其厌氧生物制气的效果.结果表明,经EDTA预处理去除金属后的污泥(实验组)较未预处理的污泥(对照组)的有机络合态金属含量减少[(5.09±0.57)%~(1.37±0.20)%,以TS计],溶解性有机质显著提高(SCOD提升627%),暗示该预处理方法能够极大地去除有机络合态金属并强化污泥有机质的溶出.通过测定污泥有机质溶出表观活化能发现,实验组污泥有机质溶出表观活化能比对照组降低36%,表明预处理能够有效降低有机质溶出反应的能量壁垒.污泥厌氧发酵研究发现,在16d的污泥厌氧产酸实验中,实验组VFAs浓度高于对照组,较对照组最大提升42%;在22 d的污泥厌氧产甲烷测试实验(BMP)中,实验组单位有机质累积甲烷产量比对照组增加48%,表明EDTA预处理对提高污泥厌氧消化产沼气具有重要的作用.通过进一步产沼气动力学研究发现,实验组的产沼气限速步骤在产甲烷阶段,而对照组限制于水解阶段,表明经EDTA预处理能有效地破除城市生活污泥厌氧消化过程的水解限速.     

秸秆与游离发酵液接触比例对产沼气特性的影响

在中温(37±1)℃条件下,以破碎麦秸为原料,采用批次进料和消化液每天回流方式(发酵固含率为10%),通过在反应器底部设置不同高度的多孔滤板使秸秆与游离发酵液接触比例分别为100%(T1)、50%(T2)和0%(T3),研究秸秆与游离发酵液接触比例对产沼气特性的影响.结果表明:从产气特征和发酵前后VS变化来看,各处理均无明显差异,表明减少秸秆与游离发酵液的接触比例,对秸秆产沼气效果无影响,即通过渗滤液每天回流方式,未浸没于游离发酵液中的秸秆可以达到与浸没秸秆相同的传质效果,此结果为秸秆厌氧发酵工程中提高秸秆有效发酵浓度提供了理论依据.此外,试验还发现,T3处理中消化液与秸秆接触比例随发酵进程呈逐渐降低趋势,并于发酵第6d基本稳定,表明发酵系统中实际的游离发酵液量逐渐减少,分析认为秸秆物料对消化液有吸收和截持作用,发酵第6d后已达秸秆物料吸持水饱和状态(秸秆物料含固率为16.42%).