氨氮浓度对猪粪厌氧消化及产甲烷菌群结构的影响

氨氮抑制是影响高含固厌氧消化推广应用的主要因素之一。通过批式实验,采用外源氨氮投加方式,考察了厌氧消化过程中不同氨氮浓度对鲜猪粪产甲烷效果和产甲烷菌群结构的影响。结果表明:氨氮添加量为2 000 mg·L~(-1)(TAN≈3 596.7 mg·L~(-1))时,日产甲烷速率及累积产甲烷量均明显下降;添加量大于4 000 mg·L~(-1)(TAN≈5 618.7 mg·L~(-1))时,氨氮抑制加剧,出现VFAs累积、产甲烷高峰期后移、丙酸降解失败。不同氨氮投加量下猪粪中挥发性固体(VS)产甲烷率分别为(369.0±17.3)、(318.5±7.6)、(234.7±2.5)、(165.4±19.4)mL·g~(-1),产甲烷效率较对照组分别下降14%、36%和55%。超过4 000 mg·L~(-1)的外源氨氮投加促使产甲烷菌群结构发生显著变化,乙酸利用型产甲烷优势菌Methanosaeta逐渐被Methanosarcina代替,而氢利用型产甲烷菌属中Methanospirillum的优势性逐渐被Methanoculleus和Methanomassiliicoccus取代,说明后者均有较强的氨氮耐受性。主成分分析和冗余分析表明,高浓度氨氮会促使产甲烷途径由乙酸利用型为主向氢利用型为主转变。     

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。     

畜禽废弃物厌氧消化过程的氨氮抑制及其应对措施研究进展

氨氮抑制是造成畜禽养殖废弃物厌氧消化处理效率低和运行稳定性差的主要因素之一。在总结国内外研究进展的基础上,简述了氨氮的来源及抑制阈值,剖析了氨氮抑制的机理及其影响因素,从氨氮的缓冲和微生物驯化2个方面总结了氨氮抑制的应对措施。建议重点加强畜禽养殖废弃物厌氧消化过程中氨氮释放规律、"氨氮-VFAs-碳酸盐"三元缓冲体系的调控模式、氨氮抑制的微生物学机制等方面的研究,以期为提高畜禽养殖废弃物厌氧消化工程的处理效率和运行稳定性提供参考。     

零价铁和微波预处理组合强化污泥厌氧消化

以中温(100℃)常压的微波预处理结合零价铁投加为对象,考察了低投加量5. 19～41. 51 g·kg~(-1)(以TS计)、高投加量83. 35～853. 46 g·kg~(-1)(以TS计)下的零价铁对微波预处理污泥厌氧消化的进一步强化作用.结果表明,微波预处理与零价铁组合可使污泥厌氧消化产甲烷潜势提升17%～23%.零价铁对微波预处理后污泥厌氧消化具有一定的促进作用,且提升了厌氧消化初期(1～4 d)产甲烷速率,零价铁投加量为31. 13 g·kg~(-1)(以TS计)时,产甲烷潜势提升了7. 42%,反应第2 d的产甲烷速率提高了11. 02%.高投加量的零价铁并未表现出更好的强化效果.零价铁促进了厌氧消化初期溶解性有机物的释放,投加量为31. 13 g·kg~(-1)(以TS计)时,溶解性蛋白质较单独预处理组提高21. 16%,并且零价铁投加加快了乙酸、异丁酸、异戊酸的消耗.零价铁的投加,导致上清液中的磷酸根和硫酸根浓度降低,相应地,上清液中铁元素的浓度反而下降,说明零价铁的形态转化后,易与磷酸盐、硫反应形成沉淀,这可能是铁投加作用效果不明显的重要原因.     

高负荷厌氧生物反应器的三元酸碱缓冲体系特征与调控

高负荷是升流式(Up-flow Anaerobic Sludge Bed, UASB)、内循环厌氧反应器(internal circulation, IC)和厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)等厌氧生物反应器发展的趋势,也是实现"沼气升级(biogas upgrading)"的难点.挥发性有机酸(volatile fatty acids, VFAs)和溶解性无机碳(total inorganic carbon, TIC)既是厌氧消化必经的中间产物,又与氨氮等弱碱共同影响高负荷厌氧消化过程的pH变化,并决定着沼气中的甲烷含量.VFAs、TIC和氨氮构成的三元pH酸碱缓冲体系是高负荷厌氧消化"沼气升级"的关键操作条件.本文总结了高负荷厌氧消化过程中pH变化规律和影响,针对不同VFAs/氨氮关系的形成机制,分析了高负荷厌氧消化碳酸盐缓冲体系特征及其对沼气CH_4/CO_2构成的影响.以厌氧膜生物反应器为例,讨论了近年来基于pH在线监测和调控方法、理论模型方面的研究进展,同时对未来的重点研究方向提出展望,以期为今后的高负荷AnMBR研发提供参考.