氨氮浓度对鸡粪中高温甲烷发酵的影响

为探究氨氮浓度对鸡粪中高温甲烷发酵的影响，采用固定水力停留时间（HRT，20d），提高进料总固体浓度（TS，5%、7.5%和10%）的方式增加氨氮浓度，通过265d的长期甲烷发酵试验，比较了不同氨氮浓度条件下鸡粪中高温甲烷发酵效果和污泥的比产甲烷活性.结果显示，TS由5%增至10%，中高温反应器中氨氮浓度由2.1~2.5g/L增至6.1~6.5g/L，对应的比产甲烷活性分别降低了44%和100%，中温反应器中挥发性脂肪酸由0.4g/L增至7.6g/L，甲烷产率由253mL/gTS降至203mL/gTS；高温反应器中挥发性脂肪酸由0.4g/L增至26.1g/L，甲烷产率由181mL/gTS降至18mL/gTS.氨氮浓度对高温甲烷发酵系统的抑制作用更加明显.     

鸡粪中高温厌氧甲烷发酵产气潜能与动力学特性

采用富含氮素的鸡粪为原料,包括原料鸡粪、鸡粪固相部分和鸡粪液相部分,选取以鸡粪为原料连续稳定运行超过90d的中高温厌氧反应器新鲜出料为接种污泥,在中温（35℃）和高温（55℃）条件下开展动力学和产甲烷潜能试验.采用Gompertz模型、一级动力学模型和两阶段模型对鸡粪中高温累积产甲烷量进行拟合.结果表明,鸡粪中高温甲烷发酵均呈现明显的快速产气期和慢速产气期两阶段特征,快速产气期的动力学常数K₁分别为0.4174和0.2104d^-1,快速产气分别在4.5和6.5d结束,快速产气量占到总产气量的69%和58%.原料鸡粪和液相部分的中温发酵动力学常数（K₁）分别为0.4177和0.2330d^-1,均高于高温的0.1721,0.2214d^-1,发酵产气速率较快.鸡粪固相部分中温发酵的动力学常数为0.1960d^-1,低于液相中温发酵的0.2330d^-1和固相高温的0.2310d^-1,中温条件下,水解过程是限制鸡粪甲烷发酵速率的主要因素之一.鸡粪固体和鸡粪液体高温发酵的动力学常数K分别为0.2310,0.22214d^-1,鸡粪固体发酵产甲烷的速率快于液相部分,水解过程不是限制鸡粪高温发酵产甲烷速率的最主要因素.产甲烷潜能试验表明鸡粪在中温和高温下产甲烷潜能分别为212,177mL/gTS.因此,仅从发酵效率的角度考虑,鸡粪中温发酵比高温发酵的产甲烷潜能更高,产甲烷速率更快.     

餐厨垃圾和秸秆混合连续高温甲烷发酵研究

以餐厨垃圾和玉米秸秆(按TS1:1混合)为原料,开展了200d的连续高温发酵和40d批次产甲烷潜能与动力学实验,进料TS浓度8%,以水力停留时间15,10,8,5d的梯度变化逐级增加容积负荷.连续实验发现,在水利停留时间为5d时达到了系统酸化的极限负荷16gVS/(L·d),通过及时停止进料和投碱控制pH值,一周内有机酸浓度由4.73g/L降低到1.02g/L.当OLR为10gVS/(L·d)时,TS去除率和甲烷转化率分别为55.6%和64.5%.批次实验发现,餐厨垃圾、秸秆和混合原料的产甲烷潜能分别为448,221,268mLCH_4/gVS,最大产甲烷速率常数(K)为63,45,41mLCH_4/(g VS·d).通过连续和批次实验分别获得了混合原料高温甲烷发酵的工艺参数和动力学特征,为餐厨垃圾和秸秆能源化利用提供了一个有效途径.     

上推流厌氧反应器连续干发酵猪粪产沼气试验研究

为解决猪粪连续干发酵存在的氨抑制和出料难等难题,在温度(25±2)℃、有机负荷为干物质(TS)4.44 g.(L.d)-1的条件下,采用上推流式厌氧反应器(UPAR)对猪粪进行连续干式发酵试验,研究了猪粪干发酵过程的产气情况、氨抑制现象和出料流动性,并考察了上推流厌氧反应器进行猪粪干发酵的可行性.试验采用4种不同TS质量分数(20%、25%、30%、35%)的猪粪作为原料,经160 d的运行.结果表明,进料TS质量分数对发酵过程有很大的影响,4种不同进料TS质量分数稳定的池容产气率分别为2.40、1.73、0.89、0.62 L.(L.d)-1,进料TS质量分数为20%、25%和30%的产气效率明显优于进料TS=35%的产气效率.随着进料TS质量分数从20%增加到35%,氨氮质量浓度>2 300 mg.L-1会出现明显的产气抑制.在进料TS=35%时,氨氮质量浓度能达到3 800 mg.L-1,产气速率相对于进料TS=20%递减74.1%.当进料TS达到35%、出料TS质量分数达到17.1%、流速<0.002 m.s-1时,UPAR不能顺利出料.     

生物炭介导鸡粪厌氧消化性能研究

为探究生物炭介导的鸡粪厌氧消化产甲烷的较优添加比例,在发酵温度[（35±1）℃]、接种率30%的条件下,进行了以鸡粪为底物,生物炭为外源添加剂的厌氧消化试验,研究生物炭不同添加量（20%、15%、10%、5%和不添加）对鸡粪厌氧消化产气特性的影响,确定了生物炭介导的鸡粪厌氧消化的较优添加比例;同时,用扫描电子显微镜对厌氧消化前后生物炭颗粒和附着在生物炭颗粒上的微生物进行了观察.结果表明：生物炭的添加提高了鸡粪单位VS产甲烷量,添加20%、15%、10%和5%生物炭的处理鸡粪VS产甲烷量分别为223mL/g、228mL/g、230mL/g和281mL/g,均高于对照组的202mL/g;添加生物炭提高了产气中的甲烷含量,降低了二氧化碳和硫化氢含量,提高了沼气品质;电镜扫描结果表明,厌氧消化后生物炭表面及内部附着了大量厌氧微生物,主要为杆菌、微粒菌和球菌;本研究中,生物炭介导鸡粪厌氧消化最优的添加比例约为5%.     

有机负荷和进料频率对高含固厨余垃圾厌氧消化系统性能的影响

以系统降解效能和产甲烷量最大化为目标,分别考察不同有机负荷（8.93、10.71、13.39 kg·m^-3·d^-1）及进料频率（1、2、3次·d^-1）下厨余垃圾中温厌氧消化系统运行过程中甲烷产量、SCOD、氨氮、pH和挥发性脂肪酸（VFAs）的变化,旨在明确系统负荷边界及进料频率对系统稳定性的影响.结果表明,系统的有机负荷存在最优值,系统累计产甲烷量随负荷的增加而升高,随后降低,有机负荷为10.71 kg·m^-3·d^-1时获得最大累计产甲烷量37.17 L,VS降解率72.58%.负荷增加系统稳定性下降甚至失稳,各物质出现积累,不利于反应的进行.增加进料频率可优化系统运行参数,显著提高系统产气和产甲烷量,进料频率较高时,运行周期内系统的甲烷产量及产率最高,分别达到45.03 L和0.738 L·g^-1,呈线性增长,增加进料频率可提高系统对氨氮的耐受能力,显著提高系统稳定性,明显改善VFA和丙酸积累问题.     

蓝藻与厨余垃圾混合消化产甲烷研究

对太湖蓝藻采用资源化处置方式,通过与厨余垃圾混合发酵,达到优化发酵底物、获得最佳产气效率的目的。研究结果表明:随着蓝藻厨余垃圾混合物中厨余垃圾比例的提高（1:0.5～1:2.5）,甲烷产率提高,混合比例1:2.5时甲烷量达到最大,为123.94 mL/g（TS）,比1:0.5反应组提高了44.1%;混合物中厨余垃圾比例由1:2.5增至1:3.0,产气量反而下降;反应前24 h,体系中挥发性脂肪酸含量迅速增加,至第24 h酸量开始下降,第48 h再次上升,此后酸量减少并趋于稳定;反应过程中,各组分pH值均维持在正常范围内;反应结束后,混合比例为1:2.5组辅酶F₄₂₀最大,为1.98μmol/g（VS）,反应体系中藻毒素从发酵前的273～72.6μg/L降低到检测限5μg/L以下。     

外加氨氮对玉米秸秆厌氧发酵的影响

以玉米秸秆为例,研究了氨氮浓度对农业废弃物厌氧发酵产甲烷性能以及沼渣特性的影响,并利用Gompertz方程对沼气及甲烷产生过程进行了数学拟合。实验结果表明:外加氯化铵浓度(1¹0 g/L)对秸秆厌氧产累计产气量影响不显著;但对累计甲烷产量、玉米秸秆中挥发性组分(volatile solid,VS)的去除率、沼渣组分等有显著影响。在外加氯化铵浓度为5 g/L时,即碳氮比(C/N)为15∶1时,产气组分中甲烷含量最高为1 039 mL,当外加氯化铵浓度为10 g/L时,产气组分中甲烷量最低仅为833 mL。此外,用修正的Gompertz方程能够很好地拟合各反应器的厌氧发酵产气产甲烷过程。高浓度氯化铵(10 g/L)对产甲烷量、VS去除率有抑制作用。氯化铵浓度对沼渣中纤维素含量影响不显著,对半纤维素及木质素含量影响显著。     

不同TS浓度下污水厂剩余污泥和生活垃圾混合厌氧消化特性研究

以污水厂剩余污泥和生活垃圾混合物料为研究对象,通过试验研究了TS浓度分别为1％、3％、6％和10％的混合物料的厌氧消化特性.结果表明:混合物料的TS浓度对厌氧消化过程中的产气量、气体中甲烷体积百分含量、物料COD去除率、厌氧消化液pH值和VFAs浓度均有一定影响;TS浓度偏高或偏低均不利于厌氧消化产气,过高的TS浓度还会导致厌氧消化液VFAs浓度积累过高和pH值下降;当混合物料TS浓度为3％时,厌氧消化效果最好,最高日产气量达537 mL,厌氧消化反应结束时累计产气量达7 905 mL,产气中甲烷体积百分含量最高值达到69.1％,至反应终期物料的COD去除率达49.68％,厌氧消化液pH值维持在6.8～7.5,没有出现因VFAs积累而产生的酸抑制现象.     

温度对FBAR反应器的运行特性及古菌微生物群落影响

为探讨固定床厌氧反应器（FBAR）在不同温度下的运行特性及微生物群落变化,比较了高温（50℃）、中温（35℃）、低温（4℃）3个温度阶段反应器产甲烷特性及古菌群落变化.结果表明;绝对产气量由大至小依次为高（50℃）、中（35℃）、低温（4℃）,单位负荷产气量依次为中温（2.84L/OLR）,低温（2.5L/OLR）,高温（1.8L/OLR）;甲烷含量依次为低温（74.5%）、中温（63.5%）,高温（57.3%）,不同温度阶段对挥发性有机酸含量变化有一定的影响.克隆文库分析表明：不同温度条件下固定床厌氧反应器内部微生物群落的丰富性存在很大的差异.定量PCR分析表明：甲烷鬃毛菌是中温和高温反应器内的优势菌,低温4℃炭纤维载体和污泥中的优势菌都是甲烷微菌.从能耗、经济效益角度分析低温条件更适合沼气发酵,而主要是以嗜氢产甲烷菌代谢途径为主.     

沼液回流时间对厨余垃圾高含固厌氧发酵的影响

研究了高温(55±2)℃下沼液回流时间(1,6,12,24 h/d)对厨余垃圾高含固(15%TS)厌氧发酵产氢的影响,并探讨了不同沼液回流时间下微生物群落的演替规律。结果表明:增加沼液回流时间可提高产氢量,缓解VFAs积累的抑制效应,回流时间为24 h/d时氢气累积产量最大,为111.44 L,VFAs浓度为28.34 g/L,比回流时间1 h/d时降低了15.40%。厨余垃圾厌氧发酵过程中延长回流时间可恢复酸化体系的pH,且未形成氨积累。回流时间较短(12 h/d)的S实验组中,随着发酵的进行,微生物群落结构多样性降低,在门水平上Firmicutes逐渐演替为优势菌(49.2%~89.5%),回流时间较长(24 h/d)的T实验组一直保持较高的微生物多样性,发酵结束时,Firmicutes、Chloroflexi、Proteobacteria、Euryarchaeota相对丰度分别为27.8%、33.6%、13.0%和12.3%;属水平上T实验组(24 h/d)的产氢菌相对丰度高于S实验组(12 h/d),发酵结束时产氢菌Clostridium和Thermoanaerobacterium的相对丰度分别为10.5%和3.2%。延长沼液回流时间可促进VFAs与葡萄糖代谢产氢。冗余分析表明,沼液回流时间和产气量主要与Firmicutes和Chloroflexi中菌属变化较明显相关。     

城市生活有机垃圾各组分的厌氧消化产甲烷能力

通过生化产甲烷能力(BMP)测定实验确定了葡萄糖、大米、蔬菜、纸张、动物油、植物油和瘦肉等7种城市生活有机垃圾(BOFMSW)组分的生化产甲烷能力,并研究了抑制动物油、植物油和瘦肉厌氧消化过程的影响因素.实验结果表明,葡萄糖、大米、蔬菜和纸张在发酵过程中没有消化抑制发生,4种原料的生化产甲烷能力分别为241、210、147和244mL·g-1,相应地占理论产甲烷能力的64.5%、56.3%、32.6%和67.9%.瘦肉的厌氧消化过程停止产气后,消化液的总挥发性脂肪酸(VFAs)浓度为15800mg·L-1,其中丙酸浓度为2509mg·L-1;消化液中氨氮浓度为13892mg.L-1;较高的VFAs和氨氮浓度共同作用形成消化过程的"抑制型稳态",抑制了产甲烷菌的产甲烷代谢,导致酸化率较高而生物气转化率却很低.猪油和花生油等脂类原料的厌氧消化,由于水解和酸化细菌受到长链脂肪酸(LCFAs)的抑制而影响了原料的降解和酸化,酸化率仅分别为11.5%和10.O%.     

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.      

Effects of mixture ratio on anaerobic co-digestion with fruit and vegetable waste and food waste of China

The biochemical methane potentials for typical fruit and vegetable waste (FVW) and food waste (FW) from a northern China city were investigated, which were 0.30, 0.56 m3 CH4/kgVS (volatile solids) with biodegradabilities of 59.3% and 83.6%, respectively. Individual anaerobic digestion testes of FVW and FW were conducted at the organic loading rate (OLR) of 3 kg VS/(m3 day) using a lab-scale continuous stirred-tank reactor at 35°C. FVW could be digested stably with the biogas production rate of 2.17 m3/(m3 day) and methane production yield of 0.42 m3 CH4/kg VS. However, anaerobic digestion process for FW was failed due to acids accumulation. The effects of FVW: FW ratio on co-digestion stability and performance were further investigated at the same OLR. At FVW and FW mixing ratios of 2:1 and 1:1, the performance and operation of the digester were maintained stable, with no accumulation of volatile fatty acids (VFA) and ammonia. Changing the feed to a higher FW content in a ratio of FVW to FW 1:2, resulted in an increase in VFAs concentration to 1100–1200 mg/L, and the methanogenesis was slightly inhibited. At the optimum mixture ratio 1:1 for co-digestion of FVW with FW, the methane production yield was 0.49 m3 CH4/kg VS, and the volatile solids and soluble chemical oxygen demand (sCOD) removal efficiencies were 74.9% and 96.1%, respectively.     

不同pH条件下小球藻氨氮处理及生物质生产能力

针对目前沼液中高浓度氮氨氮对空气和水质的不良影响,探究在不同pH条件下小球藻对氨氮的处理能力以及生物质生产潜力。在初始ρ（NH₃-H）为120~130mg/L,设置4组pH为6.5、7.5、8.5、9.5的模拟废水中培养小球藻。结果表明:pH为6.5~7.5时更适合氨氮的去除。随着pH值升高,pH>8.5时产生的高浓度游离氨对小球藻生长起主要抑制作用。基于藻细胞内叶绿素的积累,小球藻更偏好pH为6.5~8.5的实验环境。小球藻在pH=7.5时油脂产率达到最高为0.30 g/L/d,这与小球藻生长的适宜pH条件一致。综合考虑小球藻对氨氮的去除率及生长和油脂的积累情况,在利用小球藻处理沼液时,将pH控制在6.5~7.5区间内会更有利于氨氮的去除和废水的资源化利用。     

Effects of free ammonia on volatile fatty acid accumulation and process performance in the anaerobic digestion of two typical bio-wastes

The effect of free ammonia on volatile fatty acid(VFA)accumulation and process instability was studied using a lab-scale anaerobic digester fed by two typical bio-wastes:fruit and vegetable waste(FVW)and food waste(FW)at 35°C with an organic loading rate(OLR)of 3.0 kg VS/(m~3·day). The inhibitory effects of free ammonia on methanogenesis were observed due to the low C/N ratio of each substrate(15.6 and 17.2,respectively). A high concentration of free ammonia inhibited methanogenesis resulting in the accumulation of VFAs and a low methane yield. In the inhibited state,acetate accumulated more quickly than propionate and was the main type of accumulated VFA. The co-accumulation of ammonia and VFAs led to an "inhibited steady state" and the ammonia was the main inhibitory substance that triggered the process perturbation. By statistical significance test and VFA fluctuation ratio analysis,the free ammonia inhibition threshold was identified as 45 mg/L. Moreover,propionate,iso-butyrate and valerate were determined to be the three most sensitive VFA parameters that were subject to ammonia inhibition.     

基于仿生学的一体式两相厌氧反应器的运行研究

反刍动物瘤胃对纤维素类物质具有强大的消化能力,在厌氧发酵领域备受关注.为了增加秸秆等物质的资源化利用途径,本文基于仿生学的原理,设计了一体式两相新型厌氧反应器,并以秸秆、猪粪和河道底泥为底物进行干式共发酵,研究了该反应器的水解酸化和产甲烷性能.结果表明：反应器在1～6 d的产气速率较快,单位体积累积产气量的增长速率为366.87 mL/d,最快产气速率为22.3 mL/(g·d)(以每g挥发性固体每天产生的沼气体积计);发酵过程挥发性固体的产气量为0.13 L/g;发酵过程中pH在7.3～8.2之间变化,p H与挥发性脂肪酸(VFAs)浓度整体上呈现相反的变化趋势,说明反应器内未发生氨抑制现象;第1～21天,主反应室产生的溶解性化学需氧量(SCOD)在次反应室中被充分利用,实现了水解过程和水解产物利用过程的分离;厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是反应器中最丰富的两个菌门,均具有水解和产酸能力.基于瘤胃设计的反应器既具有不同水解程度底物分层和持续吸收VFAs的效果,又有上部水解和产酸、下部产甲烷的一体式两相厌氧发酵效果.研究显示,该反应器可有效延长...     

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.