对比分析HRT对ACR乙醇型和丁酸型发酵制氢系统的影响

以糖蜜废水为基质,采用两套厌氧接触式发酵制氢反应器(ACR)分别在p H为4.5~5.0、5.5~6.0下的启动和运行,以分别考察乙醇型和丁酸型发酵系统在不同水力停留时间(HRT)下的运行特性.结果显示,当进水COD=5000 mg·L-1,HRT从12 h缩短至4 h时,乙醇型发酵制氢系统中的产氢微生物菌属得到不断富集,在HRT=4 h时,系统的产氢速率和污泥比产氢速率分别达到30.1 L·d-1和13.5 mmol·g-1·d-1;而HRT的缩短使得丁酸型发酵系统内生物量减小,导致底物的转化率下降,反应器在HRT为8 h时,系统获得最大产氢速率,为9.3 L·d-1.研究结果也表明,在HRT为4~12 h的运行中,ACR乙醇型发酵系统的产氢效能始终优于丁酸型发酵制氢系统,其单位基质的氢气转化率约为丁酸型发酵的1.5~2.2倍.     

乙醇型发酵过程优化及代谢调控分子机制

乙醇型发酵是3种主要厌氧产酸发酵类型之一.乙醇型发酵细菌具有高产氢效率、耐酸性、自凝集生长和发酵产物可直接被产甲烷利用等优势,因此被广泛关注和研究.近年来,在乙醇型发酵产氢过程优化和代谢途径研究方面取得了大量进展.本文对乙醇型发酵产氢反应器优化和运行控制、高效产氢细菌分离和代谢调控分子机制,以及耦合系统强化能源回收等研究进展进行了综述.此外,本文提出了乙醇型发酵的可持续高效产氢及代谢产物的定向回收梯级利用的思路,探讨了乙醇型发酵制氢技术的发展趋势和未来应用中存在的问题.     

ABR发酵系统运行特性及产氢效能研究

为解决连续流搅拌槽式反应器(CSTR)发酵制氢系统存在的不足,如单位基质氢气转化率低、因搅拌带来的耗能,抗负荷冲击能力不强等问题,开展了厌氧折流板反应器(ABR)发酵产氢的研究.结果表明,在35℃和进水COD 5000mg/L等条件下,ABR系统可在26d达到乙醇型发酵,其比产氢速率为0.13L/(gMLVSS·d),而在同样条件下, CSTR达到乙醇型发酵后,比产氢速率仅为0.06L/(gMLVSS·d).ABR通过生物相的分离,使产氢系统梯级利用有机物并达到深度产氢的目的.与CSTR相比,ABR具有较高的产氢活性、较低能源消耗等优点,是一种较为理想的有机废水发酵制氢反应设备.     

两相厌氧膜-生物系统处理有机废水技术的试验研究

本研究提出中间加膜的两相厌氧工艺,即产酸反应器+膜分离单元+产甲烷反应器的工艺流程(MBS系统),在试验室条件下研究了该系统在处理高浓度易降解有机废水和难降解废水时在处理能力、能源回收等方面的运行特点,并把该系统同传统的两相厌氧生物系统(BS系统)及其末端加膜的两相厌氧生物系统(BSM和BS+M系统)加以比较.     

水力停留时间对复合式厌氧折流板反应器乙醇型发酵制氢系统的影响

水力停留时间(HRT)是厌氧生物制氢工艺的重要工程参数.以红糖废水为底物,研究了HRT对复合式厌氧折流板反应器(HABR)作为乙醇型发酵制氢系统产氢效能的影响.结果表明,在设定的8~36 h范围内的5个HRT中,当HRT为12 h时,HABR制氢系统的效果最佳,产氢速率为13.86 mmol·(h·L)-1,COD去除率为51.51%,五格室的pH值在4.22~4.47之间,液相主要产物为乙醇和乙酸,第1~5格室乙醇和乙酸的比值分别为1.90、1.94、1.80、1.77、1.91,最佳能量生产为11.11 kJ·(h·L)-1.     

复合式厌氧折流板反应器作为制氢系统的乙醇型发酵调控研究

乙醇型发酵被认为是产氢发酵类型中的最佳选择.以赤糖废水为底物,进行了五格室、总有效容积为43.2 L的复合式厌氧折流板反应器作为制氢系统的乙醇型发酵调控研究.为期64 d、3个阶段的实验结果表明,以好氧活性污泥作为接种污泥,在水力停留时间为12 h、进水pH为5.0~7.0之间、温度为35℃±1℃的条件下,通过分阶段提高进水COD的方式,可使HABR系统在启动阶段培育出具有稳定产氢效能的乙醇型发酵菌群体系.由于废水进入每一个格室的状态不同,每个格室形成的微生物菌群结构不同,虽然也都形成了乙醇型发酵,但是产氢能力有所差异,第二格室产氢量最高.系统第二阶段,COD为6500 mg·L-1时,平均COD去除率为43.34%,平均产氢量为14.91 L·d-1,此阶段效果最佳.在第三阶段,COD过高,系统产氢量与COD去除率出现下降,但产氢系统并没有崩溃.系统可同时生产氢和乙醇,其能量值在第二阶段达到最高值,平均为3340.62 kJ·d-1.在不同的COD条件下,氢气与乙醇生产速率的线性关系为y(氢)=0.351x(乙醇)-0.181(R2=0.9767).     

两相厌氧系统中产甲烷相有机酸转化规律

研究了两相厌氧系统产甲烷相中有机酸转化规律.以产酸相、产甲烷相COD负荷分别为41.5 kg/(m³·d)、6.05kg/(m³·d)的连续流试验装置培养种泥,运行稳定后,进行静态试验采用气相色谱仪(GC-122型)分析有机酸组成及含量结果表明,反应器相同位置的微生物降解转化有机酸速率快慢依次为:乙酸＞乙醇＞丁酸＞丙酸;利用乙醇产乙酸的微生物与产甲烷菌所需最佳pH值范围相近;乙醇型发酵是充分发挥两相厌氧系统功能的最佳发酵类型;在产甲烷反应器中,大部分挥发酸的最终降解都要经历乙酸降解途径才能完成,造成乙酸的降解转化相对缓慢,成为厌氧工艺中的限速步骤.     

中温和高温厌氧生物产氢反应器连续运行的研究

采用2个厌氧生物产氢反应器分别在中温(37℃)和高温(55℃)下连续运行.以河底沉积物接种,葡萄糖为基质,在CSTR中成功实现了连续中温厌氧产氢,最高产氢量达8.6L/(L·d),基质产氢摩尔比(H₂/葡萄糖)为1.98.以厌氧产甲烷颗粒污泥接种,蔗糖为基质,在UASB反应器中成功实现了连续高温厌氧产氢过程,最高产氢量达6.8L/(L·d),基质产氢摩尔比(H₂/蔗糖)为3.6.在高温UASB反应器中培养获得了灰白色的产氢颗粒污泥,平均粒径为0.8～1.2mm,沉速为30～40m/h,电镜观察发现其表层生长大量杆状细菌.对2种产氢污泥的总DNA进行提取和纯化,通过PCR扩增和DGGE分析,发现高温和中温厌氧产氢污泥中的大部分真细菌种类相同,但各自的优势菌种明显不同.     

污泥超高温(65℃)厌氧消化系统启动方案

以高温(55℃)厌氧消化反应器的污泥为接种泥,以不同比例的牛粪和脱水污泥为基质,通过产甲烷潜力测试实验,对污泥超高温(65℃)厌氧消化系统的启动策略进行了初步的探讨.实验结果表明:污泥超高温(65℃)厌氧消化系统具有其可行性;65℃条件下,由于水解酸化过程加快,易发生VFAs(尤其是乙酸和丙酸)的累积.同时,与中温(37℃)和高温(55℃)污泥厌氧消化系统相比,超高温(65℃)系统的产气量虽然较低,但所产沼气中CH4含量明显升高,可以达到79.0%.对系统细菌和古菌进行的多样性分析结果表明:超高温(65℃)条件下,反应器中的细菌以Coprothermobacter、Caldicoprobacter、Ruminiclostridium等极端嗜热的蛋白质水解菌和木质纤维素水解菌为主,不同反应器之间细菌种群多样性的差异是由所投加物料的不同造成的;所有反应器的古菌中,嗜热的氢营养型产甲烷菌Methanothermabactor成为绝对优势菌群,占古菌的比例均超过96%.在超高温反应器(65℃)的启动初期,可适当提高投加基质中牛粪的比例,加快对嗜热产甲烷菌(氢利用型产甲烷菌)的富集,同时避免系统中的VFAs的积累,保证反应器顺利启动.     

不同pH下糖蜜废水的厌氧产酸发酵类型及微生物群落结构解析

为寻求厌氧产酸发酵反应器的适宜控制参数和微生物学机制,以ACR(厌氧接触式发酵制氢反应器)为试验平台,通过分阶段调控反应器的pH,考察不同pH下ACR系统的产酸发酵类型和产氢性能,并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术对微生物群落结构进行了解析.以糖蜜废水为基质,以城市污水厂剩余污泥为种泥,在污泥接种量(以MLVSS计)为3.58 g/L、进水ρ(COD_Cr)为5 000 mg/L、HRT为12 h条件下,分别考察了系统在pH为6.0～6.5、5.5～6.0、5.0～5.5、4.5～5.0条件下的运行特性.结果表明,在pH为4.5～5.0时,系统中以Ethanoligenens harbinense YUAN-3为代表的产氢菌群占优,呈现典型的乙醇型发酵特征,活性污泥表现出的产氢性能最佳,其氢气转化率和污泥的比产氢速率分别为1.9 mol/mol和7.8 mmol/(g·d).在pH为5.5～6.5、5.0～5.5的条件下,Clostridium tyrobutyricum strain A1-3、Propionibacterium sp.B2M2分别成为优势菌群,系统分别呈现出丁酸型发酵、混合酸发酵类型.研究显示,随着pH的改变,系统内的产酸发酵菌群随之发生更迭,在不同pH控制水平下形成不同的顶级微生物群落结构,进而使得系统呈现出不同发酵类型和产氢性能.      

Biphasic production of hydrogen and methane from waste lactose in cyclic-batch reactors

The biphasic production of the energy gases hydrogen and methane was possible in a fed batch culture resulting in a volumetric mix of approximately 20% H₂ and 80% CH₄ and an energy conversion efficiency of 95%, based on the measured Chemical Oxygen Demand and theoretical calculations assuming that the substrate (a dairy waste permeate) was lactose. Gas production showed a rapid initial phase over 0–20 h in which the composition was up to 50% hydrogen with the balance mainly carbon dioxide. This was accompanied by the accumulation of volatile fatty acids (VFA) in which butyric was predominant. A slower second phase of gas production produced a mixture of methane and carbon dioxide with a reduction in the accumulated acids. The duration of this second phase depended on the initial load applied to the reactor, and in the experiments carried out lasted between 6 and 12 days. Where the applied initial load led to an acid accumulation such that the pH fell below 5.5, the second phase of gas production was inhibited. Where pH control was exerted to prevent the pH dropping below 6.5, ethanol accumulated alongside VFA as a first phase product, with the gas comprised entirely of carbon dioxide. Despite the excellent energy conversion and the production of biogas fuel elements matching those for hythane (a mixture of hydrogen and methane, with improved combustion characteristics), the overall process loading was considered too low for efficient volumetric conversion of the feedstock to energy. The concept could be further developed based on high rate reactor systems with granular or immobilised biomass either as a single tank biphasic system or in a split tank two phase production process.     

市政污泥与玉米秸秆混合高温厌氧发酵产甲烷研究

以实验室自主驯化的二沉池污水为接种物,对我国天津、昭通、太原3个城市的市政污泥和玉米秸秆混合物进行了高温(55℃)厌氧发酵,考察了不同发酵体系下发酵液pH、单日产气量、累积产气量、甲烷产率等指标随发酵时间的变化情况。结果表明:污泥单独发酵几乎不存在酸化现象,稳定后的发酵液pH值高于混合发酵试验组;污泥单独发酵系统的最大单日产气量出现在第1,2天,发酵系统加入玉米秸秆后最大单日产气量出现的时间有所延迟;天津污泥单独发酵(20 g-TS)的累积产气量达到2004 mL,高于其他2组;所有发酵系统的VS去除率均达到40%以上;随着发酵过程稳定,甲烷含量维持在70~85 vol.%,天津污泥单独发酵的甲烷产率达到141.01 mL/g-VS;Modified Gompertz拟合表明污泥单独发酵不符合"S"曲线,该系统下发酵停滞期较短,污泥与玉米秸秆质量比为3:1或2:1时甲烷产率、产甲烷速率和发酵停滞期具有一定优势。     

废铁屑强化污泥厌氧消化产甲烷可行性分析

有关全球气候变化的《巴黎协定》落槌,预示着污水处理追求碳中和运行的时代已经来临.碳中和狭义理解即能源自给自足,这就要求污水处理厂应最大程度转化污水中有机物或产生的剩余污泥所蕴含的有机能源,并将其生成可再生能源——甲烷.然而,剩余污泥能源转化率较低一直都是限制厌氧消化技术广为应用的瓶颈.在污泥预处理技术之外,向厌氧消化系统中投加废铁屑强化甲烷生产有望成为另一个提高能源转化率的突破口,继而实现"以废促能、变废为宝"的目的.本综述从铁腐蚀析氢现象入手,在描述铁腐蚀析氢原理、析出H2对产CH4过程影响的基础上,对铁在厌氧系统ORP减少方面的作用、对厌氧微生物生理、生化特性的影响、对涉及微生物酶活的影响等进行了全面的介绍.最后,还通过生命周期评估(LCA)评价了基于废铁屑的污泥厌氧消化技术对环境的影响及经济合理性.     

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.      

果蔬废弃物厌氧消化特征及固体减量研究

采用两相厌氧消化工艺处理固体果蔬废弃物,反应液在系统内循环使用,研究了果蔬废弃物产酸发酵类型、产甲烷相对消化产物的利用顺序和果蔬固体减量效果。结果表明,在酸化阶段,挥发酸总量最高达5800mg/L,其中丁酸占45%、戊酸占23%、乙酸占20%、丙酸和乙醇占10%左右,属于丁酸型发酵;产甲烷相对挥发酸的利用顺序为乙醇>丁酸>戊酸>丙酸>乙酸,产甲烷阶段体系ORP为-480mV左右;在厌氧消化处理过程中,反应液中COD由开始时的10000mg/L降至反应后期2000mg/L左右,COD去除率达80%以上;同时,果蔬固体物质去除率达到98.6%,果蔬废弃物减量效果明显。     

固定化酶酸化/UASB两相厌氧有机酸代谢特征

以固定化酶酸化相和UASB产甲烷相为两相厌氧系统进行连续流实验,研究了酸化相和产甲烷相中的有机酸和乙醇的变化特征、变化速率,挥发性有机酸组成,发酵类型以及对COD去除率的影响.结果表明:酸化相的酸化率为28.2%,水解产物组成中乙醇>乙酸>丁酸>丙酸,其中乙醇占44.8%,乙酸占38.4%,丙酸为6.9%,丁酸为9.8%,为乙醇型发酵类型.在产甲烷相中乙醇被去除99.8%,乙酸为92.0%,丙酸为59.1%,丁酸为46.2%,呈乙醇>乙酸>丙酸>丁酸;比较有机酸和乙醇的去除速率呈乙醇>乙酸>丁酸>丙酸,其中乙醇在产甲烷相中去除速率最快为0.21h^-1.系统运行稳定,COD去除率达到90%以上,其中对COD去除贡献率顺序为乙醇>乙酸>丁酸>丙酸,     

发酵液回流对餐厨垃圾厌氧消化的影响

针对厌氧发酵液回流可提高厌氧系统性能,而不适的回流比例又会造成系统酸化的现象,采用单相连续反应器研究了发酵液回流及不同回流比对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响。结果表明:在1 gVS/L的有机负荷下进行三种比例(10%、30%、50%)的发酵液回流使系统日平均产气量比不回流阶段分别提高0.7%、13.0%、4.9%,且对气体甲烷含量无显著影响。回流使VFA降解更充分,也使系统缓冲能力得到调节,但在较高的回流比(50%)下会造成Na+积累从而抑制系统产气性能。     

多元混合物料协同促进厌氧消化产甲烷性能试验研究

为评估农牧废弃物多元物料混合厌氧发酵对产甲烷性能的协同促进作用,研究了中温（37±1）℃和固体质量分数为12%时,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合原料的厌氧消化产甲烷性能,最后应用修正的Gompertz方程分析甲烷生产的动力学过程.结果表明：3种物料混合厌氧发酵发生了明显的协同促进作用,协同效应作用值为34.85%~70.39%,贡献效果显著（P<0.05）;当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS混合比例为50：20：30时,甲烷产率、累计甲烷产量和VS降解率达到最大值,分别为286.0mL/g VS、20713mL和65.6%,比单一牛粪、蔬菜废弃物以及玉米秸秆厌氧消化甲烷产量分别提高了32.9%、229.9%和82.0%.修正的Gompertz方程能较好反映物料厌氧消化产甲烷过程,拟合结果的R²均大于0.99,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为50：20：30时具有最大产甲烷速率17.34mL/（d×g）和较短的迟滞时间2.97d.该研究结果可为农牧废弃物多元混合物料厌氧消化产沼气工程提供参考.     

水热/臭氧预处理促进餐厨垃圾中典型废弃油脂厌氧发酵产甲烷

为了缓解餐厨垃圾中大量未降解油脂包覆微生物,对厌氧发酵产生严重抑制的问题,本文采用水热或臭氧预处理有效降解油脂,预处理进行厌氧发酵.扫描电子显微镜和傅里叶变换-红外光谱分析表明,经过水热或臭氧预处理后,厌氧发酵过程油脂降解程度提高.经过臭氧预处理的火锅废油厌氧发酵甲烷产率提升至(854.20±10.28)mL·g-1(...     

高温条件下初始pH值对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH4的影响

污泥-餐厨垃圾厌氧消化产氢产CH₄可将城市有机废弃物转化为可再生能源H₂、CH₄,对实现碳减排发挥着重要作用。通过批式试验探究高温条件下(55±1℃),不同初始pH值对污泥和餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH₄的影响。研究结果表明:适度地增加产氢余物的碱度会提高产CH₄效能,而过低的初始pH则抑制了产氢余物产CH₄效能。初始pH=8时,CH₄最高浓度(79.08%)、累积产甲烷量(101 mL/g DS)和最大CH₄生产速率(12.21 mL/d)均达到最大。不同初始pH下,总糖和总蛋白质的降解量跟累积产甲烷量呈正相关,其中总蛋白的降解量及降解率均高于总糖。初始pH=8时,总糖和总蛋白质的降解量及降解率最高,分别为6078 mg/L、55.70%和4710 mg/L、69.67%。不同初始pH值下,产氢余物厌氧消化后的pH都趋于7.5左右。