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。     

pH控制下果蔬垃圾酸化反应器中微生物优势菌群识别

以污水处理厂厌氧消化池污泥作为接种物,考察中温,pH为4.0±1,有机负荷13 g·(L·d)~(-1),水力停留时间3 d的酸化反应器处理果蔬垃圾的运行情况,并通过16S rRNA高通量测序技术及厌氧滚管分离技术识别反应器内优势菌群。结果表明,在pH为4的全混流反应器(CSTR)运行过程中,发酵产物以乳酸为主。反应器稳定运行期,乳酸杆菌属(Lactobacillus)的相对丰度达81.9%,为反应器中优势菌属。经厌氧滚管技术分离筛选获得的菌株EL1为乳酸杆菌,其发酵类型为异型发酵。     

两相厌氧消化工艺处理鸡粪

以鸡粪为发酵原料,采用序批式两相厌氧消化工艺在中温条件(37℃)下对其进行消化处理。分别将水解酸化相和产甲烷相pH值控制在5.5±0.3和7.0±0.3,通过改变进样含固率(TS)研究有机负荷(OLR)对两相消化系统处理鸡粪过程中污染物转化和去除效果的影响。结果表明,水解酸化相出水总有机碳(TOC)、挥发酸(VFAs)和氨氮(NH4+-N)浓度都随OLR升高而升高。VFAs组成相对稳定,其中乙酸占总VFAs浓度的57%～64%,其次为正丁酸和丙酸。产甲烷相出水TOC和VFAs稳定在较低水平,TOC去除率最大达到90%以上。产甲烷相进水氨氮主要以NH4+形式在反应器内不断积累。实验后期产甲烷相生物气中甲烷体积分数维持在64%上,证明两相消化系统在实验条件下良好运行。     

酸化冲击对低pH厌氧发酵系统性能的影响

为了研究酸化冲击对厌氧发酵有机废水能源回收系统的影响,利用自制的厌氧内循环反应器(anaerobic internal circulation reactor,AICR),以模拟糖蜜废水为底物,逐步提高进水容积负荷以模拟高容积负荷下出现的酸化冲击。研究了反应器酸化前后运行参数,并利用高通量测序检测了酸化后系统微生物群落结构。结果表明:酸化会导致颗粒污泥解体,产气速率和COD去除率下降,产甲烷活性严重抑制,同时发酵类型也发生转变。反应器酸化以后,发酵类型从丁酸型发酵类型转变为混合酸发酵类型,在进水负荷不变的情况下,总产气速率下降约50%,从2 100 mmol·(L·d)~(-1)下降至1 056 mmol·(L·d)~(-1)。酸化后的系统中,非产氢发酵细菌为优势细菌(54.7%),而产氢细菌所占比例较少(37.3%),未检测到产甲烷细菌。     

进出料频率对牛粪两相厌氧发酵特性的影响

以牛粪为发酵原料,在中温(35±2)℃的条件下,采用自行设计的两相厌氧发酵中试装置,在水力停留时间确定的前提下,酸化原料分别以每天、间隔1 d和间隔2 d 3种不同进出料频率加入产甲烷罐,观察挥发性固体(VS)产气率和甲烷含量的变化情况。实验结果表明:保持产酸相与产甲烷相水力停留时间(HRT)分别为3 d和17 d,每天进出料产气效果最佳,原料VS产气率和甲烷含量最大值分别为0.29 m3/(kg·VS)和58.36%。     

餐厨垃圾高温中试两相厌氧发酵的稳定性

为了考察在高负荷条件下餐厨垃圾厌氧发酵的稳定性,采用餐厨垃圾为发酵原料,以某污水处理厂脱水污泥为接种污泥,在中试规模条件下,采用产酸相中温(35℃,0.33 m3)产甲烷相高温(55℃,1.6 m3)进行连续式发酵。结果表明,餐厨垃圾厌氧发酵的产酸相有机负荷可达29.27 kg VS·(m~3·d)~(-1),产甲烷相有机负荷为6.04 kg VS·(m3·d)-1,容积产气率平均为5.61 m3·(m~3·d)~(-1),原料产气率平均达0.913 m3·(kg VS·d)-1,甲烷浓度平均为73.07%,总菌数为2.41×109个·m L-1,产甲烷菌最高为7.08×108个·m L-1,产甲烷菌数占总菌数的29.4%。两相厌氧发酵工艺可实现餐厨垃圾高负荷条件下的稳定运行。     

木糖高温厌氧发酵产氢的影响因素及两相产氢-产甲烷的能量转化效率

通过批次实验,考查了木糖高温(55℃)厌氧发酵中初始pH(5.0~10.0)和初始底物浓度(2.5~15 g·L~(-1))对产氢效率、液相产物以及木糖降解率的影响;并进行了两相产氢-产甲烷实验,对比单相产甲烷与两相产氢-产甲烷能量转化效率。结果表明:在初始pH=5.0或初始底物浓度为2.5 g·L~(-1)时无氢气产生,最大产氢率1.31 mol H2·(mol木糖)-1在pH=7.0,底物浓度7.5 g·L~(-1)时获得,同时木糖降解率和累积产氢量分别为97.48%和328.4 mL;其主要代谢副产物为丁酸和乙酸,属于丁酸型发酵。厌氧产氢后末端产物甲烷产率为274.9 mL CH_4·(g COD)-1,两相系统能量转化效率达到63.98%,高于单相产甲烷系统的49.39%。     

补料频率对牛粪料液酸化效果的影响

研究不同补料频率对牛粪水解酸化特性的影响,以牛粪为发酵原料,在发酵温度为中温(35±1)℃条件下,进行半连续产酸发酵实验,补料频率分别为12、24和36 h/次。结果表明,补料频率影响挥发性脂肪酸(VFA)的积累速度,从快到慢顺序分别为24、36和12 h/次,24 h/次组在第7天挥发酸总量积累最大;在所做实验的补料频率内不影响发酵类型,各组的乙酸与丁酸之和的百分含量均在81%以上,属于丁酸型发酵;p H值6.2左右在丁酸发酵的适宜范围,因此,24 h/次组可以为产甲烷相提供适宜底物。     

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。     

小麦秸秆预处理对厌氧消化性能的影响研究

针对小麦秸秆厌氧消化水解限速步骤,研究了酸、碱和污泥发酵消化液(以下简称消化液)预处理对小麦秸秆厌氧消化性能的影响。结果表明,酸和消化液预处理可以加速小麦秸秆水解酸化,在厌氧发酵第4天时产气中测得甲烷,早于对照和碱预处理。与对照相比,酸、消化液和碱预处理后小麦秸秆和污泥共消化体系的产气量可分别提高13.7%、12.0%和9.2%,产甲烷量可分别提高7.4%、9.5%和5.2%,但碱预处理会延滞厌氧消化产甲烷阶段。厚壁菌门(Firmicutes)是厌氧消化反应器中最主要的菌门,主要包括己酸菌属(Caproiciproducen s)、乙醇生孢产氢菌属(Hydrogenispora)、瘤胃梭菌属(Ruminiclostridium)、罗伊氏乳杆菌属(Lactobacillus)和Ruminiclostridium_1属等,其中己酸菌属和乙醇生孢产氢菌属可以作为小麦秸秆和污泥共消化的监测指标,在厌氧消化前期反应器中微生物主要为己酸菌属,而后期主要为乙醇生孢产氢菌属。     

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.     

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。     

接种比例和温度对餐厨废弃物厌氧发酵特性的影响

为提高餐厨废弃物厌氧发酵的甲烷转化率和挥发性固体降解率,分别在35℃和55℃条件下,采用批式发酵工艺,考察了接种物与底物的挥发性固体量之比对餐厨废弃物厌氧发酵挥发性固体甲烷产率、挥发性固体降解率、液相末端产物组成和pH值等发酵特性的影响。结果表明,温度和接种比例共同决定厌氧发酵停留阶段,在35℃发酵时接种比例大于50∶50的处理和55℃发酵时接种比例大于30∶70的处理以产甲烷发酵为主,其余以酸化发酵为主;游离氨抑制导致高温组的甲烷含量、挥发性固体甲烷产率和甲烷转化率均低于中温组;发生酸化处理组底物的挥发性固体降解率均低于40%,产甲烷发酵处理组挥发性固体降解率均高于80%。     

上流式厌氧污泥床反应器处理饮料废水

通过监测西安可口可乐饮料有限公司污水处理站的上流式厌氧污泥床(UASB)反应器,探讨饮料废水厌氧处理过程中COD去除率、沼气组分、氢分压、出水挥发性脂肪酸、产甲烷活性以及污泥形态。结果表明,UASB反应器对饮料废水中的COD去除率达到84.55%,产生的沼气中甲烷组分含量高达74.5%。反应器内的氢分压仅2.5 Pa,为水解发酵和产氢产乙酸过程创造了良好的条件。UASB反应器中污泥具有较高的产甲烷活性,以乙酸、丙酸和丁酸为基质时,最大比产甲烷活性分别为407.14、331.74和241.27 m L CH4/(g VSS·d)。UASB反应器中的污泥形态主要为絮状,甲烷菌中的优势菌为甲烷丝菌,同时存在少量甲烷杆菌。针对该厂UASB反应器中污泥的现状,提出了影响颗粒化的因素和控制措施,为后期的运行和管理提供了参考依据。     

温度对牛粪两相厌氧发酵特性的影响

研究了不同温度对两相厌氧发酵特性的影响,温度设置分别为30、35、40、45、50、55和60℃,产酸相和产甲烷相的温度保持一致。结果表明,不同温度对挥发酸含量的变化趋势相同,都是随着发酵时间的增加先升高到最高点后开始下降,温度的改变不会影响牛粪的产酸代谢类型;温度的升高有利于水解过程的进行,但不利酸化过程的进行。产甲烷相的最佳水力停留时间为6 d,温度为35℃时产气量最高为6.08 L/d,中温更有利于牛粪湿法厌氧发酵过程的进行。     

微氧条件下玉米秸秆的发酵产氢

以玉米秸秆为原料,通过小试实验研究了不同的预处理方式和通氧量对微氧条件下发酵产氢的影响,放大实验对比了微氧发酵和厌氧发酵过程中产气、产氢、pH、碱度、挥发性脂肪酸(VFA)以及微生物种群的变化。小试实验表明,经过稀酸预处理的玉米秸秆产氢效果最好,最佳通氧量确定为280mL/(kg·d)。放大实验表明,微氧发酵的最大产气量、最大产氢量、累计产气量和累计产氢量均高于厌氧发酵,并且产气和产氢时间延长了6h。引起pH和碱度变化的原因主要是VFA的积累,特别是乙酸和丁酸。能够鉴定到科及以下的微氧发酵产氢优势种有肠球菌属(Enterococcus sp.)、拟杆菌属(Bacteroides oleiciplenus)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter sp.)、消化链球菌科(Peptoclostridium difficile)、肠杆菌属(Escherichia sp.)、乳杆菌属(Lactobacillus mucosae)、梭状芽孢杆菌科(Clostridia)、梭菌属(Clostridium baratii)、双歧杆菌属(Bifidobacterium animalis)。     

浮萍与剩余污泥厌氧消化产沼气实验

为了提高浮萍厌氧消化产沼气能力,对比浮萍和剩余污泥的单独以及混合厌氧消化过程的产气情况,得到当两种底物混合厌氧消化时,具有互补优势,缩短了产甲烷过程的酸化期,累积产气量实际值比计算值提高11%。此外,研究底物的预处理以及底物与接种物比例对厌氧过程的影响,结果表明,浮萍经热碱预处理后比未处理组甲烷产量增加了8%,且厌氧消化产沼气时间缩短;当底物与接种物比例为1∶1时,整个反应过程的pH维持在6.00以上,利于产甲烷过程,体系中积累的挥发性脂肪酸(VFAS)最多,且获得的总沼气产量和总甲烷产量最大,分别为3 309 m L和1 883 m L,比最低的1∶2.5组分别高出151 m L和304 m L。     

芦苇厌氧联产氢气-甲烷过程中古菌群落特征解析

采用厌氧联产氢气-甲烷工艺研究芦苇能源化利用潜力,解析联产过程中古菌群落特征和演替规律。产气情况表明,芦苇经纤维素酶预处理后累积产气量和氢气、甲烷产量显著提高。聚合酶链式反应—变性梯度凝胶电泳(PCR—DGGE)分析可知,厌氧联产过程中古菌群落结构发生了规律性变化,产甲烷阶段古菌微生物多样性显著高于产氢阶段,产氢阶段古菌群落结构相似性较高,随着产甲烷的进行古菌群落相似性降低,微生物多样性提高。甲烷囊菌属(Methanoculleus)、产甲烷古菌(Methanogenic archaeon)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)和uncultured Methanosarcinales archaeon是芦苇厌氧联产过程的优势微生物,其中产氢阶段的优势菌为uncultured Methanosarcinales archaeon,能够利用乙酸途径产甲烷;产甲烷高峰期,古菌群落丰富,Methanoculleus bourgensis是产甲烷阶段优势菌。研究结果为秸秆厌氧联产工艺的生物强化与稳定运行提供了重要的微生物学依据。     

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。     

挥发性脂肪酸对厌氧干式发酵产甲烷的影响

为了提高中温干式厌氧间歇发酵效率,研究了发酵过程中间产物———挥发性脂肪酸对产甲烷的影响。实验分2批进行,第1批在牛粪发酵过程中分别添加乙酸、丙酸和丁酸,第2批发酵添加易产生挥发酸的厨余垃圾混合发酵。结果显示,添加单一挥发酸的发酵过程中,添加丙酸的产甲烷速度较慢,因为丙酸降解生成乙酸的速度较慢,减慢了甲烷的形成;混合发酵过程厨余垃圾产甲烷速度比牛粪快,发酵过程产生2个产气高峰;牛粪和厨余垃圾固体物质含量比在11∶1到5∶1范围内较好,比牛粪单独发酵产气多,产酸高但不酸败,产生的挥发酸主要是乙酸和丙酸,其中比例为7∶1混合发酵的产甲烷速率最大,为4.89 mL/(g VS·d)。实验表明,牛粪厌氧干式发酵过程添加一定量的厨余垃圾可加快挥发酸的产生并提高挥发酸产量,从而提高甲烷的产量,但是总挥发酸长时间超过10 000 mg/L,pH降到不适于产甲烷菌生长的范围时,将抑制甲烷的生成,挥发酸积累导致厌氧发酵酸败。