玉米秸与鸡粪混合厌氧消化产气性能与协同作用

研究了玉米秸与鸡粪在不同混合比例条件下的厌氧消化产气性能和协同作用效果。设计了9种玉米秸与鸡粪的混合比例(1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、2∶1、3∶1、4∶1、0∶1),每种比例分别在3个不同负荷(50、65和80 g/L)下进行混合厌氧消化。结果表明,与未预处理玉米秸与鸡粪混合厌氧消化相比,NaOH预处理玉米秸与鸡粪混合厌氧消化的单位TS产气量提高了5.5%～62%。当预处理玉米秸与鸡粪的混合比例为1∶2、上料负荷为50 g/L时消化产气性能最好,此时的累积甲烷产量达到19 488 mL,比相同负荷下单一玉米秸厌氧消化的累积甲烷产量高出32.6%,比单一鸡粪厌氧消化的累积甲烷产量高出11.4%。混合厌氧消化协同作用的贡献率达到7.1%～17.7%,其中玉米秸与鸡粪的比例为1∶2时,其贡献率与其他比例相比高出25%～150%。可以为粪草混合原料厌氧消化提供设计和运行依据。     

青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合高温厌氧消化研究

在中试规模下,研究青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合(质量比1∶1)高温厌氧消化实验,通过监测厌氧消化过程中产气量、气体组成等产气情况和消化液中pH值、SCOD、NH3-H、VFAs含量和组分等化学指标变化,确定混合厌氧消化的最大有机负荷,并分析混合高温厌氧消化技术的可行性,结果表明,(1)青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合高温厌氧消化产甲烷具有技术可行性;(2)混合厌氧消化的最大有机负荷可达4.069 kg VS/(m3.d);(3)当系统最大有机负荷时,每天每千克VS最高可产生甲烷量0.346 m3;(4)混合厌氧消化可削减氨氮对餐厨垃圾单独厌氧消化产沼气的影响。     

不同碳氮比对干法厌氧消化产沼气特性及细菌群落多样性的影响

为研究不同初始C/N值的混合物料对甘蔗叶干法厌氧消化过程中理化参数以及产沼气特性的影响及产气最佳的C/N值厌氧消化过程中细菌群落结构多样性,研究采用牛粪与甘蔗叶以及啤酒厂滤泥这3种有机固废物混合并加入自行研究设计的发酵罐里进行厌氧消化,并采用Nested-PCR(巢式PCR)技术扩增消化过程中细菌的16S r DNA V3区域,并通过DGGE方法分析初始C/N值为15.02厌氧消化过程细菌群落的多样性。实验结果表明,初始C/N值为15.02的混合物料产甲烷最佳,最高累计产气量为1 748.63 m L·kg~(-1),甲烷最高含量为59.26%,最高日产甲烷量为13.58 m L·kg~(-1);通过研究最佳C/N值为15.02的细菌多样性,可知在厌氧消化过程中细菌数量和群落结构丰富多样,样品间的细菌群落结构差异性相对较大,样品间存在与产沼气相关的共有的优势细菌。     

渗滤液添加量对餐饮垃圾厌氧消化的影响机制

系统地研究了渗滤液添加量对于餐饮垃圾厌氧消化产气过程的影响,结果分析表明,餐饮垃圾与渗滤液联合厌氧消化,可以有效地缓解酸抑制现象,增强厌氧消化系统的稳定性,提高沼气产率。当餐饮垃圾负荷为40 g·L~(-1),渗滤液与水的比例为1.227∶1,将厌氧消化原液的氨氮调节至2 000 mg·L~(-1)时,厌氧消化效果最好。沼气产率可达到840 m L·g~(-1)(以TS计),甲烷产率可达到375 m L·g~(-1),累积沼气产量达到理论值的94.32%,累积甲烷产量达到理论值的74.77%。     

餐厨垃圾生化产甲烷潜力的数学模拟

为资源化回收利用餐厨垃圾,采用BMP实验对其产甲烷潜力进行了研究,测定了不同厌氧消化时间内的沼气产量及COD、VFA浓度,并在此基础上对餐厨垃圾产甲烷潜力进行了数学模拟。结果表明,混合液COD浓度变化曲线呈逐渐下降的趋势,VFA出现短暂积累,应调控厌氧消化系统的碱度。餐厨垃圾经40 d厌氧消化后,实际生物化学产沼气及产甲烷潜力分别可达559.1、349.7 m L·g~(-1)VS,第20天后累积产气量增加不显著。数学模拟结果表明,餐厨垃圾最初7 d的平均水解常数为0.244 d~(-1),模拟产沼气及甲烷潜力分别可达578.36和363.72 m L·g~(-1)VS,实际产沼气及甲烷潜力分别占模拟产沼气及甲烷潜力的96.7%、96.1%,采用固体停留时间为25~30 d进行厌氧消化较为合理。     

猪粪与玉米秸秆混合中温发酵产气效果

以猪粪及碱液预处理后的玉米秸秆为原料,在恒温35℃和料液总固体质量分数为5%的条件下,以实验室内培养的不产气厌氧活性污泥为接种物,研究猪粪与玉米秸秆不同配比(干物质比分别为1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1和0∶1(单一猪粪))混合发酵对产气效果的影响。研究结果表明,在35℃条件下,猪粪与玉米秸秆以2∶1配比的累积产气量最大,为15 157 mL;其次是1∶1样品,累积产气量为15 088 mL。但甲烷产量最高为1∶1样品,56 d共产甲烷9 137 mL,甲烷气占总产气量的60.6%。通过对发酵过程中pH及COD的测定,证明经碱液预处理后的玉米秸秆能与猪粪混合稳定发酵,发酵前后厌氧消化液中COD的降解率可达50%以上。进一步研究分析得出,将玉米秸秆和猪粪按一定比例混合发酵不仅可以缩短发酵周期、提高产气速率,而且可以大幅提升原料的产气潜力。     

餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产沼气协同效应

在(35±0.2)℃温度下,以餐厨垃圾和剩余污泥为原料,设置餐厨垃圾和剩余污泥混合比例(VS)分别为1∶0、2∶1、1∶1、1∶2和0∶1,研究其单独消化与混合消化的系统性能、产甲烷潜力及脱氢酶活性和F420浓度变化。结果表明,混合消化提高了系统稳定性,与餐厨垃圾单独消化相比,添加剩余污泥能调节pH、氨氮浓度和VFA浓度,缩短产气周期;与剩余污泥单独消化相比,添加餐厨垃圾能显著提高沼气产量。混合比例为1∶1组混合消化产甲烷潜力最佳,消化作用的协同效应最为明显,沼气和甲烷产量分别达358.2 mL/g VS和224.1 mL/g VS,较餐厨垃圾和污泥单独消化估计值分别提高了23.09%和36.80%。1∶1混合消化组脱氢酶活性最高达437.33 TFμg/(mL·h),比餐厨垃圾和剩余污泥单独消化分别提高93.60%和40.69%,辅酶F420浓度最高为1.718μmol/L,分别提高17.3%和100.7%。     

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。     

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。     

蓝藻与污泥混合厌氧发酵产沼气的初步研究

为了实现太湖蓝藻打捞后的快速处置,对厌氧颗粒污泥、消化污泥、剩余污泥与蓝藻混合厌氧发酵产沼气进行了研究。结果表明,蓝藻与污泥混合可以有效促进沼气发酵。在蓝藻与厌氧颗粒污泥物料比为6∶1时,产气效果最佳,沼气产率为73 mL/g VS,平均甲烷含量为69%,最大产气速率为138 mL/d,累计产甲烷量为50 mL CH₄/g干物质,分别是蓝藻与消化污泥、剩余污泥混合发酵时的1.5倍和2.3倍。厌氧颗粒污泥、消化污泥、剩余污泥与蓝藻混合,其VS降解率为11.40%～13.73 %,COD减少了27.97%～46.38%。厌氧发酵对蓝藻藻毒素的含量有较大影响,分别从356、366和244 μg/L降低到检测限5 μg/L 以下。     

牛粪和玉米秸秆厌氧消化产甲烷潜力及动力学

为了评价牛粪和玉米秸秆的产甲烷潜力,研究其厌氧消化过程动力学方程,采用自制序批式厌氧发酵实验装置对某养殖场牛粪和秸秆的最大甲烷生产潜力及其发酵过程进行研究。通过实验研究,测得接种物、牛粪和玉米秸秆的累计甲烷产量分别为64.87、244.0和466.54 m L CH4/g VS。根据实测的产气量变化曲线,按照modified Gompertz equation模型进行方程拟合,牛粪组和玉米秸秆组拟合方程的相关性系数分别为0.983和0.991,表明运用modified Gompertz equation模型预测牛粪和玉米秸秆的产甲烷潜力方法可行。通过对产甲烷过程的动力学研究得到:接种物、牛粪和玉米秸秆的最大产甲烷潜力分别为66.07、213.93和458.57 m L CH4/g VS,与实测值的误差率分别为1.8%、12.3%和1.7%;牛粪和玉米秸秆的最大甲烷日产气率(Rm)和延滞期时间(λ)分别是13.14 m L CH4/(g VS·d)、30.76 m L CH4/(g VS·d)和0.35 d、0.71 d。综上,玉米秸秆厌氧消化的停滞期长,但总产气量和最大甲烷日产期率都比牛粪高。     

餐厨垃圾两相与单相厌氧消化过程参数分析

在(55±0.2)℃温度下,以餐厨垃圾为原料,分别进行两相与单相厌氧消化实验,两相实验设置不同初始p H的反应组,比较两相与单相厌氧消化的产气效率、有机酸、营养物质和酶活性等的变化。结果表明,餐厨垃圾两相厌氧消化可以提高产甲烷效率,初始p H 8.5餐厨垃圾组的甲烷产量最高为178.3 m L/g COD,比单相厌氧消化提高了338%;另外,两相厌氧消化中氢气最高可达14.12 m L/g TS。餐厨垃圾两相厌氧消化产酸相的初始p H会影响产氢和产甲烷的效率,氢气和甲烷的产量随初始p H的升高而呈增加趋势。淀粉酶活性在两相实验组的产酸相及单相实验组均呈现先升后降的变化,最高活性分别为0.542 mg/(m L·min)和0.298 mg/(m L·min);蛋白酶活性在产酸相达到最高,为1.70μg/(m L·min);脱氢酶活性在初始p H为9.0的实验组达到最高,为145μg/(m L·h),分别是空白和单相实验组的113.3%和120.8%。     

基于不同破解方法的市政污泥厌氧消化产气量优化

污泥溶胞破解是提高污泥厌氧消化产气量的重要手段。实验比较了热预处理、碱预处理、热碱预处理以及电化学热处理4种破解方法对市政污泥厌氧消化产气量的优化效果,通过分析比较沼气累积产量、日产气量、日产气速率和CH_4在沼气中的含量占比等指标得出实验结果和结论。结果表明,不同的破解方法对市政污泥厌氧消化产气量的优化程度是不同的,其中,电化学预处理破解方式的沼气累积产量最多,为648 L·kg~(-1)(以VS计),同时其CH_4在沼气中的含量也最多,从5 d后的56.2%一直持续上升到40 d后的64.8%,表明该种方式对于市政污泥厌氧消化产气量的优化是较为理想的。     

中药浸膏药渣厌氧发酵产沼气研究

针对中药药渣难处理的特点,以污水处理厂厌氧污泥为接种物,以中药浸膏药渣为发酵原料,以发酵过程中日产气量、pH值、VFA和氨态氮等为参数,对其厌氧发酵产沼气可行性、接种物与中药药渣间配比、发酵温度以及添加微量金属元素等影响因素进行了研究。实验结果表明,中药药渣厌氧发酵产沼气方案可行;在厌氧污泥接种物与中药药渣最佳质量配比为1∶2、最佳反应温度35℃,分别添加适量的Fe、Co、Ni微量金属元素时,厌氧发酵起动时间均较对比样早,产气量较对比样大大增加,且总产气时间缩短。     

沼液回流对秸秆与污泥混合中温厌氧消化的影响

为了提高秸秆与市政污泥混合厌氧消化的消化产率,以秸秆污泥混合物作为底物,在批次实验中研究不同沼液回流对中温(35℃)混合厌氧消化过程的影响。实验采用0%、20%、30%、40%、50%和60%等6种不同的沼液回流量,分析不同沼液回流量下产气量、甲烷含量、发酵过程氨氮含量、sCOD、总挥发酸(VFAs)的变化情况。结果表明:50%的沼液回流产气量和甲烷产量均最大,分别是1 645 m L和797.5 mL,TS和VS去除率达到17.5%和47.8%,单位VS甲烷产量为613.45 mL·g-1,较未加沼液的发酵瓶提高了37.7%,且无VFAs积累。过高的沼液回流量提升了厌氧反应的氨氮浓度,对厌氧产气过程产生了抑制。50%沼液回流量可以作为秸秆污泥混合厌氧消化最佳回流量。     

纤维素酶添加时间对碱性双氧水预处理玉米秸秆高温厌氧消化的影响

研究了纤维素酶添加时间对玉米秸秆高温厌氧消化的影响。玉米秸秆首先进行碱性双氧水预处理,结果表明,预处理最佳条件为Na OH投加量4 g/L,H_2O_2投加量17 g/L,固液比1∶40,预处理时间4 h。预处理后的玉米秸秆在50℃下进行序批式高温厌氧消化,分别在发酵前期(第1天)、发酵中期(第10天)和发酵后期(第20天)向系统中添加15 m L(20 FPU/g)纤维素酶液。结果表明,添加纤维素酶能有效促进厌氧发酵过程中的生物质水解,对随后产酸产甲烷过程的直接影响较小。和对照组相比,发酵前期、中期和后期添加纤维素酶时系统的累积产气量分别提高18.66%、10.39%和1.93%,VS转化率分别提高13.51%、8.00%和2.90%。前期、中期和后期添加纤维素酶均能提高厌氧消化产气,但厌氧消化前期添加纤维素酶效果更为明显。     

矿化垃圾对污泥厌氧消化产甲烷的影响

在序批式厌氧反应器中探究了矿化垃圾对污泥厌氧消化产甲烷的影响。实验结果表明,矿化垃圾能够提高甲烷的产量并且提高甲烷的体积分数。当矿化垃圾投加量由0增加到5 g·L~(-1)时,甲烷的产量也由168.9 m L·(g VSS)-1(挥发性悬浮固体)增加到218.6 m L·(g VSS)-1,体积分数由60%增加至70%。然而继续提高矿化垃圾的投加量至7 g·L~(-1)对污泥厌氧消化造成一定的抑制作用。矿化垃圾的存在能够提高污泥中溶解性化学需氧量(SCOD)的溶出,挥发性脂肪酸的积累进而为产甲烷菌提供了充足的消化底物,从而提高了甲烷的产量。     

推流式反应器厌氧消化浮萍和猪粪混合物

使用带隔板的推流式反应器(体积约为4 m3),对浮萍与猪粪(干重比1:1,湿重比7:1)的混合物、猪粪进行为期50 d的中温厌氧消化产气性能比较研究,结果表明,在有机负荷为3.5 g(VS)/(L·d)时,浮萍与猪粪(干重比1:1,湿重比7:1)混合物的VS产气率为0.31 L/g,COD转化率为63.2％,反应器容积产气率为1.00 m3/(m3·d);猪粪的VS产气率为0.28 L/g,COD转化率为57.1％,反应器容积产气率为0.71m3/(m3·d).进料COD和SS的平均浓度分别为19.19 g/L和14.28 g/L,推流式反应器对其平均去除率分别为59.7％和68.7％.由此说明,带隔板的推流式厌氧反应器对浮萍和猪粪的混合物有较好的厌氧消化能力,浮萍与猪粪混合物的厌氧消化性能优于猪粪.     

餐厨垃圾高温厌氧消化

在中试规模下,研究餐厨垃圾高温厌氧消化试验,通过监测餐厨垃圾厌氧消化过程中产气量、气体组成等产气情况和消化液中pH值、SCOD、NH4+-N、VFAs等化学指标含量变化,确定餐厨垃圾厌氧消化的最大有机负荷,并分析餐厨垃圾高温厌氧消化技术的可行性,结果表明,在工程上餐厨垃圾单独进行高温厌氧消化产甲烷具有技术可行性,但难以保证系统长时间安全稳定运行;餐厨垃圾厌氧消化正常运行时最大有机负荷可达2.551 kg VS/(m3.d);当系统有机负荷为2.551 kg VS/(m3.d)时,每天每千克VS最高可产生甲烷量0.622 m3;氨氮对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷影响明显;餐厨垃圾中固有Na+含量对厌氧消化产甲烷影响不明显。     

不同厌氧消化反应装置的玉米秸秆产沼气比较

为了探究适合农作物秸秆进行厌氧消化产沼气的反应装置,选用单相反应装置连续搅拌反应釜(continuously stirred tank reactor,CSTR)和两相反应装置渗滤床(leach bed)上流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket,UASB)作为玉米秸秆厌氧消化的反应器,比较了玉米秸秆在这2种反应装置中的厌氧消化产气特性。研究结果显示,在水力停留时间为30 d、半连续的进料方式下,CSTR反应装置中有机负荷率(以原料VS计)为3.0 g·(L·d)-1时的VS甲烷产量为223 m L·g-1,而在相同的水力停留时间、批式进料方式下,L-UASB反应装置的VS甲烷产量为169 m L·g-1,前者原料中挥发性有机固体含量减少了53.7%,后者减少了43.5%,因此研究结果表明农作物秸秆的厌氧消化产气特性受反应装置影响较大。