进料浓度对鸡粪连续中温厌氧消化的影响

针对高固体鸡粪厌氧消化运行困难问题,利用完全混合式厌氧反应器(CSTR),通过逐级提高进料总固体浓度(TS)的方法,研究不同进料TS((5.20±0.56)%、(7.24±0.36)%、(9.30±0.26)%和(6.22±0.26)%)的鸡粪连续中温厌氧消化效果。实验结果表明,进料TS由(5.20±0.56)%提高为(9.30±0.26)%,挥发性固体(VS)产气率由(0.64±0.05) L·g⁻¹下降为0.07 L·g⁻¹,有机物去除率明显减少,挥发性脂肪酸(VFAs)由(0.53±0.02) g·L⁻¹累积至(1.62±0.02) g·L⁻¹,总氨氮浓度(TAN)和游离氨浓度(FA)分别由(1.06±0.11) g·L⁻¹和(0.07±0.02) g·L^-1累积至3.40 g·L⁻¹和0.68 g·L⁻¹,消化过程受到氨抑制。采用Boltzmann模型对不同氨氮浓度下VS产甲烷率和VS去除率进行模拟,拟合结果表明,TAN升高所引发的FA持续累积导致高固体鸡粪厌氧消化氨抑制逐步形成,与VS产甲烷率相比,VS去除率对氨氮的抑制响应具有滞后性。降低进料TS至(6.22±0.26)%,氨抑制得到有效缓解,但反应器处于“抑制稳定状态”。因此,为保证反应器长期高效平稳运行,建议鸡粪连续中温厌氧消化的进料浓度不超过7.24%。研究为高固体鸡粪厌氧消化的工程化应用提供参考。     

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。     

不同混合比牛粪玉米秸中温干发酵产沼性能

设置5组牛粪和玉米秸的混合物（干物质比为0∶1、1∶0、1∶1、1∶2、2∶1）,研究其在中温35℃下干发酵产沼性能,以产沼性能最好实验组的实验数据为基础,对比研究了两类产气模型。研究结果显示：玉米秸与牛粪的混合干发酵运行效果较好;其中,牛粪和玉米秸干物质比为2∶1时产沼效果最好,产气量最高为81 209 mL,干物质产气率为0.312 m3/kg,整个发酵过程中产气量和甲烷的含量比较稳定,CH4含量最高达56.59%,总固体、挥发性固体的去除率相对较高,分别为26.11%和34.27%。一级动力学模型与多项式函数方程2个产气模型拟合检验结果显示,应用简单的多项式函数即可对产气情况进行相对准确的预测。     

pH值对玉米秸秆厌氧消化产气的影响

采用批式实验,研究了(35±0.5)℃、搅拌速度65 r/min的厌氧消化体系中,pH值对玉米秸秆厌氧消化产甲烷的影响,分析了消化液相及固相特性的变化.结果表明,厌氧消化第7～9天时各系统VFA浓度均达到最大值,pH值为7和9时,挥发性脂肪酸(VFA)浓度显著高于其他系统,SCOD向VFA的转化效率较高.pH值为9时累积产气量增加速度最快,最大累计产气量达到134.33 mL/g VS.pH值为7时累计产气量最大,高达149.2 mL/g VS,是pH值为5和11系统的3.23和6.71倍.pH值为7和9时,沼气中甲烷的平均含量分别为64.1％和62.5％,比pH值为5和11的系统提高了约10％.pH值为7和9时VS去除率达到67.68％和58.87％,显著高于其他系统.控制厌氧消化pH值在7～9范围内可以有效提高木质纤维素生物质的产气效率.     

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。     

脂肪酶对餐厨垃圾厌氧产气的影响

在序批式厌氧反应器中探究了脂肪酶对餐厨垃圾厌氧消化的影响,结果表明脂肪酶能强化甲烷的积累量,且最佳的脂肪酶投加量为0.4 g·L-1,相应的甲烷积累量为356 mL·g-1 VSS,该数值是空白对照组的1.3倍。进一步机理研究表明脂肪酶能够促进溶解性COD的释放,提高生物脱氢酶的活性而减少长链挥发性脂肪酸的积累,进而提高甲烷的积累量。     

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。     

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 mL 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 mL 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 mL CH4/(g VS·d)、30.76 mL 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。     

粪秆混合厌氧发酵渗滤床工艺的消化性能

以玉米秸秆-牛粪为原料,利用自行设计的渗滤床反应器（Leach bed reactors）,对比研究了渗透液回流喷淋时间、喷淋量、发酵温度及粪秆比4因素对原料物能转化率的影响。结果表明：发酵结束后罐内物料的TS浓度在13%~15%之间,属于高浓度发酵范畴;9样品产气峰值出现在发酵后的10~14 d,物能转化率排序为L6 > L2 > L9 > L7 > L1 > L8 > L4 > L5 > L3;TS产气率相对较高的共同特点主要为35 ℃中温、较高的渗滤液回流量以及较高的粪秆比。通过TS产气率的直观分析,4因素对实验结果影响大小排序分别为发酵温度> 粪秆比 > 喷淋量 > 喷淋时间间隔,得到的最佳工况参数为喷淋时间间隔2 h、喷淋量4 L、发酵温度35 ℃、粪秆比1∶1,此条件下得到的平均TS产气率为（98.4±3.5）mL·g-1。方差分析结果表明,发酵温度、粪秆比及喷淋量对产气结果影响极显著,为控制渗滤床发酵工艺的主要参数。     

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。     

猪粪与污泥不同配比对其厌氧共消化与微生物多样性的影响

研究采用猪粪与城市污水厂脱水污泥以5种不同VS比例（1：0,2：1,1：1,1：2和0：1）进行中温厌氧消化实验,以研究反应器在不同配比下的产甲烷特性,同时结合16S rRNA扩增子测序技术分析了消化过程中微生物组成的多样性变化。实验结果表明,添加猪粪能明显提升消化效率,当猪粪与污泥以2：1混合消化时甲烷累计产量最高可达684 L·kg-1VS,比污泥单独消化提升了120%。2：1组的VS去除率可达63.1%,且运行稳定,没有出现明显的酸抑制现象。随着猪粪的添加,优势菌种演替为Bacteroides、Clostridium、Methanosaeta和Methanosarcina。冗余分析结果表明共消化组中甲烷产生主要以氢营养型途径为主。添加猪粪参与共消化能明显提高微生物群落多样性,促进菌种间的协同作用,从而提升有机质转化效率。     

Aerobic treatment of swine manure to enhance anaerobic digestion and microalgal cultivation

Aerobic treatment of swine manure was coupled with anaerobic digestion and microalgal cultivation. A 14-day aerobic treatment reduced the total solid content of swine manure by >15%. Ammonia and carbon dioxide were stripped by the air supplied, and this off-gas was further used to aerate the culture of Chlorella vulgaris. The microalgal growth rates in Bristol medium and the wastewater with the off-gas increased from 0.08 to 0.22 g/L/d and from 0.15 to 0.24 g/L/d, respectively. Meanwhile, the aerobically treated swine manure showed a higher methane yield during anaerobic digestion. The experimental results were used to establish a demonstration unit consisting of a 100 L composter, a 200 L anaerobic digester, a 60 L tubular photobioreactor, and a 300 L micro-open raceway pond.     

响应面法优化厌氧消化过程中抗生素去除效果

为了深入探究厌氧消化过程中厌氧消化时间、猪粪含固率、抗生素初始质量分数对磺胺二甲嘧啶和磺胺甲噁唑去除效果的相互影响,本研究采用响应面优化法,以厌氧消化时间、猪粪含固率、抗生素质量分数为3因素,以抗生素残留质量分数和厌氧消化产气量为响应值,探索使用厌氧消化法降低抗生素残留质量分数的最佳工艺参数。结果表明,根据响应面分析可知,当猪粪含固率为3%,初始质量分数为40 mg·kg⁻¹TS,厌氧消化时间为30 d,预测的磺胺二甲嘧啶残留质量分数最低为0.428 mg·kg⁻¹TS;当猪粪含固率为7%,磺胺二甲嘧啶初始质量分数为40 mg·kg⁻¹TS,厌氧消化时间为20 d,预测的磺胺甲噁唑残留质量分数最低为0.1063 mg·kg⁻¹TS。综合产气量考虑,当猪粪含固率为5.58%,磺胺二甲嘧啶初始质量分数为80 mg·kg⁻¹TS,厌氧消化时间为27.8 d,预测的产气量最高为389.3 mL·kg⁻¹TS。当猪粪含固率为5.89%,磺胺甲噁唑初始质量分数为80 mg·kg⁻¹TS,厌氧消化时间为30 d,预测的产气量最高为389.6 mL·kg⁻¹TS。该研究可为猪粪厌氧消化过程中的降低抗生素残留、提高产气量的工艺优化提供参考。     

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.     

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。     

非混合接种对猪粪厌氧干发酵产气特性的影响

为达到缓解猪粪厌氧干发酵时有机酸的积累并能够同时提高产气性能的目的,采用小试批式实验,在中温(37 ℃)、总固体(TS)为20%的条件下研究了猪粪接种物全混合发酵、猪粪非混合接种发酵、猪粪玉米秸秆与接种物全混合发酵及猪粪玉米秸秆混合原料非混合接种发酵这4种方式对发酵体系的有机酸积累及产甲烷特性的影响。结果表明,猪粪接种物全混合发酵和猪粪玉米秸秆与接种物全混合发酵的总有机酸(TVFAs)质量浓度在发酵结束时分别为15.2和3.6 mg·g⁻¹,较对应底物的非混合接种发酵分别提高了6.3倍和5.0倍。在2种非混合接种发酵体系中,TVFAs质量浓度在21 d后迅速降低。其中,猪粪玉米秸秆混合原料非混合接种的TVFAs下降幅度更大,其第30天的TVFAs质量浓度低于1.5 mg·g⁻¹。猪粪玉米秸秆混合原料非混合接种厌氧发酵产气效果最佳,累积VS产甲烷量达到148.2 mL·g⁻¹。猪粪非混合接种发酵沼气中甲烷含量最高,达到75.1%。修正的Gompertz模型拟合结果显示,猪粪玉米秸秆混合原料非混合接种发酵和猪粪非混合接种发酵的迟滞期分别为10.6和12.4 d,较对应底物的混合接种发酵分别缩短了5.9和6.1 d;最大VS产甲烷速率分别提高了1.7倍和4.9倍,达到6.2和4.8 mL·(g·d)⁻¹。非混合接种能够缓解猪粪厌氧干发酵的酸抑制并同时提高其甲烷产率。     

纤维素乙醇糟液对稻秸猪粪厌氧发酵的促进机制

纤维乙醇生产会伴随产出大量酸性糟液。利用厌氧技术处理糟液存在C/N低、pH值低等难题,采用糟液与秸秆、猪粪混合后厌氧发酵是一种有效的糟液处理途径。秸秆添加糟液后,TS比例为3%,6%和9%时各组产气量分别为627.8、585.6和443.9 mL·g-1 TS,大幅度高于不添加糟液的秸秆对照组产气量292.5 mL·g-1 TS,且嗜氢产甲烷途径增强,甲烷体积分数从低于60%增至70%以上。猪粪添加糟液在较低TS浓度3%时产气量最高676.7 mL·g-1 TS,秸秆和猪粪按TS 1：1的比例混合时添加糟液的产气效果最佳。秸秆添加糟液的最大VFAs比秸秆对照高2.8~4.7倍,产气延迟增加,从混合型发酵变为典型的丁酸型发酵;猪粪添加糟液后VFAs浓度相对较低,产气启动快,从混合型发酵转变为典型的丙酸型发酵,说明糟液在不同碳源条件下,有着不同的代谢促进途径。糟液与农业废弃物混合厌氧发酵,是一种高效的共发酵体系。糟液在刺激促进秸秆、猪粪产气提升和解除抑制风险的同时,自身也得到高效降解利用。     

共接种瘤胃微生物和厌氧污泥的水稻秸秆中试厌氧消化系统性能评估

针对富含木质纤维素底物利用效率低的问题,通过在中试厌氧消化系统中共接种瘤胃微生物和厌氧污泥来改善水稻秸秆中木质纤维素的水解,采用逐步提升底物有机负荷(OLR)的方式,评估了接种后水稻秸秆的厌氧消化效率。结果表明,在反应体系底物有机负荷达到4.26 g·(L·d)⁻¹(以VS计)时,系统表现出最佳的厌氧消化性能,此时沼气产率为528 mL·g⁻¹ (以VS计),甲烷产率为287 mL·g⁻¹,容积沼气生产强度达到2.20 L·(L·d)⁻¹。在反应器有机负荷从1.05 g·(L·d)⁻¹提升到4.26 g·(L·d)⁻¹的运行过程中,系统的纤维素降解率稳定在(71 ± 2)%,半纤维素降解率稳定在(92 ± 4)%,木质素降解率稳定在(15 ± 3)%。这种稳定性表明反应器的连续运行成功地形成了高效的木质纤维素降解体系,结果可为实际规模化应用提供参考。     

稀盐酸预处理对稻草厌氧消化的影响

为探明稀酸预处理对稻草厌氧消化的影响,采用不同浓度的稀盐酸溶液对稻草进行了浸泡预处理,并在完全混合厌氧消化条件下,研究了稻草厌氧发酵过程中的产气量、甲烷含量,发酵液中COD、pH值及挥发性脂肪酸(VFA)的变化情况.结果表明,增大稀盐酸溶液浓度会提高稻草厌氧消化反应的效果.分别经4%、8%和12%的稀盐酸溶液浸泡预处理...     

不同堆肥方式对鸡粪与秸秆混合堆肥效果

以鸡粪和玉米秸秆为堆肥原材料,进行了露天堆肥和反应器堆肥对比实验。结果表明,反应器堆肥（堆体P2）较露天堆肥（堆体P1）升温快,堆体P2达到了《粪便无害化卫生标准（GB7959—87）》的要求,堆体P1未达到;在整个堆肥过程中,堆体P1的水分总损失量（26．5％）大于堆体P2的水分总损失量（20．6％）;堆体P1和P2的有机质降解主要发生在堆肥前期0～21d,分别完成了81．4％和84．5％的有机质降解量;堆体P1和P2的C／N比在堆肥过程中均呈下降趋势,最终C／N比分别为18．3和14．8;种子发芽指数GI_P1〈GI_P2,表明采用堆体P2的堆肥产品的植物毒性较堆体P1更小。各指标实测数据表明,反应器堆肥的堆肥产品的稳定性和腐熟程度较露天堆肥更好。