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%。     

褐铁矿与固体含量对牛粪秸秆混合厌氧干式发酵的影响

干式厌氧发酵是处理农业废弃物的有效途径之一,其中总固体(TS)含量和外源添加剂是影响有机质产甲烷过程的重要影响因素。以牛粪与水稻秸秆为例,研究了不同的褐铁矿添加量以及TS含量对牛粪秸秆混合厌氧干式发酵产甲烷过程的影响,并对沼渣特性进行表征。结果表明:固定TS含量25%时,添加1%褐铁矿(基于底物TS含量)显著促进产甲烷过程,产气量比对照组增加了21 mL·g~(-1)(以VS计);对照组(无褐铁矿)和添加1%褐铁矿时,纤维素降解均随TS含量升高而降低;TS含量40%时,添加1%褐铁矿对产甲烷过程具有抑制作用,甲烷产率相比于对照组(TS含量25%)降低了71%。可见只有当TS含量25%时,添加适量褐铁矿才能有效促进牛粪秸秆混合厌氧发酵产甲烷过程。研究可为优化农业废弃物甲烷化提供参考。     

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、p H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 m L·g~(-1)TS,大幅度高于不添加糟液的秸秆对照组产气量292.5 m L·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 m L·g~(-1)TS,秸秆和猪粪按TS1∶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。     

餐厨垃圾与活性污泥混合厌氧发酵研究

为实现固体废弃物的能源化利用,对餐厨垃圾与污水处理厂活性污泥进行混合厌氧发酵,通过单因素实验考察了餐厨垃圾与活性污泥的物料配比、TS质量分数、接种量及温度等因素对产气性能的影响,在此基础上利用正交实验探索多因素共同作用对混合厌氧发酵产气特性及产甲烷量的影响。结果表明,多因素对累积产甲烷量的影响顺序为接种量TS质量分数温度物料配比,混合厌氧发酵的最佳条件为物料配比4∶6(质量比)、TS质量分数6%、接种量55%(质量分数)、温度40℃。三次函数可以用于模拟最佳条件下混合厌氧发酵过程中日产甲烷量与发酵时间的关系,模型拟合效果较好(P0.001),达到极显著水平,R~2为0.832,拟合结果可靠性高。     

底物浓度对玉米秸秆乙醇发酵及残渣甲烷发酵的影响

为研究底物浓度对玉米秸秆乙醇发酵过程中乙醇产率和乙醇发酵剩余残渣厌氧发酵产气特性的影响,在中温(37±0.2)℃条件下,利用实验室自制小型厌氧发酵装置,在底物浓度为2%、3%、4%和5%下开展周期为50 d的序批式厌氧发酵实验,探索不同底物浓度下玉米秸秆发酵乙醇产率和乙醇发酵剩余残渣厌氧发酵产气特性。结果表明:底物浓度对玉米秸秆乙醇发酵影响显著,当底物浓度为3%时,玉米秸秆厌氧发酵乙醇产量最大,达到39.04 g;底物浓度过低或过高均不适合后期厌氧发酵产甲烷的进行,当底物浓度为3%时,玉米秸秆乙醇发酵残渣表面纤维结构被破坏最明显,残渣厌氧发酵产甲烷实验最早在3 d出现产气峰值,挥发性固体单位甲烷产量为26.82 mL·g~(-1),并且累积产气量最高,挥发性固体单位累积甲烷产量达到270.01 mL·g~(-1),玉米秸秆乙醇发酵残渣还有较高的产气潜能;通过质量平衡分析得到,底物浓度为3%时,玉米秸秆生物转化过程中TS和VS去除率最高,分别为59.12%和79.07%。该研究可为玉米秸秆乙醇发酵工程提供参考。     

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。     

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...     

响应面法分析优化牛粪厌氧发酵工艺参数

选取总固体浓度(TS)、碳氮比(C/N)和发酵时间(T)等3个发酵工艺参数,以沼气产率、甲烷含量和COD去除率作为发酵过程响应指标,运用响应面法(RSM)优化牛粪厌氧发酵工艺条件。结果表明,根据实验数据建立的3个二次多项式数学模型都具有高度耦合性(0.01),并且回归系数(R2)均大于0.9,说明预测值与实验值之间具有很好的拟合度。根据二次多项式方程运用响应面法单独优化沼气产率、甲烷含量和COD去除率的最优条件分别为TS=6.18%,C/N=25.51,T=34.12 d;TS=6.97%,C/N=25.81,T=36.45 d;TS=4.51%,C/N=24.86,T=36.08 d。结果发现,提高沼气产率和甲烷含量与提高COD去除率的最优TS和C/N值是相反的,进一步采用Design-Expert软件寻找出三者共同的优化条件,结果为TS=6.49%,C/N=25.36和T=35.37 d。该条件下沼气产率为230.62 mL/g VS,甲烷含量为70.50%以及COD去除率为57.51%。     

藻渣添加对玉米秸秆厌氧发酵特征的影响

厌氧发酵是农业废弃物资源化的有效途径之一.将农业废弃物同其他富含氮元素的有机废物混合发酵能够有效地提高产气效率.以玉米秸秆为例,尝试利用藻渣作为添加剂,提高农业废弃物厌氧发酵的性能.实验主要研究了混合发酵比例对沼气产量、甲烷产量、沼渣沼液特征的影响.当玉米秸秆、藻渣和接种污泥的挥发性固体质量分数为10∶ 2∶2时,沼气产率最高可达421.0 mL/g,甲烷产率为218.7 mL/g.沼渣组分分析表明,纤维素和半纤维素降解效率分别为83.7％和68.4％,和对照相比纤维素的降解效率显著提高.结果表明,藻渣的添加能够有效地促进玉米秸秆厌氧发酵产甲烷过程.     

添加NaOH对水生植物固体厌氧发酵产甲烷的作用

为了提高木质纤维素生物质的甲烷产率,固体厌氧发酵以及预处理技术得到了广泛应用。本研究以水生植物菹草为例,探讨了厌氧固体发酵同步碱处理提高甲烷产率的可行性。采用2种来源的微生物(厌氧污泥和牛粪),初始生物质浓度为20%TS(total solid,总固体重量),考察不同的NaOH添加量(基于反应体系总TS 0%、2.0%、3.5%和5.0%)对菹草厌氧发酵产气和固体水解效率的影响。结果表明,与对照实验组相比,初始NaOH加入量为3.5%时,接种污泥和牛粪的实验组中甲烷总产量分别为787.1 mL和1 165.4 mL,与对照实验组相比(619.1 mL和834.8 mL),分别提高了27.1%和39.6%,而且接种牛粪的实验组中单位挥发性固体(VS)产甲烷率最高,为186.5 mL/g。对发酵后的木质纤维素残渣组分进行分析,结果表明,NaOH有助于促进菹草中纤维素及半纤维素的分解,以及木质素结构的破坏,从而提高了菹草厌氧发酵产气产甲烷效率。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

不同有机物添加接种物产甲烷差异分析

为了解厌氧发酵原料物质大分子有机化合物特性与累积甲烷产生量的关系,本实验采用中温((45±1)℃)厌氧发酵对甲基纤维素、蛋白胨、可溶性淀粉、木质素的产甲烷差异进行了研究。结果表明:4种有机物中蛋白胨累积产甲烷量最多,为120.9 mL CH_4·(g TS)-1,其次为甲基纤维素,木质素再次之,可溶性淀粉累积产甲烷量最少,为61.0 mL CH_4·(g TS)-1。厌氧消化结束后,4种有机物的总固含(TS)均有不同程度的降低,且下降幅度与累积产甲烷量呈正相关;甲基纤维素、可溶性淀粉、木质素处理沼液挥发性脂肪酸(VFA)上升,NH_4~+-N下降,导致其pH值下降,特别是淀粉处理的极度酸化导致其产气时间最短,累积产甲烷量最少;而蛋白胨处理沼液挥发性脂肪酸(VFA)、NH_4~+-N和pH值均升高,但其累积产甲烷量最多。可见淀粉处理消化过程极度酸化对厌氧消化产甲烷的抑制作用远强于蛋白胨处理碱化的抑制作用。     

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。     

城市生活垃圾和污水处理厂剩余污泥混合发酵的原料配比优化研究

以城市生活垃圾和污水处理厂的剩余污泥为混合原料,研究了混合原料的不同配比对厌氧发酵过程及产气的影响。结果表明:城市生活垃圾与剩余污泥以挥发性固体(VS)质量比为2∶1混合后,厌氧发酵效果最好,累计产气量最高,达到8 721mL,发酵后的总固体(TS)、VS、COD去除率分别达43.65%、35.98%、47.88%;各实验组在发酵过程中的pH、氨氮浓度和碱度均在合理范围内,未对厌氧发酵反应造成影响;以适当配比的城市生活垃圾和剩余污泥为混合原料,进行中温联合厌氧发酵是可行的,联合厌氧发酵可以弥补单一原料的缺陷,在一定程度上改善厌氧发酵效果。     

污泥与香蕉秸秆混合厌氧发酵特性

为提高污泥、香蕉秸秆厌氧发酵的甲烷产率,采用批式实验,研究污泥与香蕉秸秆厌氧发酵及其协同特性。实验结果表明:污泥和香蕉秸秆实验组分别会出现氨抑制、酸抑制现象,影响厌氧发酵的进行,一段时间后都可以自行解除抑制恢复产气。热碱污泥、碱浴秸秆实验组均可以解除抑制作用,甲烷产率较预处理前分别提高43%、176%。混合物质发酵实验组的甲烷产率较热碱污泥、碱浴秸秆实验组分别提高了110%、30%,较污泥和香蕉秸秆实验组分别提高了200%、259%。说明污泥和香蕉秸秆混合厌氧发酵,可以提高甲烷产率。     

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。     

产甲烷菌耐酸培养及其以餐厨为底物的产气特性

采用逐步提高厌氧发酵体系内丁酸盐浓度的方式,对产甲烷菌进行了适应性耐酸培养,随后将培养后的污泥接种餐厨垃圾进行高固态厌氧发酵,研究其以餐厨垃圾为底物的产甲烷特性。结果表明,进行耐丁酸培养的各个组的沼气及甲烷产量、最终VFAs浓度、SCOD浓度基本和丁酸钠添加量呈正相关。其中丁酸钠添加量为8 g·L-1的组的甲烷产量和沼气产量相对稳定且较大,最终分别为229 m L和830 m L。其脱氢酶活性也相对较大,为126.74 TFμg·(m L·h)-1;培养后污泥的TS、VS较培养前提高量最大,分别提高了64.13%和67.31%,相比培养后的对照组也提高了44.05%和66.07%。而产甲烷实验研究表明,经8 g·L-1的丁酸钠培养后的污泥的产气情况最好,其累积甲烷、沼气产率及甲烷含量最大,分别为101.8 m L·g~(-1)TS、228.0 m L·g~(-1)TS和44.7%,是对照组的3.2、1.3和2.4倍。