猪粪和羊粪与麦秆不同配比中温厌氧发酵研究

研究了猪粪和羊粪分别与麦秆不同配比中温(35℃)厌氧发酵对产气量、消化时间和最优C/N值的影响。结果表明,猪粪与麦秆在中温厌氧发酵时,所需的最优C/N值为21,且经141 d就可充分发酵,最大干物质累积产气量可达369.53 mL/g。羊粪与麦秆中温厌氧发酵时,所需的最优C/N值为24,且经96 d就可充分发酵,最大干物质累积产气量可达209 mL/g。猪粪秸秆中温厌氧发酵时易发生酸化,发酵前应通过预处理来减少酸化可能;而羊粪麦秆不易发生酸化。     

响应面法优化香蕉秸秆与猪粪混合厌氧发酵工艺研究

将香蕉秸秆与猪粪混合后厌氧发酵,考察粪秸比(猪粪干物质占发酵原料干物质的质量分数)、厌氧污泥接种量(厌氧污泥占发酵料液的质量分数)和发酵温度对总产气量的影响。在此基础上,通过响应面法对厌氧发酵工艺进行优化,并建立总产气量与粪秸比、厌氧污泥接种量、发酵温度的二次回归模型。研究结果表明,建立的二次多项式数学模型具有高度显著性,模型拟合度、精确度高,数据合理。最佳工艺条件为:粪秸比为35.34%,厌氧污泥接种量为61.40%,发酵温度为40.27℃。在此条件下,总产气量的预测值为15 779.2mL,试验值为15 620.5mL,二者相对偏差为1.01%。可见,所得模型能够较好地优化发酵条件并预测总产气量,可为提高香蕉秸秆与猪粪混合厌氧发酵产气量及提高发酵效率提供一定参考。     

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。     

不同氮源对猪粪废水厌氧发酵中氨抑制效果的影响

为明确不同氮源在猪粪废水厌氧发酵过程中的氨氮释放规律及其对厌氧发酵的抑制作用,以尿素和氯化铵为外加氮源,以固液分离后的猪粪废水为底物,在中温35℃条件下通过批式厌氧发酵,研究了不同总氨氮(total ammonia nitrogen, TAN)浓度的外加氮源对猪粪废水厌氧发酵的影响。结果表明:在猪粪废水厌氧发酵过程中,以尿素为氮源产生的游离氨(free ammonia nitrogen, FAN)、挥发性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)和pH均明显高于以氯化铵为氮源的处理组,但二者对应的总氨氮(total ammonia nitrogen, TAN)没有明显的区别;以尿素为氮源(TAN≤500 mg·L~(-1))和以氯化铵为氮源(TAN≤1 500 mg·L~(-1))均能促进猪粪废水厌氧发酵产甲烷,但超过这一浓度后,均对产甲烷有抑制作用,尿素对猪粪废水厌氧发酵产生抑制的浓度(TAN500 mg·L~(-1))远低于氯化铵(TAN1 500 mg·L~(-1));相较氯化铵,以尿素为氮源对猪粪废水的厌氧发酵具有更强的氨抑制。以上结果可为高氨氮抑制厌氧发酵氮源的选择提供参考。     

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、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。     

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 mL·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。     

玉米秸秆滤料对猪粪发酵沼液过滤效果

悬浮物含量高是沼液在使用滴灌或膜浓缩处理过程中最主要的技术障碍,因此,如何去除其中的悬浮物是保证沼液能否更好后续资源化利用的关键。为了探索玉米秸秆作为一种预过滤材料对猪粪发酵沼液的过滤效果,通过将玉米秸秆按不同粒径、不同填充方式进行装柱,测定过滤前后液体的悬浮物(SS)、pH值、电导率(EC)、化学需氧量(COD)、总氮(total nitrogen,TN)、总磷(TP)、总钾(TK)等指标的变化,比较玉米秸秆在不同装填方式下的综合过滤能力。滤柱的运行条件设置为:内径10 cm,装填高度85 cm,沼液进水流量5 L/h。结果表明,上粗下细玉米秸秆自然堆放(JG50+JG20)在单周期总运行时间、单周期总处理水量以及悬浮物(SS)的去除方面均有较好的表现,其中,单周期总运行时间可达到10~14 h,单周期总处理水量为56.65 L,SS去除率可达到60%以上,COD去除率在50%左右。沼液中的氮素主要分布在液相中,过滤后TN的去除率约为10%~15%。玉米秸秆作为过滤材料,在过滤过程中沼液可将其中的K+浸提溶出,提高滤出液的养分含量,且滤出液K+与EC具有高度相关性,相关系数 > 0.8。该实验验证了玉米秸秆作为沼液预过滤材料的可行性,并为后续进行精密过滤、组合过滤提供了参考。     

猪粪与酒糟混合厌氧发酵的产甲烷和三元pH缓冲体系特征

以猪粪和酒糟为发酵原料,考察了5种混合比例（猪粪与酒糟总固体含量（TS）比100:0、95:5、90:10、80:20、50:50）下混合厌氧发酵的产甲烷特性,并研究了其三元pH缓冲体系特征。结果表明,混合比例显著影响猪粪与酒糟混合发酵的甲烷产率（P-1（VSadded））,比纯猪粪厌氧发酵的甲烷产率提高了6.2%。纯猪粪、猪粪与酒糟TS比为95:5的2组累积产甲烷量符合修正Gompertz方程(R2=0.993 3; R2=0.989 6),无明显滞后期。酒糟含有的大量硫酸盐影响了甲烷产量。VFAs-氨氮-TIC三元pH缓冲体系特征的研究结果表明,由于酒糟的碱度严重缺失,酒糟添加量过大时,体系偏离合适的pH缓冲区域,体系酸度过高,抑制了厌氧发酵的进行。     

水稻与棉花秸秆不同预处理厌氧发酵产沼气

以猪粪为接种物,以棉花秸秆和水稻秸秆为发酵原料,分别对秸秆进行稀碱法预处理和稀碱法与超声波联合预处理,在发酵温度为(37±1)℃的条件下进行厌氧发酵产沼气的研究。结果表明,以联合预处理的秸秆为发酵原料,厌氧发酵的各项指标均比以稀碱预处理秸秆发酵的效果好,其中累积产气量和沼气中甲烷含量分别提高35.23%和2.4%,发酵后TS、VS含量相对减少2.6%～10.94%,发酵液代谢产物中的有机酸丙酮酸、乙酸和柠檬酸含量相对减少23.9%～25.9%、20.24%～24.53%和41.08%～45.91%。     

猪粪干发酵物料流动性指标研究

干式沼气发酵工艺的研究中,影响干发酵工艺的最大问题是出料困难。出料的方法及设备的研究开发都涉及物料流动性。目前,还没有表征干发酵物料流动性的指标。针对该问题,本研究考察了塌落度、休止角和静摩擦系数3种参数表征猪粪干发酵物料流动性的可行性。通过3种指标对流速的曲线拟合,发现塌落度与流速的关联性最好,灵敏度系数曲线显示塌落度的灵敏度较休止角和静摩擦系数高。塌落度的测定上限和测定下限分别为253和279 mm,对应的流速分别为0.01和0.29 m/s;休止角和静摩擦系数的准确度均超出了要求的范围,所以无测定限。塌落度的最大相对误差、相对平均偏差和相对标准偏差分别为12.79%、23.62%和30.68%,远低于休止角和静摩擦系数,因此,塌落度测量结果的准确度和精密度高于休止角和静摩擦系数。从参数的准确度和精密度以及测量方法的灵敏性和测定限几方面综合考虑, 塌落度适合作为表征猪粪干发酵物料流动性的指标。     

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。     

腐熟蓝藻与厌氧污泥混合厌氧发酵特性

采用批次小试实验对不同腐熟程度的蓝藻进行厌氧发酵产沼气实验研究。结果表明,新鲜蓝藻在30-35℃时腐熟7 d后,可在35℃的厌氧温度下获得最高的产气速率和246 mL/g COD的产气量,产气潜力为354 mL/g（VS）。厌氧反应15 d后,累计产气量、COD和VFA浓度趋于稳定。淀粉酶和脱氢酶的活性在厌氧反应初期受到抑制,蛋白酶活性和辅酶F420浓度在厌氧系统中逐渐增加,分别在第6天达到27.66μmol/（g VS·min）和第15天达到0.62μmol/g（VS）。15-18d是腐熟蓝藻适宜的中温厌氧发酵时间,少于以新鲜蓝藻为基质的厌氧消化时间。蓝藻腐熟过程促进了厌氧反应,腐熟7 d的蓝藻厌氧系统具有更高的微生物活性和产甲烷能力。     

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。     

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。     

添加小麦秸秆对猪粪高温堆肥腐熟进程的影响

选用猪粪与小麦秸秆为堆肥原料进行高温好氧堆肥实验,研究添加小麦秸秆对猪粪高温好氧堆肥过程中堆体温度、pH值、种子发芽指数、碳氮比和养分等理化指标的影响,寻求猪粪高温堆肥时的最佳秸秆配比,旨在为猪粪快速资源化利用提供科学依据。结果表明,猪粪高温堆肥时添加小麦秸秆可以缩短进入高温发酵阶段的时间,减少氮素损失,加快C/N的降低速率,加速有毒有害物质分解。其中猪粪和小麦秸秆6∶4处理各层温度在2~5 d内上升至50℃,并持续37~46 d,在堆肥结束时,有机质和速效氮含量较堆肥初期下降幅度最小,分别为33.90%和23.76%,全氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾含量较堆肥初期提高幅度最大,分别为13.34%、20.24%、53.19%、41.53%和16.57%。若以种子发芽指数80%作为堆肥腐熟的评价指标,猪粪和小麦秸秆6∶4配比堆肥的腐熟速度比纯猪粪快18 d,36 d即可腐熟。综合判断,实际应用中,猪粪与小麦秸秆按体积6∶4进行堆肥较为适宜。     

猪粪堆肥发酵菌种的分离筛选及特性研究

从多种样品材料中分离筛选出8株能以猪粪为基质生长的菌种,对其中4株菌(8B、8C、8E、2B)进行了初步分类鉴定,并对它们发酵猪粪培养基的特性作了研究.结果表明,这4株菌均属于芽孢杆菌属,其中8C、2B菌种生长最好,8B次之,而8E菌种则不适合作为发酵菌种;对培养基采取完全灭菌对菌种生长繁殖是有利的,间歇灭菌和不灭菌效果相对较差,甚至会对菌种产生不利影响;pH值的变化在一定程度上反映出微生物生长繁殖能力的强弱;较低的pH值不利于微生物菌种生长.     

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。     

芦苇秸秆厌氧发酵影响因素正交实验及产气潜力研究

以芦苇秸秆为发酵原料,采用正交实验法,在湿式和干式批次发酵条件下,考察了预处理方式、发酵浓度和接种量对芦苇厌氧发酵沼气产量的影响。结果表明,以NaOH预处理、接种量30%、TS浓度12 %的处理发酵情况最好,在第3 天即出现产气高峰,最高日产气量达2.1 L,总产气量达42.8 L。芦苇的总TS和总VS产气率分别达285.7 L·kg-1 TS、402.8 L·kg-1 VS,具有较高的产气潜力。根据正交实验方差分析结果,芦苇厌氧发酵的影响因素的影响程度是预处理方式 > 发酵浓度 > 接种量,确定芦苇厌氧发酵的最佳工艺条件为：NaOH预处理、接种量100 %、发酵浓度TS 12 %。     

中药渣微生物强化预处理效果及产气潜力

以天冬、防己和生地混合中药渣为发酵原料,分别采用固态(TS含量20%)和湿式(TS含量5%)2种发酵工艺,对经过微生物强化预处理的实验组药渣及未经过处理的对照组药渣进行沼气发酵,在35℃条件下,研究其产气潜力。在同为固态发酵工艺时,实验组药渣,产气量为1 900 mL,对照组药渣仅产气350 mL,固态发酵中实验组及对照组产气时间主要集中在前2天;而同为湿式发酵工艺时,实验组在整个实验周期产气共持续27 d,产气量为12 810 mL,对照组持续产气12 d,产气量为3 610 mL。实验结果表明,通过微生物的强化预处理均能大幅提高混合中药渣的产气率,混合中药渣经过预处理后采用湿式发酵工艺具有较好的产气潜力,其TS产气率为:0.346 m3/kg,而对照组TS产气率只有0.097 m3/kg,而固体发酵工艺并不适用于该混合中药渣的沼气发酵。     

化学沥浸与硫化钠钝化联合处理猪粪中重金属

利用柠檬酸浸提猪粪中重金属,减少总量,再利用硫化钠钝化经柠檬酸浸提后的猪粪残渣,降低猪粪中剩余重金属的生物可利用性。柠檬酸浸提实验表明：0.2 moL·L-1柠檬酸与猪粪按固液比1:5混合,反应24 h,对猪粪中Cu、Zn、Mn的浸出率为18.10%、66.16%、43.85%;硫化钠投加量5%,钝化7 d,猪粪中离子交换态Cu、Zn、Mn的浓度由酸浸后的14.08、116、81.75 mg·kg-1降为8.77、12.04、21.02 mg·kg-1,硫化钠对酸浸后猪粪中Cu、Zn的钝化率为52.00%、63.72%,猪粪残渣中离子交换态Mn所占全量的比例由对照组的30.22%降到7.77%;柠檬酸酸浸和硫化钠钝化对猪粪中Cu、Zn、Mn总处理效率为73.00%、61.44%、29.90%。重金属分离技术和钝化技术联合处理猪粪中重金属,可以有效减少猪粪中Cu、Zn、Mn的总量并降低其生物可利用性。