多元混合物料协同促进厌氧消化产甲烷性能试验研究

为评估农牧废弃物多元物料混合厌氧发酵对产甲烷性能的协同促进作用,研究了中温（37±1）℃和固体质量分数为12%时,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合原料的厌氧消化产甲烷性能,最后应用修正的Gompertz方程分析甲烷生产的动力学过程.结果表明：3种物料混合厌氧发酵发生了明显的协同促进作用,协同效应作用值为34.85%~70.39%,贡献效果显著（P<0.05）;当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS混合比例为50：20：30时,甲烷产率、累计甲烷产量和VS降解率达到最大值,分别为286.0mL/g VS、20713mL和65.6%,比单一牛粪、蔬菜废弃物以及玉米秸秆厌氧消化甲烷产量分别提高了32.9%、229.9%和82.0%.修正的Gompertz方程能较好反映物料厌氧消化产甲烷过程,拟合结果的R²均大于0.99,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为50：20：30时具有最大产甲烷速率17.34mL/（d×g）和较短的迟滞时间2.97d.该研究结果可为农牧废弃物多元混合物料厌氧消化产沼气工程提供参考.     

厌氧条件下纤维素降解产气的研究

进行了生活垃圾中纤维素组分在厌氧条件下的降解特性试验,选用纯纤维素物料作为原料,采用单因素试验设计,考察了不同温度下(30~50℃)纤维素物料的降解动力学规律.结果表明,30℃为纤维素物料厌氧降解的最佳温度,最高产气和产甲烷量分别达到了620.4,357.2mL/g,产气过程分为适应期、快速增长期和稳定期3 个阶段.基于物料守恒和Monod 方程的动力学模型参数根据试验数据来确定,而不是来自于经验值.通过混合物料降解试验验证,试验值与模拟值吻合得较好.     

接种对厌氧消化产气的影响研究进展

厌氧消化是一种高效的废物处理方法,接种是影响厌氧消化能否成功启动的重要因素。文章从接种物的种类、接种量两方面讨论了接种对厌氧消化产气的影响,包括对厌氧产气量、产气速率和产甲烷速率的影响,指出以猪粪为底物时,一定接种量范围内,厌氧消化的产气率和甲烷产率随接种量的增加而增大,而当接种量过大时,产气率和甲烷产率反而随着接种量的增大而减小。最后,对接种对厌氧消化影响的研究作了展望。     

生物质组成差异对生活垃圾厌氧产甲烷化的影响

采用批式实验,通过分析液相性质和产气过程,比较了生活垃圾中2 类主要的生物质组分(食物类废物和纤维类废物)及其不同含量在厌氧降解时甲烷生成过程的差异.结果表明,食物类废物累积产甲烷量远高于纤维类废物,其有机物的快速水解酸化,为快速产甲烷化提供了必要的底物.纤维类废物产甲烷速率相对较低,水解是其厌氧产甲烷化过程的控制步骤.生活垃圾的产甲烷量可以根据食物类废物和纤维类废物的比例推算而得,食物类废物含量越高,其累积产甲烷量越大.采用厌氧消化工艺有利于含食物类废物量高的垃圾的能量回收,而因食物类废物快速水解导致的液相挥发性有机酸积累是该工艺必须解决的关键性技术问题.     

有机垃圾填埋过程产甲烷量化模型研究

垃圾填埋场产生大量甲烷,收集这些甲烷不仅可减少温室气体排放,并且可将其作为能源利用,而填埋场甲烷产量的预测是其利用过程中的首要环节. 笔者介绍并分析了现有几种有关垃圾填埋场甲烷产量预测模型的不足;并从可降解有机组分的厌氧降解机理出发,对降解主要反应方程进行量化,由此推导出产甲烷量化模型. 结果表明:每kg动物、植物、纸类和木竹类垃圾(净垃圾)分别可产生0.578,0.331,0.270和0.319 kg甲烷;在此基础上,推导出有机垃圾填埋过程产甲烷量化预测模型,验证结果显示,该模型预测结果可靠,且结构简单、参数较少、易于量化,由于在计算过程中舍弃了其他不可降解组分的含碳量,因而比现有模型更加精准.      

热碱处理污泥协同餐厨垃圾两相厌氧消化的特性

以热碱处理后的污泥和餐厨垃圾为原料,采用中温两相厌氧消化工艺,研究不同配比的污泥与餐厨垃圾的基质转化规律、产甲烷性能及系统稳定性等特性。结果表明:溶解性多糖及蛋白质在产酸阶段被大量消耗,二者去除率最高分别可达97.2%和70.4%,而餐厨垃圾比例占优的实验组,固态蛋白质溶出速率大于溶解性蛋白质水解速率。热碱污泥与餐厨垃圾混合厌氧消化的产气性能及稳定性明显得到提升,其中混合比例为2∶3的混合组产甲烷性能最佳,甲烷产率达261.6 mL/gVS,比单独餐厨垃圾消化组提升了29.6%,产甲烷过程中8 d实现了80%的甲烷产量,VS去除率最高达45.7%,产甲烷阶段VFAs/碱度小于0.2,系统稳定未出现酸化现象。     

造纸污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷试验

采用联产氢气和甲烷复合工艺,对造纸污泥和餐厨垃圾进行中温-高温混合厌氧消化,通过设计两种物料的不同配比(质量比,以VS计),研究了不同比例混合的物料联产氢气和甲烷的性能.试验结果表明,造纸污泥和餐厨垃圾混合比例为2:2的反应器总气体产率最高,达496.78mL·g-1(其中,氢气64.48mL·g-1,甲烷432.3mL·g-1,均以VSfed计,下同),其VS去除率也最高,达41.33%,在反应30h后和产甲烷18d后分别完成了80%的氢气产量和甲烷产量,而单纯造纸污泥总气体产率为144.99mL·g-1,单纯餐厨垃圾总气体产率为80.4mL·g-1.综合氢气和甲烷产率、产气速率、VS去除率等指标发现,造纸污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的最佳配比为2:2.     

生活垃圾厌氧堆肥产甲烷及古细菌多样性分析

通过厌氧堆肥试验,对厌氧堆肥产甲烷的基本特征进行了研究,结果表明:在厌氧堆肥开始阶段,气体中只有8%的甲烷,二氧化碳产率是甲烷产率的4倍左右;而随着反应的进行,二氧化碳产率呈下降趋势,甲烷产率逐渐升高,并于3个月时达到最高值45%;此后二氧化碳及甲烷产率都逐渐降低。对3个月时的垃圾堆肥渗出液取样,提取总DNA,对古细菌片段进行限制性片段长度多样性分析(RFLP),在60个随机选出的古细菌rDNA克隆子中,可以划分15个不同的谱型。对深入了解产甲烷厌氧微生物过程,加快垃圾稳定化具有重要意义。     

接种比例对酒糟与餐厨垃圾混合厌氧发酵产沼气的影响

采用酒糟与餐厨垃圾作为混合发酵物料,并接种消化污泥进行厌氧干式发酵,比较接种比例(inoculum to substrate ratios,ISRs)(VS质量比)分别为0.5、0.8、1.0、2.0时的甲烷产率和产量、体系VFA、碱度、游离氨等指标。结果表明:接种比例的提高可有效提高甲烷产生速率,缩短发酵周期,减弱较高浓度VFA引起的抑制作用。当ISRs=1.0时产甲烷效果较好,累计产甲烷率为222.58mL/g,VS去除率达83.4%,继续增加接种比例对发酵效果影响不显著。此外,试验中适宜的VFA/碱度值为0.3～1.2,过大或过小都有可能抑制产甲烷过程。     

污泥和餐厨垃圾联合干法中温厌氧消化性能研究

采用完全混合式反应器R1～R5(进料脱水污泥与餐厨垃圾的湿重混合比分别为1:0、4:1、3:2、2:3和0:1),在半连续运行的状态下,考察了停留时间(solid retention time,SRT)为20 d时脱水污泥和餐厨垃圾混合干法厌氧消化的产气性能、有机质降解性能和系统稳定性.结果表明,随着进料中餐厨垃圾所占比例的增大,系统的产气率和甲烷产率呈上升趋势,产气中甲烷含量呈下降趋势,污泥中添加餐厨垃圾有助于在利用原有消化罐容积的前提下显著提高有机负荷和体积产气率.餐厨垃圾比例越大,混合物料的水解速率常数越大,有机质降解率越高,R1～R4中有机质水解速率常数分别为0.25、0.61、1.09和1.56 d-1,有机质降解率分别为37.4%、50.6%、60.7%和68.2%,水解速率差异是导致VS降解率不同的主要原因.随着餐厨垃圾比例的增大,系统内pH、总碱度(total alkalinity,TA)、总氨氮(total ammonia nitrogen,TAN)和游离氨氮(free ammonianitrogen,FAN)呈下降趋势,当污泥中添加的餐厨垃圾提高60%时,系统内pH、总碱度、总氨氮和游离氨氮分别下降6%、16%、22%和75%.游离氨和Na+分别是影响污泥和餐厨垃圾单独干法消化稳定性的重要因素,污泥和餐厨垃圾混合消化可降低潜在抑制性物质的浓度,显著提高系统稳定性.     

餐厨垃圾与污泥、秸秆不同配比联合厌氧发酵对产气性能的影响

为分析不同配比的餐厨垃圾与污泥、秸秆联合发酵对产气性能的影响,采用产甲烷潜力试验（BMP）研究了餐厨垃圾与污泥、秸秆不同配比联合发酵的产气性能,并采用修正的Gompertz模型对产甲烷潜力进行模拟.结果表明:物料配比与物料种类对联合发酵的产气性能有显著影响,餐厨垃圾+污泥配比为1:2时,产气性能优于1:1、2:1两组,产气量为286 mL/g[以VS（挥发性固体）计,下同];餐厨垃圾+秸秆配比为1:1时,产气性能优于1:2、2:1两组,产气量为347 mL/g;餐厨垃圾+污泥+秸秆配比为1:1:1时,产气性能优于1:2:1、2:1:1两组,产气量为373 mL/g.两种物料配比中,餐厨垃圾+秸秆的产气性能优于餐厨垃圾+污泥;餐厨垃圾+污泥+秸秆3种物料混合后物料种类变丰富,元素配比更均衡,联合发酵的产气性能优于两种物料联合发酵,其最优配比为1:1:1,C/N值为13,接近最优C/N值（15~20）.研究显示,不同配比物料产气性能差异性较大,可为大中型沼气工程在获得不同物料的情况下选择最优的进料配比提供理论指导,以解决其在设计与投资收益评估方面所面临的物料选择问题.      

高温条件下初始pH值对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH4的影响

污泥-餐厨垃圾厌氧消化产氢产CH₄可将城市有机废弃物转化为可再生能源H₂、CH₄,对实现碳减排发挥着重要作用。通过批式试验探究高温条件下(55±1℃),不同初始pH值对污泥和餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH₄的影响。研究结果表明:适度地增加产氢余物的碱度会提高产CH₄效能,而过低的初始pH则抑制了产氢余物产CH₄效能。初始pH=8时,CH₄最高浓度(79.08%)、累积产甲烷量(101 mL/g DS)和最大CH₄生产速率(12.21 mL/d)均达到最大。不同初始pH下,总糖和总蛋白质的降解量跟累积产甲烷量呈正相关,其中总蛋白的降解量及降解率均高于总糖。初始pH=8时,总糖和总蛋白质的降解量及降解率最高,分别为6078 mg/L、55.70%和4710 mg/L、69.67%。不同初始pH值下,产氢余物厌氧消化后的pH都趋于7.5左右。     

不同来源底物对厌氧发酵产氢余物产甲烷影响

通过批式试验将不同来源的污泥与餐厨垃圾进行联合厌氧发酵,研究不同产氢程度的污泥-餐厨垃圾在不同污泥接种量下的产甲烷能力,以寻求产氢余物产沼的最佳条件及有机质转化规律。结果表明:污泥-餐厨垃圾产氢余物的产氢程度与体系产甲烷能力呈正相关,即产氢多余物>产氢少余物>不产氢底物;接种量增大后,体系产甲烷效能降低且各体系间的差异逐渐缩小。30%接种量下的产氢多余物体系产甲烷能力最佳,平均产甲烷速率为0.54 mL/（g·d）,在第27天甲烷占比达到峰值87.04%,有最大累积产甲烷量1659 mL;主要原因是该体系挥发酸降解量大（17565 mg COD/L）,占TCOD降解量（35384 mg/L）的50%。     

驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响

为研究驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响,在单相完全搅拌式(CSTR)反应器内,以农村户用沼气池污泥为接种污泥,进行了餐厨垃圾中温厌氧消化.反应器在3 g·L-1·d-1(以VS计)的负荷下成功启动,并连续45 d维持性能稳定,表明驯化成功.期间采用454焦磷酸测序技术分析了驯化前后系统内的微生物群落结构.结果表明,微生物群落结构与底物密切相关,驯化后细菌及古菌群落都发生明显变化.从细菌群落看,与复杂有机物降解相关的菌类显著下降(如梭菌纲(Clostridia)和(vadin HA17),而易降解碳水化合物发酵菌(如Petrimonas)和脂肪降解菌(如Erysipelotrichia)显著增加.这与餐厨垃圾易降解有机物含量高,且富含淀粉和脂肪相关.丰富的易降解有机物还使得反应器内总挥发性脂肪酸(VFA)浓度((2203±174)mg·L-1)远高于种泥水平((222.0±0.3)mg·L-1),这导致了产甲烷菌由乙酸型的甲烷鬃菌属(Methanosaeta,占85.01%)绝对主导转向氢营养型的甲烷螺菌属(Methanospirillum,占35.35%)、甲烷囊菌属(Methanoculleus,占9.89%)与之(46.97%)共同主导的局面.然而,驯化后Methanosaeta在非最优条件下依然保持主导地位,可见接种污泥的群落组成对厌氧消化系统群落结构的塑造也具有重大影响.     

餐厨垃圾厌氧发酵影响因素研究

用L9(34)正交试验法研究了温度、含固率、接种率和pH对餐厨垃圾厌氧发酵产沼气量的影响,确定了考察因子的主次以及最优工艺条件,并针对影响较为显著的因素(温度、接种率和pH)进行了单因素验证试验。实验结果表明:在温度为55℃、pH值为7、接种率为30％、含固率为8％时,厌氧发酵产沼气的产率最大为633.8 mL/gVS...     

High-solids anaerobic mono-digestion of riverbank grass under thermophilic conditions

The purpose of this study was to investigate the potential of high-solids anaerobic mono-digestion of riverbank grass under thermophilic conditions, focusing on the effects of the strength and the amount of inoculum. Ensiled grass was inoculated with three different inocula; inoculum from liquid anaerobic digester (LI), inoculum from dry anaerobic digester (DI), and mixture of LI and DI (MI), at feedstock-to-inoculum ratio (FIR) of 1, 2 and 4. The ensiling process of riverbank grass reduced moisture content (p > 0.05), while the hemicellulose content was significantly increased from 30.88% to 35.15% (p < 0.05), on dry matter basis. The highest methane production was at an FIR of 2 with MI (167 L/kg VS_added), which was significantly higher (p < 0.05) than with DI, but not significant compared to LI (p > 0.05). At an FIR of 4, digesters inoculated with LI and DI failed to produce methane, whereas 135 L_CH4/kg VS_added was obtained with MI. The kinetic studies showed that at an FIR of 1 with LI and MI, the inoculum had less of effects on the hydrolysis rate constant (0.269 day^− 1 and 0.245 day^− 1) and methane production (135 versus 149 L/kg VS_added); rather, it affected the lag phase. In a thermophilic HS-AD of riverbank grass, the mixture of inoculum with low and high total solids content (TS) helps increase the TS of inoculum and digestion process. An FIR of 2 was deducted to be the limit for a better startup time and higher volumetric productivity of methane.     

生活垃圾填埋气体产量的现场测试及IPCC推荐模型的校验

为了获得深圳市玉龙坑垃圾填埋场封场后填埋气体的实际产量,采用改进的现场抽气方法分别测定了填埋场内4口抽气井抽气影响区域内填埋气体的产量,计算获得其产甲烷速率分别为14.67×10-5、9.46×10-5、9.55×10-5和4.28×10-5m3/(t.h).据此计算出2005年玉龙坑垃圾填埋场的甲烷产率为322 m3/h,表明该填埋场填埋气体在经济性上已经失去了回收利用价值.采用此实测数据对IPCC推荐模型进行校验,发现垃圾降解的半衰期是影响IPCC推荐模型预测准确性的关键参数.我国城市生活垃圾中可降解有机物以厨余垃圾为主,分解周期较短,垃圾降解的半衰期短于IPCC模型的推荐取值范围.为了准确预测填埋气体的产量,需要在充分调查我国生活垃圾特性的基础上,确定模型参数的合理取值,提高IPCC推荐模型在我国的适用性.