初始pH和温度对餐厨垃圾厌氧发酵制氢的影响

以餐厨垃圾为发酵底物,研究不同初始p H和发酵温度对餐厨垃圾厌氧发酵制氢潜力、中间代谢产物和发酵途径的影响。结果表明,初始p H和发酵温度对餐厨垃圾厌氧发酵产氢性能及代谢途径具有显著影响,高温发酵的产氢效率优于中温发酵。55℃高温、初始p H为6时厌氧发酵产氢性能最佳,累积产气量、最大氢气含量最大,分别达到620 m L和52.45%,挥发性脂肪酸中丁酸浓度最高为6 182.96 mg·L~(-1),发酵类型以丁酸型发酵途径为主。通过初始p H和发酵温度的优化控制可以有效提高产氢微生物的底物利用效率和产氢潜能,改变厌氧发酵途径,保证厌氧发酵制氢系统高效稳定运行。     

典型农业废弃物干式厌氧发酵产氢影响因素的研究

以5种典型农业废弃物(猪粪、鸡粪、秸秆、餐饮垃圾和厨余垃圾)为研究对象,采用干式厌氧发酵产氢技术,研究不同初始pH、温度对产氢潜力和代谢途径的影响。结果表明,当中温、初始pH为7.0时,餐饮垃圾产氢效果最佳,最大累积产氢量为261.96mL,最大产氢速率为15.18mL/h,氢气体积分数最大值为64.61%;当中温、初始pH为6.0时,秸秆产氢效果最好,最大累积产氢量为254.41mL,最大产氢速率为24.50mL/h,氢气体积分数最大值为65.54%。5种农业废弃物干式厌氧发酵产氢的代谢途径均以丁酸型发酵为主。     

温度和物料配比对餐厨垃圾与果蔬垃圾协同厌氧产氢的影响研究

采用餐厨垃圾和果蔬垃圾协同厌氧产氢工艺,通过pH、氨氮、还原糖、溶解性COD(SCOD)等指标变化规律、产氢动力学和相关性分析,研究不同温度和物料配比(餐厨垃圾与果蔬垃圾的湿质量比)对协同厌氧产氢潜力的影响。结果表明,温度和物料配比对餐厨垃圾和果蔬垃圾协同厌氧产氢均有显著影响。高温组(55℃)物料配比为1∶4时累积产气量和氢气体积分数最大,分别为510mL和52.57%;中温(35℃)组物料配比为1∶2时累积产气量最大为200mL,物料配比为1∶1时氢气体积分数最大为5.45%。相关性分析表明,pH与累积产气量呈显著负相关,氨氮与累积产气量呈显著正相关。高温协同厌氧产氢可有效提高微生物活性和产氢潜力,促进餐厨垃圾和果蔬垃圾的有效利用,实现有机废弃物的绿色能源化。     

酸化餐厨垃圾厌氧消化产氢研究

分析了餐厨垃圾酸化过程中的pH、挥发性脂肪酸(VFA)产量及含水量等参数的变化,考察了酸化餐厨垃圾厌氧消化过程中的产氢情况,并探讨了调节初始pH对酸化餐厨垃圾产氢的影响.结果表明,餐厨垃圾的酸化是一个前期极为快速的过程,经过1d的酸化,新鲜餐厨垃圾的pH就从6.0左右下降到4.5左右,而后pH缓慢下降,经过5～6 d的酸化,pH下降到4.0以下;餐厨垃圾酸化过程中,产生的VFA主要是异戊酸,其浓度变化与VFA的浓度变化趋势较为一致;酸化时间为1、3、4、5、6d的餐厨垃圾体系产生的氢气的最高体积分数呈递减趋势,产氢量也呈现出相同的变化趋势;初始pH对酸化餐厨垃圾体系的产氢影响是很大的,调节到相同初始pH的不同体系,产氢的结果可以相近.因此,pH是酸化餐厨垃圾厌氧消化产氢过程中必须控制的关键因素之一.     

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pH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pH 8.5餐厨垃圾组的甲烷产量最高为178.3 mL/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 mL/g TS。餐厨垃圾两相厌氧消化产酸相的初始pH会影响产氢和产甲烷的效率,氢气和甲烷的产量随初始pH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/(mL·min)和0.298 mg/(mL·min);蛋白酶活性在产酸相达到最高,为1.70 μg/(mL·min);脱氢酶活性在初始pH为9.0的实验组达到最高,为145 μg/(mL·h),分别是空白和单相实验组的113.3%和120.8%。     

餐厨垃圾厌氧干发酵产氢特性及其调控

采用干发酵技术以餐厨垃圾为底物进行产氢实验,比较不同TS(20%、22%、24%和30%)条件下的产氢情况,修正的Gompertz模型能够较好地拟合餐厨垃圾干发酵过程中的产氢情况(R20.97),获得最佳的TS为22%。反应1.5 d后,累积产氢量出现下降,发现反应体系内存在耗氢现象,微生物群落结构显示TS 22%组优势菌属为Lactobacillus。随后,在TS含量为22%的条件下,添加氯仿对耗氢进行抑制。结果表明:添加0.05%的氯仿能够显著提高产氢量,最大累积产氢量为29.66 mL·g~(-1)(TS),是对照组的1.29倍;氯仿添加量为0.05%时,碳水化合物的降解率最高,达到43.07%;氯仿不仅会对耗氢产生抑制,同时也会抑制产氢,适宜浓度的氯仿能够提高餐厨垃圾干发酵产氢,最佳添加量为0.05%;餐厨垃圾干发酵产氢过程为丁酸型发酵,主要的液相末端发酵产物为乙酸和丁酸。     

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 CH4·（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%。     

纳米零价铁和零价铁对餐厨垃圾暗发酵制氢过程铁离子和酶活性的影响

通过投加不同浓度的纳米零价铁(NZVI)和零价铁(ZVI),考察了暗发酵制氢过程中铁离子组成和浓度变化、氢化酶和脱氢酶活性,研究了2种添加剂强化餐厨垃圾高温((55±1)℃)暗发酵制氢的作用机制。结果表明:投加NZVI和ZVI均可提高餐厨垃圾暗发酵制氢性能;当投加100 mg·L~(-1) ZVI时,产氢效果最佳,最大产氢潜力和最大产氢速率分别为425.72 mL和66.32 mL·h~(-1),是投加NZVI实验组的1.64倍和1.34倍,代谢途径是以乙醇型发酵为主的混合型发酵;在投加NZVI和ZVI后,暗发酵制氢末端产物的Fe~(2+)和Fe~(3+)浓度升高,投加300 mg·L~(-1)NZVI和100 mg·L~(-1) ZVI实验组Fe2+浓度最大,是未投加实验组的2倍和1.87倍;与反应前相比,Fe~(2+)显著升高,Fe~(3+)由于微生物利用与转化浓度降低,同时可有效提高氢化酶活性。投加100 mg·L~(-1) ZVI不仅可提高氢化酶活性,还可提高脱氢酶活性。以上结果可为提高餐厨垃圾等复杂有机废物的高效能源化提供参考。     

湿热预处理对北京市典型餐厨垃圾生物制氢潜力的影响

采用北京市2种典型餐厨垃圾,研究不同湿热预处理温度（40、80、120和160℃）和时间（30、60、90和120 min）对2种典型餐厨垃圾理化性能的影响。在此基础上,阐明餐厨垃圾厌氧产氢潜力。结果表明,湿热预处理温度、时间对餐厨垃圾可浮油脱出量具有显著影响,ρ（SCOD）、ρ（TOC）与VS/TS呈负相关。餐厨垃圾处理厂的厨余垃圾经120℃湿热预处理30 min后,可浮油脱出量最大达17 mL·kg-1,ρ（SCOD）、ρ（TOC）分别为150.99、57.91 g·L-1;食堂的餐饮垃圾经160℃湿热预处理30 min后效果最佳,可浮油脱出量最高达99 mL·kg-1,ρ（SCOD）、ρ（TOC）分别为120.69、62.58 g·L-1。餐饮垃圾经160℃湿热预处理30 min,在中温（35±1℃）、高温（55±1℃）厌氧制氢,高温比产氢率和最大产氢速率分别可达40.58 mL·g-1 VS、29.20 mL·h-1,与未经预处理组比提高0.78、2.02倍,中温产氢启动时间缩短1倍以上。可见,湿热预处理能显著改善餐厨垃圾理化性质,提高微生物的底物利用效率,提高餐厨垃圾厌氧制氢量及产氢效率。     

丁酸胁迫对产氢污泥以厨余为底物的产氢影响

采用丁酸对产氢污泥进行胁迫处理,经胁迫后的污泥接种厨余垃圾进行产氢实验,考察丁酸胁迫对提高产氢性能的影响。结果表明,低浓度胁迫能提高产氢污泥的耐丁酸性,从而提高产氢量,而胁迫浓度过高则抑制产氢污泥活性,胁迫浓度呈"horm esis"效应。实验采用的4 g/L胁迫浓度为最佳,反应结束后,丁酸浓度和产氢量分别为8 417.1 mg/L和63.72 mL/g VS,比空白提高了31.3%和114%。产氢过程中SCOD的主要来源是有机酸。对产氢污泥胞外多聚物(EPS)的测定表明,厨余垃圾酸化速率、氢气产生速率和EPS总量成正相关。     

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。     

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%。     

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。     

餐厨垃圾厌氧产氢综述

针对餐厨垃圾厌氧产氢过程,从工艺、单组分底物厌氧产氢和过程机理研究阐述了国内外进展,并对未来研究发展方向进行了展望.研究成果表明,餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程可行,但影响因素多,系统不稳定,大部分研究停留在实验室小试阶段.尚需针对餐厨垃圾厌氧发酵产氢优势菌种选育、生态因子调控、代谢机理、反应器改进和系统控制模拟等方面开展研究,为该技术的大规模应用提供研究基础.     

不同来源污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵产氢效果研究

在相同接种配比(接种污泥占餐厨垃圾的质量分数为30%)条件下,研究了4种不同来源污泥(压滤污泥、厌氧污泥、曝气污泥和河底淤泥)添加或不添加缓冲剂时对餐厨垃圾厌氧发酵产氢效果的影响.结果发现,在不添加缓冲剂时.4种污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵平均产氢量依次为厌氧污泥>河底淤泥>压滤污泥>曝气污泥,接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量最高,达10.11mL(以每克挥发性固体(VS)计,下同);而添加缓冲剂时.4种污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵平均产氢量依次为厌氧污泥>曝气污泥>压滤污泥>河底淤泥,接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量也最高,为33.72 mL,且体系pH得以缓冲.     

蔬菜与餐厨垃圾厌氧发酵启动阶段微生物分析简

为了研究厌氧发酵启动阶段微生物菌群结构、数量变化情况与沼气产量的关系,分别对蔬菜废弃物和餐厨垃圾单一物料发酵进行分析,并测定pH值、挥发性脂肪酸（VFA）、氧化还原电位。结果表明,餐厨垃圾比蔬菜废弃物的启动时间长,但产气持久。蔬菜废弃物中细菌达峰值的时间早于餐厨垃圾,说明蔬菜废弃物中的有机质更利于微生物降解利用。两种原料中的微生物群落结构变化一致,启动阶段初期好氧和兼性厌氧细菌属优势菌,其中产酸菌增殖速率高于氨化细菌,是启动阶段降解有机质的主要菌群。随后厌氧细菌快速增殖,日增殖速率由不足20%增长到近100%并保持稳定。厌氧纤维素降解菌在启动阶段增殖较慢,原料中纤维素降解在厌氧发酵后期。原料液VFA中丁酸含量最多,最高浓度4.7 mg/mL以上,占有机酸总量总量的46%以上,厌氧发酵类型为丁酸发酵型。     

蔬菜与餐厨垃圾厌氧发酵启动阶段微生物分析

为了研究厌氧发酵启动阶段微生物菌群结构、数量变化情况与沼气产量的关系,分别对蔬菜废弃物和餐厨垃圾单一物料发酵进行分析,并测定pH值、挥发性脂肪酸（VFA）、氧化还原电位。结果表明,餐厨垃圾比蔬菜废弃物的启动时间长,但产气持久。蔬菜废弃物中细菌达峰值的时间早于餐厨垃圾,说明蔬菜废弃物中的有机质更利于微生物降解利用。两种原料中的微生物群落结构变化一致,启动阶段初期好氧和兼性厌氧细菌属优势菌,其中产酸菌增殖速率高于氨化细菌,是启动阶段降解有机质的主要菌群。随后厌氧细菌快速增殖,13增殖速率由不足20％增长到近100％并保持稳定。厌氧纤维素降解菌在启动阶段增殖较慢,原料中纤维素降解在厌氧发酵后期。原料液VFA中丁酸含量最多,最高浓度4．7mg／mL以上,占有机酸总量总量的46％以上,厌氧发酵类型为丁酸发酵型。     

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程底物指标变化

将污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物进一步产甲烷,产甲烷量比污泥与餐厨垃圾单独或直接联合厌氧发酵产甲烷大。研究污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程中产甲烷量与底物指标变化的关系,实验结果表明,整个消化过程中,累积产甲烷量为613 L,最大产气速率和产甲烷速率分别为2.12 L/(kg·d)和1.46 L/(kg·d),最大甲烷含量为72.5 %,消化系统的pH在总挥发性脂肪酸(TVFA)以及氨氮、CO32-和HCO3-等碱度的共同作用下基本维持在适宜产甲烷的范围内,在不同的消化阶段,厌氧发酵产甲烷过程起主要作用的物质不同,先后顺序依次为糖类、蛋白质和TVFA,并且累积产甲烷量与COD、总糖、总蛋白质的显著相关性大小依次为:COD > 总糖 > 总蛋白质,COD去除率高达79.54 %。     

添加剂对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响

以表面活性剂与偏硅酸钠的混合物作为添加剂,考察了添加剂的投加量对餐厨垃圾厌氧产氢效果的影响.实验结果表明,添加剂能抑制产甲烷菌的生长,且接种污泥无需预处理即可提高产氢量.另外,随着添加剂投加量的增大.体系中氢气的浓度增大,在5 g(干重)餐厨垃圾投加添加剂为1.75 g时,产氢量为114.5 mL(以每克挥发性固体(VS)计).但从经济和实用两方面考虑,选择最佳添加剂量为1.00 g.     

底物初始浓度对光合细菌产氢动力学特性的影响

实验研究了底物初始浓度对光合细菌产氢动力学特性的影响,并对光合细菌产氢得率和初始底物转化为氢气得率进行比较,分析底物初始浓度对光合细菌产氢代谢的影响,实验发现底物初始浓度为120 mmol/L时最适合光合细菌的产氢代谢,底物初始浓度达到140 mmol/L时,光合细菌主要进行生物量合成和产酸代谢,得到各浓度梯度下的最大生物量,但对产氢代谢产生抑制作用,表明最大生物量与最大的产氢能力之间不成正比关系及光合细菌产生CO2机制与产氢机制不同;光合细菌最大比产氢活性表现在对数生长期,最大生物量出现在稳定期。实验证明,光合细菌对数生长期受底物浓度影响大,底物浓度低,最大生物量所对应的时间相对较早,底物浓度增大,最大生物量所对应的时间相对延后。