预发酵方式对餐厨垃圾酸化抑菌及甲烷发酵的影响

餐厨垃圾水分和有机物含量高,在收集储运过程中易酸腐变臭,影响其资源化利用。该文在新鲜餐厨垃圾中分别接种酵母菌和乙酸菌进行乙醇和乙酸预发酵,预发酵后的餐厨垃圾与酒糟混合进行甲烷发酵,并与不接任何菌种的对照组比较,考察2种预发酵方式对餐厨垃圾酸化抑菌及其与酒糟混合甲烷发酵的影响。研究结果表明,乙酸和乙醇预发酵对餐厨垃圾均具有良好的酸化抑菌效果,其大肠杆菌和金黄葡萄球菌数均比对照组降低了2个数量级以上;累积甲烷产量由高到低的顺序是:乙醇预发酵对照乙酸预发酵组,前者累积产甲烷量比对照组和乙酸预发酵组分别提高21.3%和49.8%;乙醇预发酵组乙醇浓度最高,而乙酸和丙酸浓度均最低;相反,乙酸预发酵组挥发性脂肪酸浓度积累导致产甲烷菌活性较低,其产气效率最低。因此,乙醇预发酵是一种既能实现餐厨垃圾酸化抑菌,又能维持发酵系统的稳定性,提高其后续产甲烷效率的有效预发酵方式。     

餐厨垃圾与污泥高固体联合厌氧产沼气的特性

该文在12%高固体质量分数和中温（35±1）℃条件下,开展了餐厨垃圾与污泥不同比例联合厌氧发酵对产气性能及发酵过程限速步骤影响的研究。结果表明,当餐厨垃圾与污泥二者比例为30∶30时,累积沼气产率、累积甲烷产率、生物转化产甲烷效率和VS（挥发性固体）去除率分别为612、327 mL/g、76.9%和63.6%,皆高于其他原料比例。混合底物中餐厨垃圾为主时,发酵前5 d为产气高峰阶段,甲烷含量在整个发酵期间低于60%,挥发性脂肪酸（VFAs）抑制显著;而混合底物中污泥所占比例较高时,产气的高峰期多出现在第10～25 d,甲烷含量于发酵前5 d迅速上升至50%后,缓慢提高并最终稳定在70%左右。混合底物中污泥所占比例的增加可提升沼气中甲烷含量,亦可明显缓解VFAs抑制作用。累积沼气产率随污泥比例的提高呈先上升后下降的变化。     

挥发性有机酸对产沼气效果的模拟试验

两相厌氧生物处理工艺在废弃物资源化利用中得到广泛应用。为了摸清产酸相的主要产物在产气过程中的效应,该文利用甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等4种有机酸模拟产酸过程中的主要酸化产物,以活性污泥为接种物,设计单因素试验和正交试验,研究了在中温条件下,4种有机酸单一作用条件下和混合作用条件下,甲烷日产气量和累积产气量的变化。结果表明：单一有机酸作底物时,存在一个浓度阈值,高于此值会抑制甲烷产生,低于此值,产气效果随着酸浓度增大而提高;有机酸共同存在时,可以产生协同优势,其中乙酸的产气优势高于丁酸,丙酸具有抑制作用;4种单一酸中,单位浓度下乙酸产气效果最好,甲酸产气量最大,甲酸积累不易对发酵过程产生抑制作用,而丙酸累积最易造成抑制。因此,建议在沼气工程中适当调整产甲酸、乙酸和丁酸较多的发酵物料浓度,从而提高产气效率。     

基于微好氧同步预升温的序批式厌氧干发酵特性

序批式厌氧干发酵是规模化处理农业农村废弃物生产清洁能源的重要技术,存在物料分解速率低、运行能耗高、传质传热不均匀等突出问题,制约甲烷产率的提高。该研究通过调节发酵初期反应器溶氧浓度,建立微好氧同步预升温高效序批式厌氧干发酵体系,进一步研究微好氧状态下物料自升温、分解、中间产物性质,以及关键微生物群落对促进物料升温及甲烷生产的作用机制。结果表明:微好氧环境使物料升温速率提高27.12%,产甲烷过程不依靠外源加热温度仍可保持在42.48℃以上。发酵初始阶段的少量曝气使厌氧发酵过程中间产物转化效率显著提升(P0.05),特别是丙酸积累含量下降了82.63%,累积沼气和甲烷产量分别提高了56.76%和41.79%。细菌Bacteroidales、Clostridiales和古菌Methanosarcina、Methanobacterium有利于促进微好氧同步预升温和甲烷生产效率提升,并与降解率和有机酸浓度具有显著的相关性。该研究可为探索序批式厌氧干发酵实际工程高效调控工艺提供理论基础。     

中温和高温环境下乙酸和丙酸厌氧发酵产甲烷动力学特征

采用不同浓度的乙酸和丙酸在中高温下进行厌氧发酵批次试验,采用修正的Gompertz模型和产甲烷的一级动力学模型分析,研究酸浓度和温度对发酵产气动力学的影响。研究表明,当乙酸和丙酸浓度较低时降解较快,高浓度酸抑制产气。乙酸在中温条件下降解较快,质量浓度为5 000 mg/L时中温反应有最大产甲烷速率101 mL/d;质量浓度为10 000 mg/L时高温条件下有最大产甲烷速率77 mL/d,随酸浓度增加,最大产甲烷速率减小,高温反应器对酸的耐受度较高。丙酸在高温条件下更易降解,浓度为4 000 mg/L时,中高温反应均有最大产气速率：78 mL/d（中温）和96 mL/d（高温）。另外,高浓度乙酸和丙酸厌氧降解产气具有滞后性,且随酸浓度的增加滞后期延长,降解过程受到抑制,一级动力学常数减小。温度对厌氧降解的影响大于酸浓度对厌氧降解的影响。     

基于产甲烷潜力和基质降解动力学的沼气发酵物料评估

为使大型沼气工程发酵物料的评估规范化、科学化、高效化,该文根据物料产甲烷潜力试验得到的物料产气和降解动态情况,利用First-order、Modified First-order和Gompertz模型分析和拟合了物料的产甲烷潜力(biochemical methane potential,BMP),降解动力学参数,提出了物料评估初步指标方法。Gompertz模型对筛选物料的产甲烷潜力曲线的拟合显示出较高的准确性,拟合的甲烷潜力值与试验值较为接近。BMP1%(单日产气量达累积产气量的1%时的累积产气量)作为物料产甲烷潜力的定量判断指标时,累积产甲烷量达到试验结束时累积产甲烷量的90%以上,并且BMP试验时间缩短了27.94%~70.58%。筛选的物料中,小麦秸秆,玉米茎、叶,干、鲜苜蓿,鸡粪水解液,大、小死鸡以及餐厨垃圾的产甲烷潜力(以BMP1%计)分别为220.49、241.01、262.10、310.84、305.80、508.41、520.90、630.7、618.05 m L/g。动力学参数显示,9种物料中:纤维素类物料(除玉米茎和小麦秸秆)、鸡粪和脱油餐厨属于易降解物料,大、小死鸡属于降解缓慢的物料。标准化物料产甲烷潜力和物料间产甲烷动力学参数对比,提高了沼气工程筛选物料的评估的效率。     

外源添加剂对黄贮小麦秸秆产甲烷潜力及微生物群落的影响

为探讨添加不同外源添加剂对黄贮小麦秸秆产甲烷潜力和微生物群落结构的影响,该研究以小麦秸秆为黄贮原料,添加乙酸(3‰ACE组)和异型发酵乳酸菌复合系(3‰MI1组,6‰MI2组),调整含水率至50%,黄贮65 d后,以黄贮小麦秸秆为厌氧发酵原料,探究发酵过程中的指标性质和微生物群落结构。研究发现黄贮预处理后,发酵系统中的初始挥发性有机酸中的乳酸和乙酸增加、甲烷含量增加、可溶性化学需氧量(sCOD)增加。添加了外源添加剂的ACE组、MI1组、MI2组的累积甲烷产量较干黄小麦秸秆(WS组)提高了4.7%～10.6%,而未添加添加剂的CK组的累积甲烷产量较WS组降低了9%。发酵系统中的主要优势细菌为Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria,优势古菌为甲烷鬃菌属Methanosaeta,黄贮预处理改变了发酵系统微生物的群落结构,促进了小麦秸秆的甲烷转化,为木质纤维素的沼气转化提供参考。     

互花米草与土豆混合厌氧发酵产酸和产沼气特性（英）

研究了中温（35℃）批量发酵条件下互花米草与土豆VS配比分别为6∶1、7∶1和9∶1时混合厌氧发酵的产酸发酵和产沼气特性。试验结果表明：1）与互花米草单独发酵时的丙酸型产酸发酵不同,混合发酵的产酸发酵表现为丁酸型发酵;混合发酵时发酵液中总挥发性有机酸（TVFAs）的浓度比互花米草单独发酵时提高了1倍多;混合发酵时发酵液中各单一有机酸浓度依次为乙酸>丙酸>丁酸,而互花米草单独发酵时为丙酸>乙酸>丁酸;2）6∶1、7∶1和9∶1三种配比下的沼气产量分别为460、431和415 mL/g VS,比互花米草单独发酵时的361 mL/gVS分别提高了27.4%、19.3%和15.0%;3）6∶1、7∶1和9∶1三种配比下的沼气中的甲烷含量分别为60.3%、62.4%和62.7%,比互花米草单独发酵条件下57.4%的平均甲烷含量提高了大约3%～5%。总之,混合发酵显著改变了互花米草的产酸发酵特性,这些改变对促进互花米草的厌氧发酵和提高所产沼气的质量均具有积极的意义。     

粪便、餐厨及芦苇混合厌氧消化过程中餐厨含量的影响研究

采用完全混合湿式厌氧发酵方法,对餐厨、粪便及芦苇3种物料混合厌氧消化过程中餐厨含量的影响进行了研究。结果表明,餐厨加入量对这3种物料混合厌氧发酵影响显著。适当增加餐厨比例,有利于产气率的提高,但随着餐厨比例的增加,混合厌氧消化过程中乙酸、丙酸和丁酸含量增加明显,较容易出现＂酸化＂现象而影响产气效果。粪便、芦苇与餐厨湿重比为7∶2.5∶3时,产气效果最佳,最高容积产气率为1118mL·L^-1·d^-1,平均甲烷含量为64.6%,COD去除率达到68.56%。随着餐厨比例的增加,NH3-N含量逐渐增加,但未对厌氧消化产生抑制作用。     

餐厨垃圾半连续乙醇型酸化两相厌氧消化产甲烷性能研究

为了解乙醇型两相厌氧消化系统性能,该研究构建了以接种酵母菌产乙醇同时产酸为特征的餐厨垃圾两相厌氧消化系统(乙醇型两相),并开展系统的进料有机负荷率由2.0 g/(L·d)逐渐提高至6.0 g/(L·d)的半连续厌氧发酵产甲烷试验。结果表明:乙醇型两相在5.0 g/(L·d)时甲烷产率为421.52 mL/g,比传统两相厌氧消化系统的394.48 mL/g,提高了6.8%。乙醇型的醇化/酸化相的水解产物中乙醇占33.4%,这有利于水解物料进入甲烷相后保持该相pH值及厌氧消化的稳定运行。与传统两相相比,乙醇型两相系统的醇化/酸化相水力停留时间减少了60%,系统的有效容积减少了10.6%,容积产甲烷率提高了18.3%。说明乙醇型两相比传统型两相系统在产甲烷性能方面具有明显的优势,且有提高系统稳定性的潜力。     

废弃食用油脂两相厌氧发酵酸化条件优化

油脂的水解和长链脂肪酸的降解是油脂厌氧发酵过程中的限速步骤,提高水解酸化阶段挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)的产率,有助于后续甲烷化反应的进行。利用响应面方法(response surface methodology,RSM)对废弃食用油脂两相厌氧发酵水解产挥发酸条件进行优化,考察了初始p H值、原料负荷、反应时间和接种量对产生挥发酸浓度的影响,提出采用该工艺的数学模型及优化后的工艺参数。结果表明,各影响因子对挥发酸的影响顺序为:接种量反应时间原料负荷初始p H值,方程的F值为15.65,相关系数为0.9359,调整相关系数为0.8761,说明数学模型可以较好地模拟真实的反应曲面。优化得到最佳的工艺参数为初始p H值6.2、负荷300 g/L、反应时间8 d、接种量40%,在该条件下,实际产挥发酸7 221.0 mg/L,与预测值7 224.0 mg/L吻合且重现性较好。厌氧产甲烷试验表明,酸化后废弃油脂较未酸化油脂在甲烷产量、甲烷含量、总化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率及挥发性固体(volatile solid,VS)去除率方面分别提高了44%、11%、28%和51%,经酸化处理比未酸化油脂的厌氧发酵时间(完成一个厌氧发酵周期内总产气量的80%的时间)缩短了28%。该研究结果为废弃食用油脂的两相厌氧发酵中试提供了参考。     

鸟粪石沉淀法脱除氨氮对鸡粪厌氧发酵过程的影响

为缓解鸡粪厌氧发酵过程中产生的氨氮抑制,采用投加镁磷盐的方式,在厌氧发酵过程中原位脱除氨氮,考察鸟粪石沉淀法脱除氨氮对鸡粪厌氧发酵过程的影响及镁磷盐的利用效率。试验向稳定运行的半连续厌氧反应器内投加MgCl2·6H2O和K2HPO4·3H2O,理论脱除速率为3 000 mg/d。第一次加盐脱除氨氮后,试验组反应器内氨氮浓度由2 937 mg/L降低至1 466 mg/L,平均产甲烷量为0.39 L/g,相较对照组的0.33 L/g提高了18%,镁磷盐利用率为91%;第二次加盐脱除氨氮后,试验组氨氮浓度由2 232 mg/L降低至762 mg/L,平均产甲烷量为0.33 L/g,相较对照组的0.30 L/g提高了10%,镁磷盐利用率为90%。研究表明鸟粪石沉淀法能较好的与厌氧发酵过程相耦合,在脱除氨氮缓解抑制的同时,提高系统甲烷产量,并回收部分氮磷资源。     

适宜原料压实度改善玉米秸秆厌氧干发酵特性

干发酵原料中固形物含量高,结构疏松,原料的压实度直接关系到发酵罐的利用率和生产成本。为了探讨原料压实度对厌氧干发酵过程的影响,该文以玉米秸秆粉为试验材料,研究了不同固形物含量(TS)条件下原料压实度对厌氧干发酵产气特性及物料特性变化的影响,结果表明:相同TS下,随着压实度的增加,日产气量(基于可挥发性固形物,VS)峰值降低且出峰时间略有滞后;原料压实度对累积产气量、日产气量变化趋势以及甲烷体积分数的影响不明显。基于发酵罐容积计算产气量时,原料压实度与日产气量峰值、累积产气总量以及累积甲烷产量均呈显著正相关。不同TS条件下的原料压实度对厌氧干发酵过程的影响程度不同,TS含量越高原料压实度对产气量的影响越明显。TS为20%和25%时,逐层压实发酵罐的单位容积累积产气量比自然填料罐分别提高了37.1%和60.2%。当发酵料初始TS为20%时,原料压实度的增加可促使物料中形成连续的液相,改善物料层间的传质,从而使发酵料上下层间的差异减小。当发酵料初始TS提高到25%时,原料压实度增加对传质特性无明显影响。综上所述,在该试验研究范围内,提高原料压实度可以保证玉米秸秆厌氧干发酵产气过程的正常进行,且可以显著提高发酵罐的容积利用率。该研究对厌氧干发酵原料压实度与发酵特性之间的关系进行了初步探讨,以期为有效提高厌氧干发酵罐的产能能力提供参考。     

在线旁路近红外实时监测粪污厌氧发酵挥发性脂肪酸含量

厌氧发酵是畜禽粪污资源化利用的重要途径之一,挥发性脂肪酸作为重要的中间产物,可以很好地反映有机物质的降解过程,对其进行实时检测对在线监控发酵进程具有重要意义。该研究在已有实验室型厌氧发酵系统上、基于在线旁路检测方式设计了近红外实时检测装置及发酵液循环回路系统,探讨对乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸等单一挥发性脂肪酸和总挥发性脂肪酸进行在线实时检测的可行性。检测结果表明,所设计的在线检测方案和定标模型对挥发性脂肪酸含量的实时检测效果良好,即使对浓度含量较低(万分之五)的异丁酸仍能实现较准确的检测,结果分别为:乙酸的R2p=0.811,RPD=2.055,RSD=2.288%;丙酸的R2p=0.849,RPD=2.116,RSD=2.195%;异丁酸的R2p=0.968,RPD=5.555,RSD=2.132%;丁酸的R2p=0.889,RPD=2.701,RSD=1.846%;异戊酸的R2p=0.940,RPD=3.843,RSD=3.444%;戊酸的R2p=0.889,RPD=2.751,RSD=2.387%;总挥发性脂肪酸的R2p=0.734,RPD=1.846,RSD=2.150%。基于该研究提出的在线检测方案,近红外光谱技术能够实现厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸的快速、在线、实时检测,可为今后沼气工程在线监测提供参考。     

复合菌系MC1预处理对玉米秸秆厌氧发酵产甲烷效率的提高

采用高效纤维素分解菌复合系MC1对玉米秸秆进行预处理,以提高玉米秸秆厌氧甲烷发酵的效率和产气量。复合菌系预处理的结果表明,预处理发酵液的pH值呈先下降后升高的趋势,与以往的复合菌系发酵产物pH值特性相似。在14 d的预处理过程中,秸秆质量减少了59.0%,其中纤维素减少了53.1%,半纤维素减少了76.4%。发酵液中的可溶性糖含量最大值出现在第2 d,为1.44 g/L。化学需氧量（COD）和挥发性产物最大值均出现在第4 d,监测到的5种挥发性产物的量分别为乙醇2.38 g/L、乙酸0.57 g/L、丙酸0.11 g/L、丁酸0.62 g/L和甘油0.22 g/L,因此,处理4 d后最适合甲烷发酵。厌氧发酵的结果表明,与未处理的玉米秸秆的厌氧发酵相比,预处理后的秸秆总产气量和总甲烷量分别了提高了33.0%和58.1%。结果表明,MC1对玉米秸秆预处理后,可明显提高甲烷产量,具有较高的利用潜力。     

蚓粪促进玉米秸秆厌氧消化产气效果的研究

以玉米秸秆为试验研究对象,比较添加蚓粪后对秸秆厌氧消化产气特性的影响。在接种污泥比例为20%、30%、50%时,添加适当蚓粪,使其在35℃下中温厌氧消化,试验中研究产气量、pH值和乙酸产生量等参数的变化趋势。结果表明,添加蚓粪后,各处理的产气量均显著增加,其中50%接种污泥的处理累积产气量达340mL,增幅达67.05%,添加蚓粪的物料发挥了最大的产气效果。试验过程中pH值相对稳定,乙酸累积量较低。蚓粪的添加抑制了酸的累积,使pH稳定在一定的范围。     

接种物耐酸驯化对菌糠厌氧干发酵产气的影响

为了提高厌氧干发酵体系运行稳定性,使中间产物酸及时转化为甲烷,避免出现酸抑制现象,该研究采用逐步提高乙酸浓度降低pH值的方式对接种物进行驯化,得到了在乙酸浓度10200mg/kg、pH值6.0条件下仍能快速产气的耐酸接种物,并以易水解酸化的菌糠为原料进行了厌氧干发酵试验。结果表明,驯化过程中产甲烷古菌类群的多样性下降,乙酸营养型甲烷八叠球菌丰度大幅提高,乙酸转化率和甲烷浓度逐渐提高;耐酸接种物的脱氢酶活性下降,辅酶F420和纤维素酶活性升高;添加耐酸接种物可以加快菌糠厌氧干发酵启动速度,避免酸抑制现象的发生;接种物含有75%耐酸接种物的试验组甲烷产量提高了56.1%。该研究成果能够为有效解决厌氧干发酵过程酸抑制现象提供一定的理论指导。     

膨润土改善鸡粪厌氧消化产酸产甲烷特性

为探究膨润土对鸡粪厌氧消化过程中产甲烷特性和可溶性有机酸代谢特性的影响,采用L8(23)正交试验设计,以鸡粪添加量(有机负荷率)、膨润土添加量和接种量为三因素,每个因素设置2个水平,研究了中温条件下(35±1)℃膨润土添加对鸡粪厌氧消化过程中产酸和产甲烷特性的影响。结果表明:与对照组相比,低有机负荷条件下,膨润土添加能显著(P0.05)提高鸡粪挥发性固体(volatile solid,VS)产甲烷量,添加量为3.0%和1.5%时VS产甲烷量分别提升了22.72%、27.72%(膨润土添加量不同的组差异不显著(P0.05));高有机负荷条件下,膨润土添加能极显著(P0.01)提高鸡粪VS产甲烷量,添加量为3.0%和1.5%时VS产甲烷量分别提升了78.68%和55.41%(膨润土添加量不同的组差异显著(P0.05))。当鸡粪添加量为19.91 g挥发性固体,膨润土添加量为3.0%(占干基比)和接种量为80 m L(体积分数20%)时,单位挥发性固体产甲烷量最高为301.92 m L/g,比对照组高87.8%,此时可变成本也最低为2.43元/m~3,比两对照组分别低1.29和1.68元/m~3。方差分析表明:膨润土添加可提高鸡粪厌氧消化过程中挥发性脂肪酸,pH值,可溶性有机碳和可溶性无机碳的稳定性。膨润土可加强鸡粪厌氧消化系统的稳定性,降低产甲烷的可变成本,为膨润土强化鸡粪厌氧处理提供了试验验证据。