葡萄酒生产废弃物与剩余污泥厌氧共消化研究进展

厌氧消化技术被广泛应用于多种行业废弃物的处置。然而,葡萄酒生产废弃物浓度高、pH值低以及季节性变化的特性容易造成负荷冲击,导致反应器微生物流失、运行不稳定。同时,剩余污泥组分复杂、水解率低导致产气效率低。厌氧共消化具有均衡营养素、减缓抑制效应、丰富菌群多样性和提高甲烷产量等优势,也逐渐成为一种重要的葡萄酒生产废弃物与剩余污泥的处置方式。尽管已有二者在不同运行策略下共消化性能的研究,但仍未有报道阐明其共消化的影响因素以及基于葡萄酒生产废弃物特性建立直接种间电子传递的研究进展。因此,该文介绍了葡萄酒生产废水与剩余污泥、葡萄酒生产固体废弃物与剩余污泥的共消化进展,并分别归纳了2种体系中影响消化效能的主要因子;随后总结了共消化体系中基于乙醇建立的直接种间电子传递的研究进展;最后,围绕以上内容展望了共消化技术在葡萄酒生产废弃物与剩余污泥协同处理的前景。     

畜禽养殖场沼气工程厌氧消化技术优化分析

为推进畜禽养殖场沼气工程高效运行,提高其厌氧消化效率,该文选择了3座沼气工程,对其厌氧消化工艺、工程运行管理和投入产出情况进行分析探讨。在此基础上,提出中国畜禽养殖场沼气工程建设厌氧消化技术的优化运行方案：完全混合式厌氧反应器、升流式固体反应器和高浓度推流式反应器适用于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料的“能源生态型”沼气工程;与厌氧消化工艺相匹配的要素是沼气工程日常调控的重点;热电肥联产能够实现沼气工程效益的最大化;利用太阳能加热、沼液回用发酵可以节约能源,降低工程运行成本。     

设施园艺废弃物厌氧消化产沼气特性

为获得典型设施园艺废弃物的产沼气特性,该文分析了5种不同设施园艺废弃物—黄瓜蔓、西红柿茎叶、小白菜、西瓜蔓和青草的物料特性,并在中温条件下研究了5种原料的厌氧发酵产气特性;在38℃条件下,以西瓜蔓为例进行了分离式两相厌氧消化工艺(separated two phase anaerobic digestion,STP)回流方式比较试验,比较分析了西瓜蔓在渗滤液喷淋和浸泡2种回流方式下的产气性能,研究了不同回流方式下的渗滤液pH值、沼气产量、甲烷含量的变化,为设施园艺废弃物的资源化利用提供了有益的参考。试验结果表明:5种设施园艺废弃物的产气潜力由大到小依次为西瓜蔓、小白菜、黄瓜蔓、西红柿茎叶和青草,其中西瓜蔓的单位干物质产气量达到508.85 mL/g(干物质total solid,TS);设施园艺废弃物对分离式两相厌氧消化工艺(STP)具有良好的适应性,渗滤液喷淋回流方式要优于浸泡回流方式,其产气量和甲烷含量更高,其中累计产气量达到506.39 L,比浸泡回流方式高出10.81%,甲烷体积分数基本稳定在53%~56%,系统稳定性更好,研究结果为设施园艺废弃物的处理与利用提供参考。     

高固体含量进料提高餐厨废弃物连续厌氧发酵性能

为了考察高低2种进料固体含量在餐厨废弃物中温厌氧发酵中对产气效果的影响,该文将餐厨废弃物预先配制成固体质量分数为19.0%和9.5%的2种进料,应用单相连续厌氧发酵系统并设置低、中、高3个有机负荷,考察产气效率及厌氧反应器内部固体含量、氨氮浓度和p H值的变化情况。试验结果表明,高固体含量进料组的挥发性固体产气率在3个机负荷下均明显占优,分别为634.34、623.14和550.08 m L/g,而低固体含量进料组分别为549.86、491.22和0 m L/g。此外,采用高固体含量进料的厌氧反应器内固体质量分数一直保持在10%以下,符合湿法半连续发酵工艺要求。该研究对餐厨废弃物湿法厌氧发酵的沼气生产中,如何最大化节约原料稀释用水上提供了设计参考。     

秸秆厌氧消化产甲烷的研究进展

近年来,随着国际能源紧缺与环境污染的日趋严重,秸秆厌氧消化产甲烷技术再次成为国内外学者研究生物质固废处理的热点之一。农作物秸秆厌氧消化产甲烷为大量廉价易得的生物资源转化为可再生能源提供了一个新机会。通过厌氧消化,不仅改善农村生态环境质量,还产生了清洁能源沼气,真正实现变废为宝,对解决农村用能和种植业污染问题有重要意义,也是目前中国最有希望实现产业化的生物质能源之一。然而,由于秸秆的特殊物理化学结构,使得微生物与酶很难对其吸附、降解,并因此限制了秸秆厌氧消化的推广、应用。尽管在当前中国的鼓励政策下,许多秸秆沼气示范工程建成并投入生产,但实际运行中依旧有些问题亟待解决。该文根据国内外关于秸秆厌氧消化产甲烷技术的最新研究成果,基于厌氧消化原理和原料特性分析的基础上,分析了影响秸秆产甲烷的因素及不足,总结了产气优化的方法,展望了秸秆厌氧消化产甲烷的发展方向。该项研究结果对推广秸秆厌氧消化产甲烷、加快生物质固废的资源化成果转化具有积极的推动意义。     

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。     

不同有机负荷下混合蔬菜废物厌氧消化性能分析

为优化蔬菜废物厌氧消化工艺,提高蔬菜废物厌氧消化处理效率,该文以混合蔬菜废物为原料,通过逐级提高厌氧反应的有机负荷,分析研究了蔬菜废物在不同有机负荷下的厌氧消化性能及相应的物质转化规律。试验在有机负荷率OLR 1.0、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5、3.0、3.25、3.5 g/(L·d)条件下共运行170 d。研究结果表明：最优有机负荷率为2.75 g/(L·d),极限有机负荷率为3.5 g/(L·d);在2.75 g/(L·d)条件下有机负荷产气率达到最高,达到0.54 L/(g/(L·d)),甲烷体积分数稳定在51%～59%。有机负荷2.75和3.0 g/(L·d)条件下挥发性固体去除率最高达66.81%。有机负荷率在1.0～3.25 g/(L·d)时,挥发性有机酸质量浓度在409～481 mg/L,乙醇浓度在380～490 mg/L,属乙醇型发酵。该研究结果可为提高蔬菜废物厌氧消化处理效率提供理论依据,具有重要意义。     

厌氧消化在线监控技术及发展方向

厌氧消化作为一种生物降解和产沼气技术,已成为解决农业废弃物面源污染问题的有效途径之一。其发酵过程更是一个复杂的生物转化过程,因此过程监控显得尤为重要。该文系统综述了国内外厌氧消化在线监控技术的发展现状,并提出了需要进一步研究的科学和技术问题。分析表明,目前应用于厌氧消化过程的控制系统主要为:基于嵌入式微控制器监控系统、基于可编程逻辑控制器监控系统及基于工业控制计算机监控系统。为控制系统实时传输采集数据的传感器包括:电化学传感器、光谱学传感器、色谱学传感器等。基于目前所研究内容,该文提出:(1)依据厌氧消化过程的特点,搭建更加精准、稳定、适用范围更广的在线监控系统是该领域研究的核心问题;(2)增加有关物料特性方面监测参数,提高沼气产量和厌氧消化效率应是未来的研究重点。     

基于固体废弃物资源化利用的“无废城市”建设初探

随着我国经济的快速发展,城镇化进程不断加快,城市基础设施、房地产、轨道交通、采矿、能源、水利水电等行业大力兴起,各行业在建设过程中由于人为大量扰动破坏原地表,工程开挖、填筑活动形成大量的弃土弃渣。弃土弃渣不仅侵占土地、压毁农田,更可能污染水源、破坏环境、影响市容市貌,与现阶段推行的生态文明背道而驰,急需采取有力措施,加强对工程弃土弃渣、建筑废弃物等固体废弃物的管理,将其作为资源充分有效利用,变资源浪费为资源再生,变污染为环保。目前,大量的弃土弃渣、建筑废弃物及仍在不断增加的固体废弃物为新能源、新材料的研发及生产应用提供了物质来源。以弃土弃渣及建筑废弃物为固体废弃物的典型代表,从研究现状、利用方向方面阐述固体废弃物资源化利用的可行性及必要性,为建立"无废城市",实现生态优先、绿色发展之路创造有利条件,具有重要的科学意义和指导生产实践的价值。     

猪粪固体含量对厌氧消化产气性能影响及动力学分析

为优化猪粪厌氧消化总固体质量分数（total solid,TS）,以猪粪为原料,采用批式试验方法,研究不同TS对厌氧消化产气性能的影响。结果表明：底物固体质量分数分别为3.0%、7.5%、12.0%和15.0%时,猪粪的挥发性物质（volatile solid,VS）沼气产率随底物固体质量分数的增加而降低,分别为579、527、356和237 mL/g,底物固体质量分数为3.0%和7.5%时的CH4产率优于其他固体质量分数,分别为317和326 mL/g,占理论CH4产率的66.9%和68.8%;不同固体质量分数厌氧消化过程中,最高产CH4速率分别为37.0、24.4、10.4和4.7 mL/(g·d);固体质量分数为7.5%时消化体系的TS、VS降解率最高,分别达到49.2%和65.5%;固体质量分数为3.0%和7.5%的厌氧消化过程符合一级动力学方程,但猪粪的产甲烷速率常数从0.126 d-1下降到0.063 d-1;与3.0%的固体质量分数相比,消化时间为30 d时,底物的生物转化产CH4效率随固体质量分数的增加分别降低6.3%、55.8%和74.7%,固体质量分数为3.0%和7.5%时生物转化产CH4效率达到58.0%所需的时间分别为18和30 d。     

蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气的试验研究

该文以废弃的甘蓝菜叶为发酵原料,在实验室自行设计的小型沼气发酵装置上进行了厌氧发酵试验,通过测定发酵过程中发酵液和沼气的各项指标,对蔬菜废弃物厌氧发酵的可行性及接种物浓度对发酵过程的影响进行了研究.结果表明,蔬菜废弃物用厌氧发酵工艺处理是可行的;在试验采用的20%,30%,50%三个水平的接种物浓度中,接种物浓度为30%的实验组的挥发酸含量、氨态氮含量以及pH值都在正常范围内,总产气量和沼气中最高甲烷含量分别为7790.81 mL和42.814%,明显高于其他两组及空白组实验.该项研究对蔬菜废弃物的资源化利用提供了有益的参考.     

蘑菇废弃菌棒及其与猪粪混合发酵对沼气产量及质量的影响

为了研究厌氧消化过程中日产气量、累计产气量和甲烷含量随厌氧消化时间的变化规律,在中温35℃±1℃条件下,采用批式单相厌氧消化工艺,分别用香菇、杏鲍菇和平菇废弃菌棒与猪粪混合发酵。结果表明,蘑菇菌棒具有很好的产气潜力,其中香菇菌棒TS产气量最高,为142．9mL·g^-1,平均产气量664.1mL·d^-1,杏鲍菇菌棒所产气体甲烷含量最高,平均63．8％;添加猪粪调节蘑菇菌棒C／N至25／1,对香菇菌棒前期严重酸化现象起到了很好的缓冲作用,使香菇菌棒、杏鲍菇菌棒和平菇菌棒累计产气量较单一物料分别提高了131．5％、97．9％和79．9％。研究结论为：香菇、杏鲍菇和平菇废弃菌棒均具有良好的产气潜力;添加猪粪能显著提高蘑菇菌棒累计产气量,同时提高香菇菌棒甲烷含量,降低杏鲍菇菌棒甲烷含量,对平菇菌棒甲烷含量影响不大。     

城市生活垃圾高温厌氧转化生物质能研究

城市生活垃圾的处理与处置问题已成为研究热点,在国内外已有的研究基础上,对城市生活垃圾高温厌氧(批量)发酵实验进行一些初步探索,研究了在55℃的高温条件下累积产气量与消化时间的关系,C/N与产气量的关系;消化过程中pH值变化的关系,并研究了垃圾高温发酵实验过程中沼气中的CH₄和CO₂的含量变化,其中甲烷含量可达75.3%.实验结果表明,城市生活垃圾高温消化的降解效果较好,产气量较高,启动时间短.     

果蔬垃圾与餐厨垃圾混合厌氧消化产气性能

研究了果蔬与餐厨垃圾不同混合比例和不同进料负荷下的厌氧消化产气性能。以果蔬与餐厨垃圾为原料,比例分别为0∶8、2∶8、5∶8、8∶8和8∶0,不同比例的混合原料分别按2%、4%、6%（TS）的进料负荷进行厌氧消化。结果表明：果蔬与餐厨的比例为5∶8、进料负荷2%时产气性能最佳,其单位TS甲烷总产量为600 mL/g,比同比例进料负荷4%和6%分别高5.4%和10%,比2%～6%的单一餐厨和单一果蔬原料分别高4.5%～18%和7.1%～510%,消化周期小于50 d,第20天即达到产气高峰,且峰值单位TS日产气量可达95 mL/g。低负荷运行可有效地避免VFA中丙酸及氨氮的积累,提高负荷、增加果蔬的比例则会导致丙酸和氨氮的积累和抑制,影响厌氧消化体系的稳定性,导致单位TS甲烷总产量降低。研究结果可为城市生活垃圾有机废物厌氧消化处理提供设计和运行依据。     

批式与连续两相发酵的果蔬废弃物厌氧产气性能

该研究采用批式试验与连续发酵试验探讨了苹果与蔬菜废物的厌氧发酵产气性能,结果表明:38℃下苹果与蔬菜废物混合进行厌氧发酵发生了协同促进作用,显著提高了混合原料的产气能力。在苹果废物与蔬菜废物的混合比例F:V=4:1时,混合原料的产沼气潜力达到了914.6 L/kg。利用修正的Gompertz模型能够很好的模拟果蔬废物批式厌氧发酵产气的累积产气过程,拟合结果的R2在0.983~0.999之间。果蔬废物连续进出料产气过程研究结果表明在HRT=24 d、35℃中温发酵条件下,果蔬废物为原料的一体化两相(combined two phase,CTP)反应器有机负荷OLR可达2.5 g/(L·d)时,此时CTP反应器的产气量最高可达12.9 L/d,反应器内物料比产气量为390 L/kg。这表明CTP反应器可以作为果蔬厌氧发酵产气的反应器。与全混式反应器相比,CTP反应器结构简单、成本低,但对果蔬废物的发酵效率低于全混式反应器。     

稻草与猪粪混合厌氧消化特性研究

在中温条件下（35℃）,研究了稻草中添加猪粪对厌氧消化过程的影响,分析了消化过程中日产气量、累积产气量、甲烷含量、pH、挥发性脂肪酸以及硝态氮和氨态氮的变化。结果表明,将猪粪与稻草混合厌氧消化产沼气可以顺利进行,混合物的Vs产气量为330．14L·kg^-1 VS,沼气中甲烷含量为62．88％,添加猪粪对稻草产气量和有机酸的影响不明显,但对发酵过程中可能出现的酸积累有一定的缓冲作用。添加猪粪可以大幅提高发酵液中NO3-N含量,较稻草的处理提高34．53％,对提高消化液的肥料价值有重要意义。因此,将稻草与猪粪混合厌氧消化产沼气是完全可行的。     

蔬菜废弃物中温厌氧发酵酸化失稳预警指标筛选

厌氧消化是一种可以较好地将有机废弃物处理和能源回收结合的生物技术,它是多种厌氧微生物共同参与、分阶段有序进行的复杂串联代谢过程。其中产甲烷菌对环境最敏感、代谢速率最慢,产甲烷阶段往往是厌氧消化系统的瓶颈,水解酸化与产甲烷两阶段不能较好地匹配,极易受到抑制。针对蔬菜废弃物厌氧发酵易酸化的特点,该试验旨在筛选发酵体系酸化失稳预警指标,采用自行设计的70 L反应装置,在中温35℃条件下进行蔬菜废弃物厌氧发酵的连续冲击负荷试验。通过对发酵过程中的气相及液相指标监测,该研究筛选出4类失稳预警指标,分别为:1)甲烷与二氧化碳的比值。当CH_4/CO_21.06时,系统出现酸化现象,提前18 d对厌氧发酵系统做出预警指示,具有最强的失稳预警性;2)挥发性脂肪酸。当丙酸、正/异丁酸、正/异戊酸出现突变时,系统出现酸化征兆,分别在17、15和15 d对厌氧消化体系做出失稳预警;3)碱度。包括总碱度(total alkalinity,TA)、碳酸氢盐碱度(bicarbonate alkalinity,BA)、及挥发酸盐碱度(intermediate alkalinity,IA)的耦合性指标,当BA1500 mg/L、BA/TA0.8或IA/BA0.4时,系统提前13、12和12 d做出酸化预警指示,此时发酵体系缓冲性能较差,系统极易出现挥发性脂肪酸的累积进而导致系统酸化失稳;4)氧化还原电位和pH值在整个厌氧消化过程中均持续微弱变化,利用其绝对值很难做出失稳判断,利用其相对变化值可做出失稳判断,骤变分别发生在产气彻底停止前第5天和第4天,预警能力较弱。在工程实际应用中,相比液相指标而言,气相指标的监测更容易实现,建议CH_4/CO_2作为预警指标。     

生物反应器模拟生活垃圾填埋降解产甲烷性能

该文采用生物反应器模拟生活垃圾填埋降解过程,跟踪测试了垃圾在厌氧消化过程中产甲烷进程及渗滤液特性,并探索两者之间的关系,旨在筛选出可以预测垃圾厌氧消化产甲烷进程的指标。结果表明渗滤液pH值、TOC/TN(total organic carbon/total nitrogen)、乙酸/戊酸(HAc/HVa)的变化对系统产甲烷进程及稳定性有一定的指示作用。消化系统产甲烷初期,渗滤液pH值稳定在5.77~5.91。产甲烷高峰期,渗滤液pH值会迅速升高达到峰值。渗滤液中TOC/TN≥11时,垃圾厌氧发酵系统稳定,产甲烷正常。而当渗滤液中TOC/TN11时,发酵系统因氨积累失稳,产气量小。戊酸在垃圾厌氧消化过程中生成与转化较为活跃,HAc/HVa变化较大且有明显的拐点,拐点处可预测消化系统进入产甲烷期。此外,采用16S r RNA基因标记技术对反应器中3个阶段的垃圾渗滤液样品(水解酸化期A、产甲烷高峰期B、产甲烷末期C)以及试验结束时垃圾样品和覆盖土样品进行群落评估。聚类树分析得出生活垃圾(municipal solid wastes,MSW)样品与渗滤液样品其微生物种类及丰度都较为接近,有较近的亲缘关系,且反应期越长相似度越高。测定渗滤液样品的微生物群落组成可一定程度反映出系统内垃圾的群落结构。覆盖层是系统进行硝化反应的主要场所。垃圾厌氧消化末期,系统中氨积累抑制产甲烷菌活性,是导致系统产甲烷能力下降的主要原因。