厌氧流化床净化畜禽废水与产电性能

为实现从畜禽废水处理中回收能源,先后以厌氧沼液、低浓度畜禽原水及高浓度畜禽原水作为进水,利用厌氧流化床双室微生物燃料电池(anaerobic fluidized bed microbial fuel cell,AFB-MFC)进行微生物产电及有机物去除研究,重点考察氨态氮质量浓度及COD(化学需氧量)容积负荷对系统COD去除率及产电性能的影响。结果表明:以稀释后的沼液作为进水时,当氨态氮质量浓度达到387.6mg/L时,氨态氮对产电微生物产生明显的短期抑制,产电量下降7.0%,但经过5d的适应期后,系统产电恢复到原来的水平。以畜禽原水作为进水时,系统COD容积负荷在12d内由2.3kg/(m3·d)提升至14.9kg/(m3·d)时,COD去除率保持在74.5%～88.1%;随着容积负荷的提升,系统产电量上升,但上升幅度较小,最高输出电压为379.3mV,相应的面积功率密度为74.9mW/m2;由于进水pH值的差异,高浓度畜禽原水最高输出电压较低浓度畜禽原水低21.4mV;AFB-MFC系统内阻较低,仅为48.5Ω,此时功率密度为75.6mW/m2。本装置实现了畜禽废水的高效处理,同时获得电能,为其资源化处理提供新途径。     

分段组合式厌氧反应器的运行性能

为研发高效厌氧生物反应器,采用模拟有机废水,对分段组合式厌氧反应器的运行性能进行了研究。试验结果表明：该反应器具有很高容积效能,容积负荷可达110.97?g/(L·d),容积负荷去除率可达84.35?g/(L·d),容积产气率可达57.00?L/(L·d)。该反应器内的基质浓度及中间产物浓度较高,平均化学需氧量和挥发性有机酸浓度分别是常效反应器相应值的18.49倍与37.52倍,可提供较大的反应推动力。该反应器具有良好的运行性能,但趋近满负荷时性能参数波动较大,易导致反应器工况失稳。     

秸秆过滤养猪废水UASB厌氧发酵及微生物群落分析

养猪废水成分复杂,所含悬浮性固体对其生物发酵过程影响显著;利用经过粉碎压实后的玉米秸秆对养猪废水进行负压抽滤,吸附截留废水中的悬浮性固体。再利用上流式厌氧污泥床（UASB,up-flow anaerobic sludge bed/blanket）反应器对过滤后的养猪废水进厌氧发酵,探究发酵过程中随着有机负荷的增加,化学需氧量（COD,chemical oxygen demand）去除率、pH值、产气量的变化规律,并采用高通量测序技术分析最优负荷时厌氧消化污泥中的细菌与古菌群落组成。过滤试验表明,在过滤压差为40kPa、滤层厚度为15cm、滤料压实度为1.6倍密度（148.8kg/m³）时有较好的过滤效果,此时总固体（TS,total solid）、挥发性固体（VS,volatile solid）、COD的去除率分别为33.08%、28.05%、23.01%。厌氧发酵试验结果表明,在温度为(35±1)℃时反应器稳定运行的最高负荷为11 kg/(m³·d);反应器处理效果最优的负荷为10 kg/(m³·d）,此时进水COD浓度为5 000 mg/L、COD去除率为76.46%、容积产气率为1.51m³/(m³·d)。高通量测序结果表明,厌氧发酵过程由多种微生物菌群协同作用,主要的细菌群类是Firmicutes、Bacteroidota,主要古菌群类为Halobacterota,且高效产甲烷菌分布丰富。试验结果为利用作物秸秆过滤养猪废水进行以废治废的技术应用提供了依据。     

脉冲循环式渠槽厌氧反应器处理太湖腐熟蓝藻性能

为实现太湖腐熟蓝藻的资源化处理,研究新型厌氧反应器——脉冲循环式渠槽厌氧反应器处理太湖腐熟蓝藻的效能及其运行特点。以城市污水处理厂剩余污泥为种泥,污泥接种量混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)为20g/L,进水化学需氧量(COD)质量浓度2000mg/L,水力停留时间(HRT)为5d,中温(30～35℃)厌氧条件下,反应器可在30d内成功启动并达到初步稳定运行,COD去除率达到60%左右,产气率为0.08L/(L·d);当进水COD容积负荷3.5kg/(m3·d)时,仍能实现安全稳定运行,COD去除率可以稳定在80%左右,产气率在1.2L/(L·d),表明反应器抗冲击负荷能力较强,同时沼液中藻毒素(TMC-LR、EMC-LR)去除率为90%以上。稳定运行期间反应器厌氧颗粒污泥对腐熟蓝藻甲烷化的最大比基质降解速率为1.253mg/(mg·d),半饱和常数为11770mg/L,甲烷产率系数为0.256mL/mg;电镜观测发现稳定运行期颗粒污泥以产甲烷的八叠球菌为主,伴有丝状菌和杆菌等,同时发现其蛋白酶、TTC-脱氢酶和辅酶F420活性相对较高。研究发现脉冲循环式渠槽厌氧反应器能够有效地处理太湖蓝藻,这对其资源化利用具有一定的指导意义。     

有机负荷对厨余垃圾常温厌氧发酵产甲烷的影响

为了考察在不同有机负荷下厨余常温厌氧发酵产甲烷的特性,试验以厨余垃圾为原料,在常温（27℃）条件下,采用40L厌氧反应器进行连续式厌氧消化。结果表明,当有机负荷率控制在3.89～6.49 kg/(m3·d)之间,池容产气率可稳定在2.5～4.5 L/(L·d),原料挥发性固体产甲烷率为300.59～488.52 L/kg,平均甲烷体积分数为54.05%～56.04%,挥发性固体物去除率为55.12%～89.58%;因此,将有机负荷率控制在3.89～6.49 kg/(m3·d)之间,厨余垃圾在常温下厌氧消化可达到较高的原料产甲烷率和稳定的产甲烷过程。     

鲜水葫芦与其汁液厌氧发酵产沼气效率比较

为开发高效处理水葫芦的厌氧发酵产沼气技术,该文在35℃中温条件下,分别以鲜水葫芦和经固液分离的水葫芦汁为发酵底物,应用实验室自行设计的2套完全混合搅拌反应器(CSTR)进行了厌氧发酵比较研究。结果表明,以水葫芦为底物直接进行厌氧发酵,最大容积负荷为2.0kg/(m3·d),挥发性固体(VS)产气率为267mL/g,容积产气率为0.61m3/(m3·d),滞留期为27d,平均甲烷体积分数为58%,而以水葫芦汁为底物,COD(化学需氧量)容积负荷可达6.0kg/(m3·d),原料(COD)产气率为231mL/g,容积产气率可达1.4m3/(m3·d),平均甲烷体积分数为66%,滞留期仅需2.4d,COD平均去除率达85%,MLVSS(挥发性悬浮物浓度)平均去除率可达88%。因此,对水葫芦进行固液分离,以水葫芦汁作为厌氧发酵原料可大大提高处理效率,为水葫芦资源化利用提供了一条新途径。     

羊、鸭、兔粪厌氧消化产沼气潜力与特性

为弄清羊、鸭、兔粪便厌氧消化产沼气潜力及特性,试验以各新鲜粪便为发酵原料,以自行培养的厌氧污泥为接种物,在(35±1)℃、(25±1)℃和常温(9～19℃)条件下进行了批式厌氧消化试验,研究了各粪便厌氧消化的产气速率与产气量、酸碱度变化、消化料液COD及NH4+-N的去除效率。试验结果显示：(35±1)℃时各原料总固体（TS）产气率为：羊粪0.273 m3/kg,鸭粪0.441 m3/kg,兔粪0.210 m3/kg;(25±1)℃（羊粪为(27±2)℃）时为：羊粪0.206 m3/kg,鸭粪0.359     

秸秆批式和半连续式发酵物料浓度对沼气产率的影响

为比较秸秆批式发酵和半连续发酵工艺的产沼气效果,以水稻秸秆为单一发酵底物,开展了室内中温批式发酵和半连续发酵对比试验,以容积产气率和原料产气率为特征指标,研究不同料液浓度对秸秆批式和半连续发酵产沼气的影响,以期获得秸秆沼气工程适宜的运行参数。结果表明,批式发酵容积产气率随着TS浓度的增加而增加,但增幅逐渐减少;与静态批式发酵相比,间歇搅拌有助于提高批式发酵容积产气率,特别对高TS浓度处理容积产气率的提升效果更加明显;而半连续进料条件下更有利于高TS浓度处理容积产气率的提高,但各处理原料产气率均随着固物滞留时间(solid retention time,SRT)缩短而逐渐降低。综合考虑产气情况及工程应用实际,建议秸秆批式发酵底物质量分数不超过8%,而半连续发酵TS质量分数8%时SRT设计为20 d(容积产气率1.00 m3/(m3·d)),若发酵TS质量分数6%时,SRT设计为15 d,容积产气率0.75 m3/(m3·d),该运行参数为秸秆沼气工程发展提供了理论依据。     

猪粪中温半干法连续厌氧发酵产气性能

为改善猪粪在连续型沼气工程中的容积产气效率和降低其进出料过程的热损失,该研究拟采用高浓度和小体积喂料方式进行,将新鲜猪粪分别稀释成总固体质量分数(total solid,TS)为10%、12%和14%3个水平,通过逐级缩短水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)(HRT:25 d→20 d→18.5 d)的方式来改变各组反应器的负荷。试验结果表明,当HRT:25 d时,各组平均日产气量均表现最高,约为460 m L/g,此阶段可获得85%以上的沼气转化效率;当HRT:20d时,各组均获得最大容积产气率,最高达到2.29 L/(L·d)(TS:14%);当HRT下降至18.5 d时,各组产气量均呈下降趋势,表明有机负荷已超出反应器的最大转化能力。通过综合原料产气转化效率和容积产气效率2个指标,发现进料TS为14%和HRT为25 d为较优组合条件。该研究可为在实际沼气工程中如何协调进料浓度和HRT的关系提供参考。     

基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性

为同时解决农业秸秆和分散式畜禽养殖废水的资源化问题,以打捆秸秆为固定相,以猪粪废水为流动相,构筑秸秆床厌氧反应器,并在反应器后部连接废水二级厌氧反应器,研究秸秆床发酵系统的产气特性及可行性。结果表明:秸秆床发酵系统可同时处理打捆秸秆和猪粪废水,且不影响各发酵原料的厌氧生物转化率,秸秆床发酵系统中秸秆干物质产气量为394.96 mL/g,略高于秸秆单独发酵(382.11 mL/g);秸秆床发酵系统产气稳定性大幅提高,避免了单一发酵原料日产气量波动较大的问题,对产气中平均甲烷体积分数影响明显,秸秆床发酵系统、纯猪粪废水和纯秸秆发酵产气中平均甲烷体积分数分别为57.40%、60.37%和47.32%;与各物料单独发酵相比,秸秆床发酵系统平均容积产气率大幅提高,纯秸秆和猪粪废水单独发酵容积产气率仅为秸秆床发酵系统的69.42%和66.94%;试验35 d后,秸秆机械强度和孔隙度明显降低,秸秆互相粘结导气性下降,造成秸秆上浮严重及进水短流,反应器出水化学需氧量浓度快速增加并稳定在较高浓度,故在秸秆床反应器后部必须连接废水二级厌氧反应器以进一步处理秸秆床反应器出水。综合以上结果,采用秸秆床发酵系统同时处理打捆秸秆和猪粪废水是可行的,但需解决发酵后期秸秆上浮、导向性下降和进水短流等问题。     

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。     

进料浓度对玉米秸秆与牛粪全混式厌氧发酵特征影响研究

目前,中国大多数沼气工程均采用农作物秸秆与畜禽粪便为主要原料,但对于实际沼气工程的工艺控制,尤其是对于沼气工程进料混配及发酵浓度等控制工艺仍缺少参考和支撑。该研究采用玉米秸秆与牛粪原料,在中温条件下,利用纯牛粪、纯秸秆以及秸秆与牛粪干物质比(S:CM)=1:1、1:3、3:1条件的混合原料,按照不同干物质浓度(total solid,TS)=3%、6%、8%,梯次启动CSTR反应器,系统探讨物料配比与发酵浓度对反应器产气量、甲烷体积分数、pH值、氧化还原电位(oxidation-reductionpotential,ORP)、挥发酸(volatilefattyacids,VFAs)含量等运行特征的影响。结果表明,正常运行时,纯秸秆与纯牛粪条件下厌氧发酵产气效果显著低于混合原料,且所有条件下反应器的产气量基本都随着发酵浓度升高而升高。在发酵浓度为8%条件下,S:CM=3:1和1:1的反应器容积产气率在运行130和150 d后分别达到峰值0.78和0.76 L/(L·d)。随着反应器的持续运行,170 d后各反应器的产气率与pH值降低,而VFAs与ORP升高。S:CM=3:1和1:1的反应器容积产气率降低至0.6 L/(L·d),pH值降低至6.5左右。这主要是由于恒定的搅拌功率条件下,随着反应器内TS升高,搅拌转速降低,进而在反应器内产生搅拌死区与浮渣等问题,导致反应器内局部酸化,造成系统整体失稳。在启动期间,所有5个条件下反应器内ORP呈缓慢上升趋势。运行172 d后,S:CM=1:1条件下ORP迅速增加至高于–300 mV。总体而言,厌氧系统中VFA浓度随着进料中秸秆比例增加而增加,且丙酸积累发生并变得更加严重。这也在一定程度上表明,与采用秸秆与粪便混合原料厌氧发酵相比,采用纯秸秆原料厌氧发酵生产沼气厌氧反应器的运行稳定性较差。     

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。     

Kinetic analysis of the psychrophilic anaerobic digestion of wastewater derived from the production of proteins from extracted sunflower flour

A kinetic analysis of the anaerobic digestion process of wastewater derived from the production of protein isolates from extracted sunflower flour was carried out. The digestion was conducted in a laboratory-scale fluidized bed reactor with saponite (magnesium silicate) as support for the mediating bacteria at psychrophilic temperature (15-19 degrees C). Soluble chemical oxygen demand (COD(s)) removal efficiencies in the range of 95.9-69.0% were achieved in the reactor at organic loading rates (OLR) of between 0.57 and 2.49 g total COD (COD(t))/L d, hydraulic retention times (HRT) of between 20.0 and 4.5 days, and average feed total COD concentration of 11.3 g/L. The yield coefficient of methane production was 0.32 L of methane (at STP) per gram of COD(t) removed. The total volatile fatty acid (TVFA) levels and the TVFA/alkalinity ratio were lower than the suggested limits for digester failure for OLR and HRT up to 2.26 g COD(t)/L d and 5.0 days, respectively. The specific rate of substrate uptake, r (g COD(s)/g VSS d), correlated with the concentration of biodegradable substrate, S (g COD(s)/L), through an equation of the Michaelis-Menten type. The maximum substrate utilization rate, k, and the Michaelis constant, K(s)(), were found to be 0.125 g COD(s)/g VSS d and 124 mg COD(s)/L, respectively. This proposed model predicted the behavior of the reactor very accurately showing deviations lower than 10% between the experimental and theoretical values of substrate uptake rates. A mass (COD(t)) balance around the reactor allowed the COD equivalent of methane volume (W(CH)4) to be obtained, which gave a value of 2.89 g COD(t)/L CH(4), which was virtually coincident with the theoretical value of 2.86 g COD(t)/L CH(4).     

有机负荷对秸秆消化系统性能及可利用态金属浓度的影响

利用农作物秸秆为原料,在半连续条件下研究厌氧反应器消化特性及金属浓度的变化。结果表明,当有机负荷(organic loading rate,OLR)为4 g/(L·d),固体停留时间(Solid rentention time,SRT)为66.7 d时,单位挥发性固体(VS)最大甲烷产率为217 m L/g,达到了理论产值的56%~58%。采用修正的Tessier法分析金属形态分布,瘤胃和厌氧污泥共接种物中的金属Zn,Cu,Fe,Ni,Mo等提供了产甲烷过程酶的辅因子,有利于水解和产甲烷活性的提高。当OLR升高到6 g/(L·d),SRT下降为40 d时,溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)浓度显著升高,导致金属浓度发生变化。沼渣中Zn和Fe可利用态质量分数显著下降(P0.05),分别为4.39和5.54 mg/kg,Cu可利用态质量分数下降为0.40 mg/kg。从而导致甲烷产率下降为110 m L/g,体系中挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)积累。乙酸、丙酸及丁酸质量浓度均值分别达到了2.02、6.54和0.53 g/L,出现酸化现象。     

鸡粪高固体浓度进料厌氧消化连续运行性能

以鸡粪为处理对象,进料总固体（Total Solids, TS）浓度控制在15%,进行鸡粪高固体浓度进料厌氧消化试验,在水力停留时间（Hydraulic?Retention?Time, HRT）为 60 d的条件下,连续运行155 d考察发酵性能。试验结果表明,在有机负荷（Organic Load Rate, OLR）为1.5 g/(L·d)（以Volatile Solids, VS计算）和氨氮（Total Ammonia Nitrogen, TAN）浓度7.5 g/L的条件下,甲烷产率达到326 mL/g,总挥发性脂肪酸（Total Volatile Fatty Acids, TVFA）浓度在0.5 g/L左右, pH值在8.3以上,实现了低有机酸残留的鸡粪高固体浓度进料厌氧消化的稳定运行。鸡粪的水解率、酸化率以及产甲烷率分别为61%、47%和47%。厌氧污泥的比产甲烷活性（Specific Methanogenic Activity, SMA）为0.042 g/(g·d),显示有较好的代谢活性,利用一级动力学模型进行模拟,动力学常数为0.202 d-1,相关性系数为0.982。该研究验证了通过延长HRT适当降低OLR的方式,鸡粪高固体浓度进料厌氧消化可以耐受极高的氨氮浓度,为工程应用提供了可能性。     

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。     

高含固率秸秆和牛粪混合物料发酵产甲烷工艺

该研究针对高含固率纤维质物料难以连续厌氧发酵、甲烷产率低的问题,利用所研制的一套能连续进出料、具有高有机负荷承载力的新型反应器,以玉米秸秆和牛粪为原料,通过调控搅拌强度和投料强度在反应器内建立了"分区发酵"体系,比较了3种高含固率(10%、15%和20%)物料在不同有机负荷下的甲烷容积产率,系统研究了物料含固率、搅拌强度和投料强度对"分区发酵"体系形成功能分区的高度、各功能区的pH值和甲烷容积产率的影响,旨在为纤维质物料产甲烷提供高效的发酵工艺和可靠的运行参数。结果表明,含固率为10%和15%的反应器,甲烷容积产率随有机负荷的增加而增加,平均甲烷体积分数稳定在52%左右,二者在有机负荷分别为13.44和20.17 kg/(m3·d)时,甲烷容积产率最高,分别为1.62和1.66 m3/(m3·d),在有机负荷分别为20.17和30.0 kg/(m3·d)时,甲烷产量明显下降;含固率为20%的反应器,甲烷容积产率随有机负荷的增加基本保持不变且较低(0.98 m3/(m3·d)),当有机负荷达到30.0 kg/(m3·d)时,发酵体系酸败,甲烷产量明显下降。双因素优化结果表明,当物料含固率为10%和15%、搅拌强度为6~12 h/d、投料强度为6.5~10 d时,发酵体系可形成高效的酸化区和产甲烷区,二者的高度之比为1.1~1.6:1,甲烷容积产率可达1.63~1.69 m3/(m3·d)。综上,该反应器可实现含固率为10%~20%的纤维质物料连续进出料,并在含固率为10%和15%时能高效、稳定地产甲烷,通过调控搅拌强度和进料强度能提高其甲烷容积产率。该发酵工艺有规模化应用的前景。