响应面法优化餐厨垃圾厌氧消化工艺条件

选取有机负荷,C/N和油脂含量3个厌氧消化工艺参数,以沼气容积产气率作为厌氧消化过程的响应指标,运用响应面法(RSM)优化餐厨垃圾厌氧消化工艺条件。实验结果表明,根据实验数据建立的1个二次多项式数学模型都具有高度耦合性,根据二次多项式方程运用响应面法单独优化的最优条件分别为有机负荷9.0 kg VS·m~(-3)d~(-1),油脂含量20%,C/N为50。在该条件下,系统容积产气率达7.096 m~3·m~(-3)d~(-1)。通过响应面分析方法确定了影响餐厨垃圾厌氧消化系统工艺条件的关键因素序列为:C/N有机负荷油脂含量。     

猪粪干式厌氧消化系统稳定性及其耐氨氮机制分析

随着我国畜牧业快速发展,畜禽粪便量激增,已经成为许多城市及农村的新兴污染。文章采用牛粪消化液为接种物,在中温(36℃)条件下,对猪粪进行了干式厌氧消化中试试验,旨在探索其最佳的进料量、系统稳定性和潜在的氨抑制问题。研究结果表明,当进料量为600 kg·d~(-1)时,沼气产量,甲烷含量,VS降解率,物料产气率,甲烷产率分别为45~55 m~3·d~(-1),62%,50%,117~143 mL·g~(-1)VSd~(-1),72~88 mL·g~(-1)VSd~(-1)。从综合产气率和VS降解率两方面评价,当进料量为600 kg·d~(-1),该干式厌氧消化中试系统运行稳定、处理效率高,并可获得较好的产气效果。在该条件下,氨氮与游离氨浓度与系统产气性能没有直接线性关系,且在浓度分别高达5000 mg·L~(-1)和1100 mg·L~(-1)时系统没有明显的抑制作用,因为系统内的微生物尤其是产甲烷菌在高浓度氨氮的环境下受到一定程度的驯化,对高浓度氨氮有了更强的抵抗力。     

针对复杂物料的生活垃圾干式厌氧搅拌系统研究

搅拌是干式厌氧消化工艺中的关键设备,影响到整个系统成败的关键。文章首先对干式厌氧搅拌设备进行了模拟计算,搅拌轴的机械性能安全系数达到6.35,厌氧罐内的不同位置的流速在0.01 m·s~(-1)~0.6 m·s~(-1)之间,完全满足工程项目设计要求;并以北京沼气工程为例介绍了城市生活垃圾干式厌氧处理示范项目,处理规模50t·d~(-1),温度55℃,物料浓度28.6%,单位进罐垃圾的产气量达到93.65 Nm~3·t~(-1),甲烷含量在51.5%~64.3%之间,因此,干式厌氧搅拌设备的开发具有十分重要意义,有力地促进了干式厌氧技术在生活垃圾处理中的应用和发展。     

秸秆动态厌氧发酵影响因子研究

文章以玉米秸秆为例,研究了搅拌和进出料方式对秸秆厌氧发酵产气潜力的影响。结果表明,对于顶部进料动态厌氧消化装置,适当搅拌可以显著增加产气量,平均池容产气率比不搅拌反应器提高了65.4%。相对于底部进料,"顶部进料-搅拌"方式并没有表现出运行优势,其池容产气率仅提高了2%,并且表现出出渣困难。研究还表明,底部进料方式下秸秆高温(52℃±1℃)动态厌氧消化运行的最高有机负荷为4.71 kg TS·m~(-3)d~(-1)左右,产生的沼气中甲烷含量恒定在45%~47%之间。     

猪粪干式厌氧消化中试试验研究

试验采用牛粪消化液为接种物,在中温(36℃)条件下,对猪粪进行了干式厌氧消化中试试验。结果表明,随着进料量由300 kg·d~(-1)提高到450 kg·d~(-1),系统表现出了较好的稳定性,沼气产量为30~35m3·d~(-1),甲烷含量在57%~62%范围内,含水率下降到81%~82%,VS下降到71%~72%,VS去除率在40%左右,p H值在7.98~8.20范围内,碱度由15000 mg·L~(-1)升高到23000 mg·L~(-1)。随着试验的进行,系统氨氮浓度不断增加,为了防止氨氮抑制情况的发生,从第42天开始对出料进行固液分离,只回流沼渣,最后氨氮浓度稳定在5000 mg·L~(-1)左右,游离氨浓度在750 mg·L~(-1)左右,厌氧消化系统没有出现明显的抑制现象。但就产气情况来看,随着进料量的提高,产气量并没有上升,系统现阶段处于抑制平衡状态。     

搅拌频率对粪秸高含固率连续产甲烷反应器启动性能的影响

为实现粪秸清洁化、高效化厌氧产甲烷,试验在自制的纤维质物料高含固率连续产甲烷反应器中,以油菜秸秆和牛粪为原料,在中温条件(37℃±1℃)下研究了2个搅拌频率(8 r·min~(-1)和35 r·min~(-1))对该反应器启动阶段产甲烷效率的影响。结果表明,在仅添加牛粪和出料回填的条件下,低频率搅拌反应器(R1)和高频率搅拌反应器(R2)均能在5 d后稳定产气,产甲烷效率没有显著差异。在牛粪和秸秆混合进料、含固率分别为10%和15%的条件下,低搅拌频率会提高反应器甲烷产率,且会使物料在反应器内产生更加明显的空间异质性,反应器上部VFAs浓度显著高于下部。当TS=10%,进料VS为0.46 kg·d~(-1)时,R1的平均比甲烷产率和容积甲烷产分别为123.54 L·kg~(-1)VS_(added)和1.13 L·d~(-1),比R2高11.08%和10.78%;当TS=15%,进料VS为0.69 kg·d~(-1)时,R1的平均特殊甲烷产率和容积甲烷产率分别为94.84 L·kg~(-1)VS_(added)和1.31 L·d~(-1),比R2高11.68%和11.82%。上述研究结果为该反应器利用粪秸在高含固率条件下实现快速启动和高效产甲烷提供了理论依据和工艺参数。     

杭州天子岭餐厨垃圾厌氧消化沼气项目案例研究

厌氧消化技术可以有效降解餐厨垃圾中的有机组分,同时回收毛油和生物质能(沼气),是一条环境友好、可持续发展的绿色之路。文章对杭州天子岭餐厨垃圾厌氧消化项目进行介绍,并监测分析了100天的稳定运行数据,包括TS浓度,COD,沼气产量,pH值及脱硫效率等。该项目日处理餐厨垃圾200 t,容积负荷3.5 kg COD·m~(-3)d~(-1),COD降解效率为86.9%±1.9%,日产沼气13500 m~3,同时可回收2.5%的毛油,具有很高的环境效益和社会效益。     

渗滤液与菜场生物质垃圾厌氧消化研究

在CSTR系统下采用逐渐提高有机负荷的半连续进料方式,研究中温(35℃)条件下渗滤液与菜场生物质垃圾混合厌氧消化的规律和性能。研究表明,试验在有机负荷条件下,以垃圾填埋场渗滤液为培养液的CSTR厌氧消化系统能顺利的进入甲烷化阶段,两种不同物料填料下,甲烷产率均稳定。当有机负荷提升到1.25 gVS·L-1d-1时,系统出现了最大日产气量、最大日产甲烷量和最大单位产甲烷率,其中以菜场生物质垃圾为物料的VS分别为6.25 L·g-1,4.58 L·g-1和0.62 L·g-1;以菜场生物质垃圾与渗滤液按7∶3比例混合填料的VS分别为6.10L·g-1,4.15 L·g-1和0.67 L·g-1。1.25 gVS·L-1d-1有机负荷时,产气性能更佳。     

牛粪添加量对餐厨垃圾厌氧消化的影响

文章以餐厨垃圾和牛粪为原料,在餐厨垃圾16 g VS·L~(-1)的条件下,添加牛粪调节原料中餐厨垃圾与牛粪VS质量比为3∶1,2∶1,1∶1,1∶2和1∶3进行混合发酵,研究牛粪添加量对餐厨垃圾厌氧消化过程和产气效果的影响。结果表明,单独厌氧消化时,餐厨垃圾沼气产率和甲烷产率均显著高于牛粪。混合发酵时,消化过程中pH值先下降后上升,随着牛粪添加比例的提高,pH值下降程度变小,恢复上升速度加快;甲烷产量显著上升,但甲烷产率显著下降。餐厨垃圾和牛粪混合消化的甲烷产量均高于对应质量餐厨垃圾和牛粪单独厌氧消化产量之和,当牛粪的添加比例为2∶1时,甲烷产量提高效果最显著,提高率达到52.4%。可见,添加牛粪与餐厨垃圾进行混合厌氧消化可以增强消化体系的稳定性,提高厌氧消化效率。     

餐厨垃圾与青贮秸秆混合半连续厌氧消化

文章在中温(35℃)半连续实验条件下,以餐厨垃圾、青贮为原料,考察了4种混合比(10:0,9:1,8:2,6:4)原料的厌氧消化长期运行性能。结果表明,与单独餐厨垃圾厌氧消化相比,10%左右的青贮秸秆添加量能显著改善餐厨垃圾厌氧消化性能,在2.0 kg·m~(-3)d~(-1)负荷下,反应器内有机酸和SCOD浓度维持在较低水平;同时具有较高的有效碱度和较稳定的pH值;VS去除率在75%以上,单位VS产气量达到613 mL·g~(-1)VS。此外,研究发现,以餐厨垃圾为主要原料的厌氧消化系统容易出现乙酸型酸积累问题。     

污泥接种率对厨余垃圾糖化残渣沼气发酵的影响研究

该课题组根据厨余垃圾的特性,采用乙醇-甲烷组合发酵,即糖化分离后,糖化液进行乙醇发酵,糖化残渣进行沼气发酵。文章采用厨余垃圾糖化残渣(简称糖化残渣)作为发酵原料,接种消化污泥进行厌氧消化。在接种污泥:糖化残渣(以VS质量计,简写ISRs)=0.5,1.0,2.0,3.0条件下监测了发酵过程中的甲烷产量、有机酸含量及组成、碱度、pH值等发酵指标。结果表明:当ISRs为1.0时,糖化残渣沼气发酵的效果最佳,累积甲烷产量和有机物(VS)去除率分别达到263.73 mL·g~(-1)VS和57.78%。通过分析发酵过程中重要指标TVFA/碱度比值、丙酸浓度、丙酸/乙酸比值等,发现TVFA/碱度比值介于0.40～1.40时,糖化残渣甲烷产率相对较大;丙酸浓度需要控制在0.5 g·L~(-1)以下甲烷产率较高;丙酸/乙酸比值控制在小于0.10是糖化残渣沼气发酵稳定进行的必要条件。     

预处理和菌种驯化对剩余污泥连续厌氧消化的影响

为了提高剩余污泥厌氧消化的转化效率,文章探讨碱/超声联合预处理和菌种驯化对污泥厌氧连续消化的影响。实验结果表明:碱/超声联合预处理可以提高污泥的可生化性,污泥的SCOD增加了9742.9 mg·L~(-1),在后续的厌氧消化中甲烷产量提高20%;与原始菌种相比,驯化菌种可提高产甲烷量6%;污泥连续厌氧消化的最适有机负荷可达到2.3 kg VS·m~(-3)d~(-1),水力停留时间缩短为20 d。     

餐厨垃圾固相物料与厨余垃圾混合中温厌氧消化工程中试研究

试验采用有效容积为4 m^3的全混式反应器,在中温(35℃)的条件下,分别进行了单一餐厨垃圾固相物料(S1)、餐厨垃圾固相物料(S1)与厨余垃圾(S2)的混合物料(S3)(混合比为2∶1)厌氧消化工程中试。结果表明,单一餐厨垃圾固相物料(S1)厌氧消化最佳运行工况为进料有机负荷(OLR)为80 kg·d^-1,停留时间(HRT)为50 d;当OLR增至115 kg·d^-1时,其平均容积产气率由2.04 m^3·m^-3d^-1降至2.02 m^3·m^-3d^-1,气体甲烷含量由61.1%降至38.4%。混合物料(S3)日进料量由80 kg提升至120 kg时,平均容积产气率由2.11 m^3·m^-3d^-1升高至2.30 m^3·m^-3d^-1,甲烷含量亦由61.9%升高至63.8%。因此,将餐厨垃圾固相物料与厨余垃圾进行混合可以有效改善物料厌氧性能,其有机负荷以及甲烷产率均表现出明显优势。     

不同牲畜粪便厌氧发酵产沼气性能研究

为提高牲畜粪便厌氧发酵产沼气速率和综合利用率,文章以猪粪和牛粪及其混合物作为发酵原料,在常温条件下(25℃~35℃)进行厌氧发酵产沼气试验。结果表明:猪粪、牛粪及其混合物在发酵65 d内的累积产气量为15.42 m~3,5.33 m~3和11.30 m~3,单位TS产气率为0.33 m~3·kgd~(-1)TS,0.19 m~3·kgd~(-1)TS和0.30 m~3·kgd~(-1)TS,池容日平均产气率为0.16 m~3·m~(-3)d~(-1),0.055 m~3·m~(-3)d~(-1)和0.12 m~3·m~(-3)d~(-1)。猪粪甲烷含量在发酵开始9 d时稳定到50.0%以上,牛粪在发酵开始3 d时即达到57.5%,此后一直在50.0%以上,其混合组在发酵开始4 d时即达到59.7,此后一直在55.0%以上。不同牲畜粪便混合发酵能克服其单独发酵性能的不足之处,也是提高牲畜粪便产沼气速率和综合利用率的有效途径。     

以水葫芦汁液为基质的内循环厌氧反应器高负荷启动试验及效率分析

为探究内循环厌氧反应器高负荷启动试验,在常温条件下,文章对自行设计的内循环厌氧反应器进行了以水葫芦汁液为模拟废水的高负荷启动试验。结果表明:在启动运行55 d后,进水有机负荷可以达到5 kg·m~(-3)d~(-1)以上,COD去除率达到了93%,池容产气率达到了1.39 L·L~(-1)d~(-1),甲烷含量达到了69%,颗粒污泥粒径达到了4~5mm。通过对比分析,高负荷启动方式较传统的低负荷启动方式效率要高,因此,内循环厌氧反应器的高负荷启动方式是可行的、高效的,为以后内循环厌氧反应器的工程应用提供一种新的启动参考方式。     

沼气工程进料非稳态预热工艺设计

针对我国沼气工程普遍存在发酵温度低,冬季产气难的问题,笔者基于所在课题组开发的新型沼液换热器和现行沼气工程间歇进料的运行模式,以华东地区50～1000 m~3规模的沼气工程为研究对象,建立进料温度与时间相关的非稳态预热工艺。计算表明:容积产气率为0.5～1.0 m~3·m~(-3)d~(-1)的沼气工程所产生沼气量均能满足全年沼液预热的能耗需求;对于50 m~3,300 m~3,500 m~3,1000 m~3的沼气工程进料预热工艺所需单根沼液换热器数量分别为串联2根、串联6根、串联5根并联2组,串联8根并联2组;对改造后的沼气工程进行效益分析,以300 m~3沼气工程为例,使用新型沼液换热器后冬季(11、12、1、2、3月份)所产沼气富余量约为3539～14864 m~3天然气,处理COD为1239～5203 kg,效益显著。该进料预热工艺可满足华东地区沼气工程的中温发酵,实现全年的高效运行,对我国沼气工程的升级改造也具有重要意义。     

高温厌氧消化处理餐厨垃圾试验研究

以食堂餐厨垃圾为原料,经分拣及粉碎预处理,按一定比例投入50 L厌氧反应器。利用大型秸秆沼气中温厌氧反应器内沼液作为接种菌种,控制厌氧消化温度在55℃±0.5℃,连续监测系统pH值,沼气产量及沼气成分,进行餐厨垃圾的产气性能及规律评价试验。研究结果表明:采用中温沼液作为菌种经缓慢升温驯化,经30天连续厌氧试验,每吨含水率16.7%的餐厨垃圾可降解产生107~111 m3沼气,沼气中甲烷含量约53%,硫化氢含量低于150 mg·m-3。餐厨垃圾厌氧消化初期酸化迅速,设计及调试过程中应控制进料有机负荷。     

黑龙江省生猪养殖废水沼气工程最适运行温度模拟分析

文章利用猪粪水半连续厌氧发酵实验数据和黑龙江省近五年的逐日气温,计算了黑龙江省沼气工程的最适运行温度。计算结果表明:在14℃～35℃,有机负荷为3 gVS·L~(-1)d~(-1),水力停留时间为15天的条件下,黑龙江省沼气工程的最适运行温度均为20.6℃,此时产能与耗能的比值为1.17。根据黑龙江省历史日平均最低温度计算了沼气工程厌氧反应器的保温层厚度,并在黑龙江省进行了沼气工程验证,结果表明:在黑龙江地区,当保温材料PS厚度为86 mm厚时,沼气工程的日最大温降小于0.5℃,池容产气率大于0.5 m~3·d~(-1)L~(-1)。该文可为寒区沼气工程节能增效提供计算方法和技术支持。     

沼液回流提升推流式厌氧反应器运行效果研究

为了研究沼液回流对推流式厌氧反应器(PFR)厌氧消化效率的影响,文章采用有效容积为36 L的PFR,以牛粪为底物,进料浓度TS为7～10%,发酵温度38℃±1℃,水力停留时(HRT)为20 d条件下连续运行100 d。结果发现:50%的沼液回流能够提升反应器产气效率,在沼液回流运行期,日产气量最高达到57.92 L·d~(-1),容积产气率为1.58 L·L~(-1)d~(-1),甲烷含量为68.9%。平均挥发性有机物产气率为433.03 L·kg~(-1) VS (干物质产气率为366.99 L·kg~(-1) TS),相比于未回流沼液运行期提升42.46%,底物转化效率提高了17.84%。通过对沼液回流运行期的微生物群落组成分析可以看出,细菌主要以Firmicutes和Bacteroidetes具有降解纤维类及大分子的水解酸化菌为主。古菌则以Methanothrix和Methanospirillum为绝对的优势产甲烷菌为主。该研究结果可为以牛粪为原料的大型沼气工程提高整体效率和能量输出提供基础参考数据。     

果汁生产废弃烂果的产甲烷能力及厌氧消化影响因素研究北大核心

为了有效处理苹果汁工业生产过程中产生的高碳氮比(C/N=51.4)和低碱度的固体废弃物烂苹果,该研究采用序批式和连续式发酵工艺,评估烂苹果的厌氧消化产甲烷能力,并考察了氮源、碱度的添加和回流工艺对反应体系稳定和产甲烷效率的影响。研究表明,烂果的比甲烷产率可到达472.1 m L·g^(-1)VS。添加40 mg·g^(-1)TSNH_4Cl和50 mg·g^(-1)TS Na_2CO_3可以补充厌氧消化反应中消耗的碱度和氮源,提高反应体系的缓冲能力,并分别提升比甲烷产率11.6%和1.2%。消化污泥的上层固体的回流有助于提高反应效率,实现资源和能量的回收利用,负荷为1.6 g TS·L^(-1)d^(-1)时烂果的比甲烷产率可以达到398.0 m L·g^(-1)VS,提高22.3%,烂苹果中89.9%的能量能以甲烷的形式回收。