NaOH预处理甘蔗叶与猪粪-牛粪混合厌氧消化工艺参数优化

为探究Na OH预处理甘蔗叶与猪粪、牛粪混合厌氧消化性能,该文在研究甘蔗叶分别与猪粪、牛粪不同配比厌氧消化性能及动力学特性的基础上,采用Box-Behnken试验设计方法开展3种物料混合厌氧消化试验,并运用响应曲面法模拟和优化温度、混配比、C/N 3个工艺参数。结果表明,甘蔗叶与动物粪便混合厌氧消化时产生了协同作用,累积沼气产量比假设未产生协同作用的理论计算值提高了8.13%～15.01%;修正的Gompertz模型可以较好地模拟2种物料混合厌氧消化的动力学过程,相关度系数大于0.998;甘蔗叶与猪粪/牛粪(1:1)混合(甘蔗叶与粪比为1)厌氧消化的最优工艺条件为:温度36.5℃,C/N比27∶1,该条件下混合物料的单位干物质产沼气量实测值为337.5m L/g,与预测值(331.92 mL/g)非常接近。     

固体浓度对猪粪厌氧消化甲烷产出特性的影响

利用自动甲烷潜力检测仪(AMPTS),在35℃条件下,设置TS2%、TS6%、TS10%和TS14%共4个总固体浓度的猪粪水进行厌氧消化试验,观测其日产气量及其甲烷浓度的变化过程。结果表明:各处理的日产气量均在第一天达到最高值,并随着消化天数的增加逐渐下降,固体浓度越高产气结束越晚。固体浓度越高初期产生的甲烷浓度越低,但随发酵时间延长高浓度处理的甲烷浓度逐渐提高,TS6%处理后期产甲烷浓度最高可达76.1%。在TS2%~10%时随固体浓度升高甲烷的总产量逐渐提高,而TS14%处理与TS10%处理的甲烷总产量无显著差异。计算表明,TS2%、TS6%、TS10%和TS14%处理的单位化学需氧量(CODcr)产甲烷率分别为311.5、409.7、488.8和357.4mL/g,单位挥发性总固体量(VS)产甲烷率分别为330.1、491.3、473.1和333.4mL/g,其中TS6%和TS10%处理的单位甲烷产率较高。说明固体浓度对猪粪厌氧消化过程及甲烷产率有较大影响,选择适宜的固体浓度有利于提高厌氧消化的甲烷产率。研究结果可为猪场沼气工程控制参数选择和粪便管理温室气体清单编制提供数据参考。     

稻草与鸡粪配比对混合厌氧消化产气率的影响

为获得稻草与鸡粪混合厌氧消化较佳的原料配比,以稻草和鸡粪为原料,在初始挥发性固体(VS)负荷为6%和中温(37℃)条件下,考察不同的稻草与鸡粪VS配比(0:1、1:2、1:1、2:1、1:0)对混合厌氧消化过程的影响。结果表明,不同配比条件下厌氧消化均没有出现挥发性有机酸或氨氮抑制,整个发酵过程的pH值稳定在6.8～8.2;与稻草和鸡粪单独厌氧消化相比,混合厌氧消化能够显著提高原料产气率;在稻草与鸡粪VS比分别为0:1、1:2、1:1、2:1、1:0时,实际挥发性固体甲烷产率分别为212.43、240.45、250.28、206.09和178.03mL/g,实际平均甲烷体积分数分别为58.8%、50.5%、50.8%、49.2%和50.1%;C/N在11.2～47.5,甲烷产率和沼气产率的实际值与理论值之比(Ya/Ym)呈现先上升后下降趋势,在C/N为17.8时,Ya/Ym达最大值。在中温厌氧消化工程应用中,建议稻草与鸡粪VS比为1:1,或控制配比后混合原料的C/N约为17.8,设计发酵停留时间为23d,挥发性固体产气率为446mL/g。     

接种比例对猪粪与蓝藻混合发酵产甲烷的影响

在35℃条件下,利用猪粪为接种物,对接种比例（inoculum to substrate ratios,ISRs）（质量比）分别为3.0,2.0,1.0,0.5和0.25时的猪粪与蓝藻混合发酵进行研究,通过对厌氧分批发酵过程中的甲烷产量及特定影响参数的研究,寻找发酵过程中参数变化的规律,结果表明,ISRs在2.0时,蓝藻发酵产甲烷的效果达到最佳。在不同ISRs情况下,整个产气过程符合Cheynoweth方程,决定系数R2都在0.97以上;对蓝藻的生物降解率（Biodegradabilities,BD）的研究结果表明,上述ISRs条件下,蓝藻的BD（%）值分别为46.5,68.5,44.8,29.2和14.2;最后对发酵液中的pH值、挥发性固体、挥发性有机酸进行了研究,初步总结了各参数的变化规律,为蓝藻的资源化利用提供依据。     

猪粪与马铃薯皮渣混合厌氧发酵产氢特性

为了提高厌氧产氢菌利用复杂物料的产氢能力和稳定性,该文研究了猪粪与马铃薯皮渣混合质量比对厌氧发酵产氢的比产氢率、挥发性固体去除率、液相末端产物组成等发酵特性的影响。试验结果表明,底物组成显著影响产氢发酵的发酵类型。以单纯马铃薯皮渣为底物时,体系的比产氢率最高达31.55mL/g,挥发性固体去除率为29.43%,发酵类型为丁酸型;当猪粪在发酵底物中的质量比从10:70提高至40:40后,体系的发酵类型由丁酸型转变为乙酸型,同时维持了较高的比产氢率(22.48～24.18mL/g)和挥发性固体去除率(28.31%～32.93%)。但是当猪粪逐渐变为主要发酵底物(猪粪与马铃薯皮渣质量比为50:30、60:20、70:10、80:0)时,发酵逐渐受到抑制,系统的比产氢率和挥发性固体去除率都明显下降。采用Modified Gompertz模型可以很好地拟合累积产氢量随时间的变化,其动力学参数最大产氢量、最大产氢速率和停滞时间可以作为混合物料产氢发酵代谢过程的重要评价指标。该研究为优化混合物料厌氧产氢发酵过程提供参考和依据。     

搅拌转速对稻草厌氧消化性能的影响

为了提高稻草厌氧消化效率,采用批式厌氧消化,研究了不同搅拌转速（高转速120 r/min、中转速80 r/min和低转速40 r/min）对稻草厌氧消化性能的影响。结果表明,搅拌转速对稻草厌氧消化的产气性能有很大影响。高转速搅拌时厌氧消化效果较好,单位挥发性固体VS产气量为451.6 mL/g,分别比中转速搅拌和低转速搅拌提高了20%和107%;高转速搅拌的消化时间T80为46 d,比中转速搅拌缩短了16 d。高转速和中转速搅拌时,厌氧消化反应器的混合效果良好,物料混合均匀,系统中适宜的pH值和较高的碱度有利于维持系统的稳定和较高的微生物活性,其总固体TS、挥发性固体VS降解率均高于低转速搅拌,产气性能明显优于低转速搅拌。因此,增加搅拌转速可以提高稻草的厌氧消化性能。     

含固率和接种比对猪粪中温厌氧消化特性的影响

利用全自动甲烷潜力测试仪(AMPTSII),通过猪粪中温批式厌氧发酵试验,比较了不同含固率(4%、6%、8%)和接种比(r_(I/S)=1.5、2.0、3.0)对猪粪产气特性的联合影响。结果表明,含固率和接种比对产气速率及累积甲烷产量均有显著影响,且含固率对厌氧消化产气特性的影响大于接种比。在试验研究参数范围内,单位底物累积甲烷产量随接种比的增加而增大,随含固率的提高呈现先增加后减小的趋势,在含固率为6%,接种比为3时,获得最大累积沼气产量和甲烷产量,分别为469.1m L·g~(-1)VS和333.2m L·g~(-1)VS。在本试验研究条件下,含固率越低,接种比越高,越有利于提高日平均产甲烷速率,缩短反应迟滞期。动力学模型参数表明,First-order模型较修正的Gompertz模型能更好地模拟猪粪厌氧发酵产甲烷规律,且在一定程度上,接种比例越大,含固率越高,First-order模型对试验数据的拟合精度越高。     

氨化预处理对稻草厌氧消化产气性能影响

为了节省秸秆厌氧消化阶段另加N源调配营养的运行成本,同时又要保持良好产气效率。本试验选用氨化法对秸秆进行预处理,研究了不同浓度的氨对稻草厌氧消化产气性能的影响。以NH3·H2O为预处理药剂,按2%、4%、6%（相对于稻草的干质量）的NH3质量分数对稻草进行氨化,分别以50、65、80 g/L 3个不同负荷进行厌氧消化。结果表明：不同浓度的氨化预处理中,4%NH3氨化预处理效果最好。在65 g/L负荷率下,4%NH3预处理的消化70 d累积产气量为37?010 mL,消化产气量达总体积的90%（计T90）时产气量为33?920 mL,分别比未预处理稻草、2%和6%NH3预处理稻草T90时产气提高了38.3%、14.6%和8.2%,甲烷总产量分别提高了34.8%、15.1%和9.6%,比未预处理稻草同期（45 d）累积产气量以及甲烷总产量分别提高了60.8%和60.3%,产气周期提前10 d结束。消化后总固体（TS）、挥发性固体（VS）的减少量分别由41.6%和46.6%提高到了46.4%和58.6%,半纤维素和木质素质量分数分别由27.7%和6.9%减少到20.8%和5.2%,粗蛋白质量分数从4.0%提高到10.1%。本研究提供了一个有效地提高产气量的方法,研究结果将为大中型秸秆沼气工程提供设计依据。     

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。     

水热预处理对猪粪厌氧消化及沼液生态安全性的影响

为进一步提高猪粪在厌氧消化过程中水解性和产甲烷性能,同时增加猪粪沼液还田利用途径的生态安全性,该研究采用水热的方式对猪粪进行预处理,探究了不同温度（70、90、120、150和170 ℃）水热预处理对猪粪的理化特性和厌氧消化产甲烷性能的影响,并对其沼液的生态安全性进行评估。结果表明,不同温度水热处理30 min条件下,猪粪SCOD（Soluble Chemical Oxygen Demand,溶解性化学需氧量）增加了3.9%～43.6%;经150 ℃水热处理后的猪粪获得最高的产甲烷量(398±40) mL/g（以VS计算,Volatile Solid,挥发性固体）,相对于未经处理猪粪的产甲烷量显著提高了5.6%（P<0.05）。猪粪经150 ℃水热预处理和厌氧消化后的沼液中重金属Hg、As、Pb、Cr和Cd含量均满足《农用沼液（GB/T 40750-2021）》的限量要求;粪大肠杆菌的含量满足《粪便无害化卫生要求（GB7959-2012）》;土霉素大幅度降低,恩诺沙星、磺胺嘧啶和诺氟沙星的含量均低于检测限。因此,适当的水热预处理（150 ℃）不仅能够提高猪粪的厌氧消化产甲烷性能,并且能够进一步加强粪污无害化处理和降低沼液还田利用的环境风险。     

水稻秸秆和玉米秸秆在好气和厌氧条件下的腐解规律

采用室内模拟培养的方法,研究了水稻秸秆和玉米秸秆在好气和厌氧条件下的腐解规律。结果表明:在0~3个月的培养时间内,水稻秸秆和玉米秸秆腐解较快,腐解率达55%以上。在好气培养条件下,水稻秸秆和玉米秸秆质量减少50%所需要的时间(t_(1/2))分别为59.2 d和52.9 d,而在厌氧培养条件下的t_(1/2)分别为72.6 d和79.9 d。水稻秸秆和玉米秸秆在好气培养条件下的碳释放速率常数k(0.61~0.6月~(-1))高于其在厌氧培养条件下的碳释放速率常数k(0.55~0.57月~(-1))。水稻秸秆和玉米秸秆在好气培养条件下的氮释放速率常数k(0.25~2.36月~(-1))也高于其在厌氧培养条件下的氮释放速率常数k(0.16~2.32月~(-1))。水稻秸秆和玉米秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量在好气培养条件下的减少速率高于其在厌氧培养条件下的减少速率。综上所述,好气培养条件有利于作物秸秆降解和营养物质的释放。     

秸秆干式厌氧发酵渗滤液回流技术研究

采用室内模拟试验方法,研究了秸秆干式厌氧发酵渗滤液回流量、回流方式对产气量的影响,分析比较了渗滤液的COD、VFA、pH变化以及其与产气率的相互关系。结果表明,在中温、底物浓度（TS）为18%条件下,发酵培养43 d,以0、0.2、0.4、0.6、0.8 L·d^-1的量回流,不同回流量处理间累积产气量差异不显著。底物浓度为20%、发酵84 d条件下,每天回流与产气趋势下降后回流以及两相法回流其总产气量较不回流对照分别提高了9.53%、23.13%、12.74%,其中以产气趋势下降后再回流的方式为最优。     

牲畜粪便与秸秆混合的厌氧发酵效果及影响因素分析

为进一步明确混合原料厌氧发酵效果及影响因素,以牛粪、鸡粪和麦秆为发酵原料,按总固体质量比分别设定了单一原料、两种及3种原料混合发酵组,分别在20℃和35℃下进行厌氧消化试验,研究了原料不同比例混合、温度、C/N比和pH值对厌氧发酵效果的影响。结果表明,原料混合发酵可显著提高总产气量、TS利用率和TS产气率;牛粪、鸡粪和麦秆3种原料混合后发酵效果显著好于单一原料以及牛粪与麦秆、鸡粪与麦秆两种原料混合的发酵效果。中温发酵效果显著好于低温发酵;牛粪、鸡粪与麦秆混合厌氧发酵的最适C/N比为25.64～27.54;混合原料发酵的pH值变化平稳且更容易维持在发酵适宜pH范围内。原料混合、温度、C/N比和pH值对厌氧发酵均有影响。     

底物浓度和接种率对稻秸沼气启动的影响

采用室内模拟方法,在35℃恒温条件下,研究底物浓度和接种率对稻秸沼气发酵启动的影响。结果表明,纯稻秸厌氧发酵时必须加大接种量。与TS为12%和20%的处理相比,TS浓度为16%产气速度为最佳,其产气启动快,发酵第7d即达产气高峰,且甲烷含量达50%的时间分别提前了4d（TS12%）和1d（TS20%）,前20d的平均容积产气率达0.63L·L^-1·d^-1,分别提高42.30%（TS20%）和69.01%（TS12%）。总之,纯稻秸发酵时以TS为16%的启动效果最佳,试验中的接种比例为稻秸TS量的3倍（TS比）。     

温度对畜禽粪便稻草混合干式厌氧发酵的影响

通过在畜禽粪便中添加稻草进行混合干式发酵来产生沼气,在发酵原料C/N=28.3、TS=21.3的条件下,研究了常温、中温（36℃）和高温（55℃）条件对畜禽粪便稻草混合干式厌氧发酵产沼气性能的影响。结果表明,常温组启动慢,日产气量少,不宜进行干式发酵;中、高温条件下干式发酵具有较好的产气效果,中温是较为合适的发酵温度。中温组和高温组的有机负荷率分别为1.69kg·m^3·3d^-1和1.89kg·m^3·3d^-1,TS产气率分别为0.237m^3·kg^-1和0.208m^3·kg^-1,池容产气率分别为0.401m^3·m^-3·d^-1和0.393m3·m^-3·d^-1,实验研究结果对干式发酵的实际应用具有一定的指导意义。     

人粪与不同原料配比对厌氧发酵产气影响

为提高人畜粪便和农作物秸秆资源化有效利用提供科学依据,研究了人粪与各种不同原料混合发酵的产气效率。试验通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置,以人粪、牛粪、鸡粪和玉米秆为消化原料,以常温厌氧发酵池的底物为接种物,在总固TS质量分数为8%条件下,进行批量厌氧消化试验,研究人粪分别与牛粪、鸡粪和玉米秆按不同比例（干物质质量比为1∶1、2∶1、3∶1）混合发酵的产气速率、累积产气量的变化。结果表明,在25℃恒温条件下,人粪与3种原料的混合发酵,均能正常产气,均能在厌氧发酵开始后的5～14d达最大产气速率,在30d左右各自的累积产气量均能达到总产气量的87%～92%,其中人粪与牛粪的混合产气效率最好,各组物料的3种配比的平均累积产气量分别为26713、21281和21227mL,各组物料的最优配比的最高产气速率分别为1500、1260和1100mL·d^-1。在25℃下,人粪与牛粪混合发酵的最优配比为3∶1,人粪与鸡粪的为1∶1以及人粪与玉米秆的为3∶1,为人粪与不同原料配比的混合厌氧发酵提供了参考依据。     

粪秆结构配比厌氧发酵中pH、VFA与产气效果的关系

为探索发酵原料产气量与pH值、挥发性脂肪酸之间的关系,确定最佳原料配比以及发酵温度是关键。通过试验在恒温条件下以不同配比的鸡粪、麦秆混合物为原料,在25～40℃范围内进行厌氧发酵,研究pH值和挥发性脂肪酸对沼气产量的影响。结果显示,在约50d的发酵过程中,以40℃、鸡粪和麦秸3∶1处理的（简称鸡麦3∶1）累积产气量最高,达11492mL,25℃、鸡麦3∶1处理的累积产气量最低,为6227mL。在25、30℃发酵条件下,随着麦秆比例的增加,产气量逐渐增加;在35、40℃发酵条件下,随着麦秆比例的减少,产气量逐渐增加。pH值与日产气量成正比,而挥发性脂肪酸与日产气量成反比。     

辐照预处理水稻秸秆酶解糖化与发酵产乙醇工艺

为探讨辐照预处理后木质纤维素在未脱毒的前提下发酵产乙醇的可行性,本研究以水洗脱毒的水稻秸秆为对照,对未采取脱毒处理的水稻秸秆进行酶解糖化与发酵产乙醇研究.结果表明:在15％底物浓度下,水洗脱毒对辐照水稻秸秆在酶解转化率和乙醇转化率没有明显提高,酶解72h后辐照秸秆和对照的纤维素转化率分别为64.11％和63.50％,同步糖化发酵72h后乙醇转化率分别为65.70％和67.45％;经物料衡算,100g水稻秸秆原料经射线辐照预处理或辐照水洗脱毒预处理后,再进行糖化发酵,可分别获得11.04g和9.62g乙醇.本研究为辐照在燃料乙醇领域的应用提供了参考.     

小麦秸秆的氨化厌氧发酵工艺及影响因素研究

为了提高小麦秸秆的产气效率,利用4.5%的尿素对其进行氨化预处理,并将预处理后的秸秆进行厌氧发酵,分别研究了氨化时间对预处理效果的影响及在不同温度和原料组分配比下的氨化厌氧发酵过程。结果表明：氨化预处理20d后的秸秆COD溶出量与未添加预处理剂相比增加了95.43%,VS增加9.07%,在第15d时已达20d溶出总量的94.61%,采用扫描电镜（SEM）及视频光学接触角扫描仪（GBX）观察发现,氨化15d已可有效破坏秸秆的纤维结构,增加表面亲水性能;在预处理后的发酵实验中,中温发酵（35℃）显现出明显的产气优势,经40d厌氧发酵TS产气率可达193.8mL.g-1;当发酵原料组分配比为秸秆：牛粪：污泥=1：0.5：0.5（干物质质量比）时,其厌氧发酵的累积产气量最大,达6505mL。