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。     

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。     

射流搅拌提高牛粪中温厌氧发酵产沼气性能

现有中温沼气工程的搅拌方式以机械搅拌和沼液回流搅拌为主,存在产气率低、设备难以维护、长期运行不稳定等问题。该研究设计了一种射流搅拌技术,集沼液回流搅拌和沼气搅拌于一体,试验用于牛粪中温厌氧发酵产沼气。通过沼气产率、营养基质消耗、微生物种类和数量的变化等方面分析射流搅拌强化牛粪中温厌氧发酵产气的效果及机理。结果表明:发酵期30 d内,无搅拌、机械搅拌、沼液回流搅拌和射流搅拌的总产气量分别为52.34、64.30、61.97和71.22 L;原料产气量分别为0.238、0.292、0.282和0.324 L/g,射流搅拌厌氧反应器的原料产气量比无搅拌、机械搅拌、沼液回流搅拌分别提高了36.1%、22.9%、18.4%;射流搅拌方式中化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)降解率最高达到60.8%;在产甲烷高峰期发酵第10天左右,射流搅拌反应器内产甲烷菌最大值达2.0×108个/m L;挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)浓度的降速较其他有搅拌方式快,VFA无积累,不受高浓度VFA的产物反馈抑制或底物抑制。     

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。     

粪草比对干式厌氧发酵产沼气效果的影响

弄清粪草比对干式厌氧发酵产气效果的影响,对改进干式厌氧工程具有重要意义。该文按A、B、C、D设计了4组试验：A组为单独猪粪,B组为单独稻草,C组为猪粪与稻草质量比2︰1,D组为猪粪与稻草质量比1︰2。试验进行了62 d,反应温度设定为（35±1）℃,各组反应的TS（总固体）浓度均为30%。结果显示,产气曲线出现拐点的时间A组在第48 d,B组在第40 d,C组在第26d,D组在第25 d。C、D两组总产气量分别为15715 mL和13186 mL。而根据A、B两组单独原料产气量推算,C、D两组的产气潜力分别为15168 mL和13838 mL。实际测量值与计算值没有显著差别。调节粪草比可以从原料转化速率方面促进发酵效率,并不能提高原料的产气潜力。因此,粪草比改善的优势可能是改良原料结构和调节原料营养,而不是改善发酵原料的转化潜力。     

梯度提高进料浓度对鸡粪连续中温发酵产甲烷的影响

通过长期中温甲烷发酵试验,考察了不同进料总固体质量分数(total solid,TS)(5%、7.5%、10%和15%)和有机负荷(organic loading rate,OLR)(2.5、3.75、5和7.5 g/(L·d))下鸡粪中温甲烷发酵效果,采用批次试验测定了各阶段污泥利用乙酸的产甲烷活性。330 d的连续试验显示,TS由5%增至15%,出料氨氮质量浓度由(2 110±370)mg/L增至(6 890±220)mg/L,挥发性脂肪酸由(360±100)mg/L增至(8 800±500)mg/L,TS产甲烷率由(253±9)m L/g降至(173±22)m L/g。长期采用TS10%和15%的进料,氨氮质量浓度分别达到(6 510±300)和(6 890±220)mg/L,TS产甲烷率分别为(203±13)和(173±22)m L/g,比TS5%的降低了20%和32%。批次试验结果表明,氨氮累积导致微生物利用乙酸产甲烷的能力降低,当氨氮质量浓度达到6 500和7 000 mg/L时,乙酸产甲烷活性分别降低59%和98%。鸡粪中温甲烷发酵能够在进料TS为5%和7.5%下稳定运行;进料TS达到10%,甲烷发酵水解、酸化和产甲烷将受到抑制,造成有机物转化率的降低。该研究建议鸡粪中温甲烷发酵的TS不超过10%。     

花生秧厌氧发酵产沼气试验

试验以花生秧为原料,采用厌氧发酵工艺,对其沼气发酵潜力进行研究,结果表明花生秧沼气发酵潜力达0.349m3/Kg。采用正交试验方法对花生秧沼气发酵的工艺参数优化配置进行了研究,结果表明发酵温度,发酵料液总固体浓度,pH值对其发酵结果均有不同程度影响,其中发酵温度和总固体浓度对沼气产量和甲烷产量的影响显著。最优的工艺条件为：发酵温度35℃,总固体浓度20%,pH=7.5,接种量1∶1。添加一定比例牛粪能明显提高产气速度。该文为规模化利用花生秧生产沼气提供了参考。     

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。     

玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵产沼气工艺优化

该研究针对农村户用沼气发酵中粪便类发酵原料不足、影响沼气池利用率的问题,为弥补沼气发酵原料单一及不足,将秸秆、粪便混合作为发酵原料,对秸秆粪便混合原料厌氧发酵产沼气的工艺条件进行优化研究,旨在为农村户用沼气工程的健康、稳定运行提供一定的科学依据。在前期单因素试验的基础上,采用二次回归正交旋转组合设计,以产气量为响应值,研究玉米秸秆与猪粪质量比、温度、pH值、接种物质量分数4个因素对玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵的影响,得出产气数学模型,并对数学模型进行了理论分析。通过上述试验研究,得到最佳工艺条件为:玉米秸秆与猪粪质量比为1∶1、pH值为7.5、接种物质量分数为50%、温度30℃,预测产气量为18.51 L。4因素影响主次顺序依次为原料玉米秸秆与猪粪质量比、温度、接种物质量分数、pH值;通过验证分析,模型预测值与试验值之间相对误差小于5%,方差分析不显著,模型拟合较好,为提高粪便秸秆混合原料发酵产气量和提高发酵效率提供参考。     

牛粪固液分离液两相厌氧发酵技术

与单相沼气发酵相比,两相厌氧发酵具有有机负荷大、发酵稳定性高、水力停留时间短、产气效率高的特点,为了提高牛粪厌氧发酵效率,该文在中温（35±2）℃条件下对牛粪加水固液分离后分离液进行两相厌氧发酵试验研究,在发酵液体积为5L,总固体质量分数为6.60%,产酸相水力停留时间为3 d,产甲烷相水力停留时间为7 d,后发酵1 d的条件下,化学需氧量去除率达到52.81%,底物（以挥发性固体计）的产气率达到181.45 L/kg,研究结果为提高牛粪资源化利用效果提供了一定的参考价值。     

香蕉秸秆与牲畜粪便固体联合厌氧发酵产沼气的特性

为了探讨香蕉秸秆与牲畜粪便的组合对固体厌氧发酵产沼气特性的影响,该文在20%的固体质量分数和中温(35±1)℃条件下,分别开展了不同质量分数的牛粪或猪粪与香蕉秸秆的联合厌氧发酵产气性能的比较研究。结果表明,与香蕉秸秆单独厌氧消化相比较,分别组合质量分数为75%的牛粪和猪粪,沼气累积产量可提高1.3～2.0倍。虽然组合猪粪或牛粪皆可改善底物厌氧消化产气性能,促进产气量的提高,但二者对改善底物的厌氧产气特性的影响不同,组合猪粪可以显著增强产气效率。对于猪粪与香蕉秸秆的组合底物,当猪粪的质量分数为50%时,甲烷产率和累积甲烷产量达到最高值,分别为191 mL/g和12.7 L,较牛粪与香蕉秸秆的组合底物分别提高了69%和92%。而沼气产率和累积沼气产量最高值出现在猪粪的质量分数为75%时,较牛粪与香蕉秸秆的组合底物分别提高了18%和32%,达到365 mL/g和23.9 L。此外,2种牲畜粪便的组合亦可显著增强底物中纤维素和半纤维素降解,它们的降解率相较于香蕉秸秆单独厌氧消化最高可提高1.2和3.6倍。该文研究结果可为香蕉秸秆和牲畜粪便固体厌氧产沼气工程提供参考。     

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。     

农村生活垃圾半连续式厌氧消化产沼气性能及H2S含量控制

为探究农村生活垃圾厌氧消化过程及对H_2S产量的抑制,采用半连续完全混合式反应器,对农村生活垃圾进行半连续式厌氧消化试验,分析在不同有机负荷下厌氧消化系统中有机质的降解性能、产气性能及稳定性,确定生活垃圾厌氧消化最佳有机负荷。同时设计生活垃圾与浓缩污泥不同配比的序批式厌氧消化试验,观察沼气中H_2S含量的变化。研究结果表明:有机负荷为4 g/(L·d)时,产甲烷率上升最为显著,系统稳定运行且生活垃圾的有机质利用率较高;随着浓缩污泥添加量的增加,H_2S含量降低明显,当生活垃圾与浓缩污泥的VS质量比(VSRSW∶VSCS)为1∶0.25,1∶0.5,1∶0.75时,H_2S的降解率分别达到85.15%,88.18%,96.20%。生活垃圾与浓缩污泥的成分分析得出2种物料的金属含量并无明显差异,但浓缩污泥中的腐殖质含量远远高于生活垃圾,进而判断污泥中的腐殖质含量一定程度的影响厌氧消化系统中H_2S的产量。     

有机生活垃圾半干发酵菌群的分布变化特征

为了研究有机生活垃圾厌氧发酵中菌群的分布变化特征,以有机生活垃圾为生物质资源,进行半干式厌氧发酵试验。采用最大或然数法(most probable number,MPN)分析发酵过程中厌氧菌群时间和空间上的数量变化。结果表明:厌氧菌中产酸菌先于氨化菌达到最大值并占据优势地位,产甲烷菌在启动阶段初期基本没有增殖,第25天左右达到最大值3.2×109个/m L,随后产甲烷菌在整个盛产期数量维持在这一数量级上。厌氧纤维素降解菌菌数呈现缓慢增长的趋势,直到投料的第45天才增加到106个/m L。空间上厌氧产酸菌和甲烷菌的数量均是在基质条件稳定的中部位置和流动性较好的底部位置较多;厌氧氨化菌数量较多的为中部边缘和中部中心位置;厌氧纤维素降解菌主要在底部增殖。初步构建了产酸菌与产甲烷菌时间和空间的动力学模型,模型拟合效果良好,可为厌氧发酵工艺提供参考。该文对有机垃圾制取生物燃气的工艺过程具有理论指导意义。