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。     

法国梧桐落叶厌氧消化产沼气潜力及动力学研究

文章以法国梧桐落叶为原料,在35℃±2℃的中温条件下进行批式厌氧消化试验,发酵原料VS(挥发性固体)浓度设为2%,运行时间为50 d。结果表明,发酵过程中p H值先下降后上升,最后稳定在7.25左右,VFA呈先上升后下降的趋势,最终低于500 mg·L~(-1)。氨氮含量最高达700.4 mg·L~(-1),未出现氨氮抑制,SCOD整体呈现下降趋势,发酵结束时在1000 mg·L~(-1)以下。法国梧桐落叶TS(总固体)产气率为313.65 m L·g~(-1),VS产气率为356.76m L·g~(-1),TS和VS降解率分别为28.36%和33.41%,累积产甲烷量为8628.50 m L,单位原料甲烷产率为148.92m L·mg~(-1)。以修正后的Gompertz方程对厌氧消化过程进行动力学拟合,方程相关系数为R~2=0.9965,修正后的Gompertz方程能够真实地表征法国梧桐落叶厌氧消化过程。     

不同温度和有机负荷下猪场粪污沼气发酵产气性能

文章通过猪场粪污半连续沼气发酵试验,研究不同温度(10℃,15℃,20℃,25℃,30℃,35℃)和不同有机负荷条件下的产气性能,评估污染物去除效果,出水p H值,NH_3-N和挥发酸等指标变化特征。结果表明:最大容积产气率取决于温度,在10℃,15℃,20℃,25℃,30℃,和35℃温度下的最大容积产气率分别是0.071 L·L~(-1)d~(-1),0.271 L·L~(-1)d~(-1),1.173 L·L~(-1)d~(-1),1.948 L·L~(-1)d~(-1),2.196 L·L~(-1)d~(-1),2.871 L·L~(-1)d~(-1);此时COD去除负荷分别为0.760 g COD·L~(-1)d~(-1),0.943 g COD·L~(-1)d~(-1),3.053 g COD·L~(-1)d~(-1),4.010 g COD·L~(-1)d~(-1)和4.693 g COD·L~(-1)d~(-1),COD去除率分别为71.8%,82.6%,80.3%,87.9%,88.1%和88.8%。在10℃~35℃温度下,挥发酸浓度均随着有机负荷的增加而增加。在20℃~35℃的高有机负荷阶段,已产生挥发酸积累的现象,但均在1000 mg·L~(-1)以下,未达到抑制浓度;在10℃,当有机负荷1 g TS·L~(-1)d~(-1),挥发酸浓度1000 mg·L~(-1),容积产气率开始下降。     

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。     

易腐垃圾干法厌氧沼气工程工艺运行分析

文章对近1年来厦门市生活垃圾分类处理厂厌氧沼气工程的工艺、生产运行状况进行了分析和汇总,结果表明:水平推流式干法厌氧发酵工艺适合易腐垃圾厌氧消化和沼气生产。该型发酵工艺进料适应性广,易腐垃圾TS 20%~53%,VS 40%~70%均可正常进料;运行固含量20%~28%,运行有机负荷率(OLR)达到12 kg VS·m~(-3)d~(-1);平均容积甲烷产率约3.2 Nm~3·m~(-3)d~(-1),有机质降解率(ηvs)60%~70%,有机干物质甲烷产率平均约300 Nm~3·t~(-1)。确定了易腐垃圾在pH值7.5~8.3,VOA/TAC 0.4~0.6,乙酸含量100~1500 ppm条件下,工艺运行稳定、甲烷产率高。     

氨水与冻融复合改性玉米秸秆对其高温厌氧消化过程的影响

文章采用CSTR高温反应器进行改性玉米秸秆厌氧消化实验,观察3个有机负荷(1.6,1.8和2.0 g·L~(-1)d~(-1))阶段下高温厌氧消化产甲烷性能变化和过程指标变化。实验结果表明,氨-冻融组玉米秸秆高温厌氧消化产甲烷性能最好,其单位VS产甲烷量在3个有机负荷条件下分别为314,309和306 mL·g■,比未处理组分别提高了16.1%,19.3%和22.6%,比水-冻融提高了8.9%,10.6%和13.8%。且随着有机负荷的提高,3个高温系统厌氧消化过程指标(挥发性脂肪酸、pH值、氨氮、碱度和溶解性COD)值呈现出了一定的规律,且稳定性均良好,其中,氨-冻融组厌氧消化系统过程中氨氮值为658～1148 mg·L~(-1),未达到抑制值。因此,对于工程应用来说,氨-冻融复合改性可作为提高玉米秸秆厌氧消化产甲烷量和生物降解性的一种重要方式。     

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。     

高浓度高氨氮鸡粪沼气工程运行分析

培养驯化耐高氨氮厌氧菌种是解决厌氧消化过程氨抑制的一条非常有效的措施,文章以杭州能源环境工程有效公司已建成并稳定运行多年的工程项目为例,探讨分析鸡粪高浓度高氨氮厌氧消化的工艺流程及运行参数。工程采用耐高氨氮厌氧消化技术,鸡粪厌氧进料TS浓度可达8%~12%,沼液氨氮浓度超过5500 mg·L-1,厌氧产沼气过程不受影响(鸡粪TS产气率仍能超过500 m3·t-1),从而实现鸡场粪污的高效稳定化处理。     

头孢菌素C菌渣与剩余污泥联合厌氧消化技术研究

采用热水解的方式对头孢菌素C菌渣进行预处理,确定预处理的最佳工艺条件为:加水量3倍,水解温度80℃,水解时间120分钟。在此条件下,处理后残渣中头孢菌素C残留小于0.50 mg·kg~(-1),凯氏氮消减率大于45%,为菌渣后续厌氧消化高效、稳定进行创造有利条件。通过研究发现,热水解破坏了绝大部分头孢菌素的分子结构,而菌渣中凯氏氮的消减只是单纯的物理转移。经预处理后的菌渣与剩余污泥联合厌氧消化,系统进料固含量5%～7%,有机负荷3～3.5 kg COD·m~(-3)d~(-1),消化时间约20天,可控制系统氨氮浓度在1500 mg·L~(-1)之内,挥发性有机酸浓度在100～200 mg·L~(-1)。沼渣头孢菌素残留未检出,其它各项指标均低于《危险废物鉴别标准》(GB5085.7-2007)的标准值,沼渣肥效成分满足《有机肥料》(NY 525-2012)指标要求。     

回流对餐厨垃圾和稻草混合两相厌氧消化的影响

文章以餐厨垃圾和稻草为原料,研究了不同进料负荷和回流对半连续式两相厌氧消化产气及系统能量平衡的影响。试验结果表明,不回流的酸化相(A1)和甲烷相离心液回流的酸化相(A2)的产酸量随着负荷的提高而显著增加,其对应的甲烷相(R1,R2)的日产甲烷量随着进料负荷的提高也逐渐增大。在酸化相中,当进料负荷为10 g VS·L-1d-1,水力停留时间为10天时,A1和A2的产酸量同时达到最大,分别为30583 mg·L-1和47559 mg·L-1,A2比A1的产酸量提高了55%。在甲烷相中,当负荷为4 g VS·L-1d-1时,R1,R2的单位VS产气率达到最大,分别为0.43 L·g-1VS和0.51 L·g-1VS,R2比R1单位VS日产甲烷率提高了18.6%。     

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。     

有机负荷对餐厨垃圾厌氧消化性能影响及动力学分析

为探究有机负荷对餐厨垃圾厌氧消化系统的影响，在50 L全混合式厌氧消化反应器(CSTR)进行进料负荷从0.72增至3.86 kgVS·m^-3d^-1的梯度实验。同时采用Modified Gompertz模型研究不同进料负荷(1、2、3、4、5 kgVS·m^-3d^-1)产甲烷动力学特性，开展生化产甲烷潜力(BMP)试验。结果表明，日产气量和挥发性脂肪酸(VFA)随着负荷的增加而波动上升，而吨VS产气量和碱度则随之下降；在负荷3.15 kgVS·m^-3d^-1阶段，VFA为2000 mg·L^-1左右，酸碱比在0.13左右，容积产气率在2.25 L·L^-1左右，系统稳定性强且厌氧消化效率高，此负荷为最佳负荷。BMP试验显示Modified Gompertz模型适合描述餐厨垃圾厌氧消化过程，最大产甲烷量和最高产甲烷率均随着负荷的增加而提高。     

稻草与畜禽粪便混合物厌氧消化快速启动研究

大型沼气工程的启动需要有大量的外源接种物,这使得启动成本增高。为了实现沼气工程低成本快速启动,文章以稻草与粪便(牛粪、猪粪)按0∶1,1∶2,1∶1,2∶1和4∶1(VS比)混合后,在不外加接种物的情况下直接启动。结果表明:除稻草与猪粪4∶1混合外,不同比例的稻草与粪便混合后均能启动成功。添加不同比例牛粪的启动效果优于添加猪粪的启动效果,同时在不外加接种物的情况下,少量稻草与粪便混合的启动效果优于单独粪便的启动效果。稻草与牛粪和猪粪的混合比例均为1∶2时效果最佳,单位VS产气量分别为258 m L·g~(-1)和187 m L·g~(-1),T_(80)(累积产气量达到总产气量80%时所需的时间)分别为29 d和39 d,氨氮分别为434 mg·L~(-1)和728 mg·L~(-1),碱度为5250 mg·L~(-1)和5300 mg·L~(-1)。两种混合方式都可以快速启动且厌氧系统性能稳定,该研究结果可为大型沼气工程启动提供技术支持并可大大节省启动成本。     

猪粪干式沼气发酵中试研究

生猪规模化养殖的发展在局部地区产生了大量猪粪,干式沼气发酵作为一种处理猪粪的技术手段,具备不需要稀释、沼液量少、容易等优势。笔者在已有小试的基础上,进行了为期12个月的猪粪连续干发酵中试。每日产气量,每月沼气成分、进出料的TS,VS,pH值,氨氮等指标的监测结果表明,该中试能正常产气,基本能顺利进出料,大多数月份甲烷含量稳定在53%以上,平均容积产气率为0.162 m~3·m~(-3)d~(-1),平均原料产气率为0.112m~3·kg~(-1)TS,pH值稳定在7.8~8.5之间,游离氨浓度在400 mg·L~(-1)以下基本不存在氨抑制问题,具备工程上推广应用的潜力。但是,由于没有升温保温,该中试的产气效率低,且产气不稳定。     

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。     

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。     

有机磷农药乐果在厌氧消化系统中降解的实验研究

为了解决有机磷农药对环境造成的持久性污染,文章研究了利用厌氧消化法来降解有机磷农药。厌氧消化的原料采用废弃大白菜,有机磷农药采用乐果。利用乐果对乙酰胆碱酯酶具有抑制作用得原理,采用分光光度法测定乐果在废弃白菜厌氧消化系统(湿发酵)中的浓度变化。实验结果表明乐果农药在厌氧消化系统中具有降解趋势,初始乐果滴入量越少厌氧消化罐中的乐果降解周期越短,在实验所设置的厌氧消化系统负荷之下,160 mg·L~(-1)的乐果是此系统能够消解的极限。实验结果同时表明,乐果的浓度达到90 mg·L~(-1)以上时,逐渐开始出现对厌氧消化系统产沼气的抑制作用,系统的产沼气能力降低,乐果浓度在150 mg·L~(-1)以上时已对产气造成了严重抑制。     

疫病动物尸骸废水高温厌氧消化中的氨抑制

在不同的pH值和进水总氨氮(TAN)浓度下进行批次实验,对疫病动物尸骸废水高温厌氧消化中的氨抑制作用进行了研究。结果表明,分别固定pH值为7.0,7.4,7.8,8.2时,每个pH值下设置4个初始TAN浓度为100,800,1400,2400 mg·L~(-1),COD去除率分别下降了11.1%,26.7%,50.4%,74.4%,游离氨(FAN)浓度则分别从4,9,20,38 mg·L~(-1)上升到90,214,474,916 mg·L~(-1),FAN浓度的升高是反应器COD去除率下降的主要原因。产酸作用与产甲烷作用受氨抑制程度均随着TAN的升高而增加,且pH值越高,增加的趋势越明显,pH值为8.2时,FAN对两者的IC_(50)分别为843和453 mg·L~(-1),产甲烷作用比产酸作用对FAN更敏感,这导致VFA在反应器中积累。总VFA分别由26,48,129,214 mg·L~(-1)升至150,304,528,656 mg·L~(-1),其中乙酸分别由22,28,76,90mg·L~(-1)升至90,154,356,426 mg·L~(-1),VFA的积累类型表现为乙酸型,FAN抑制了乙酸营养型产甲烷菌的活性。     

大型海藻厌氧发酵特性研究

文章采用中温批式厌氧发酵工艺,研究清洗及未清洗海带在不同接种率下,盐度对厌氧发酵特性的影响。研究结果表明:相同底物浓度发酵时,未清洗海带的产气性能要优于清洗海带,无机盐对产气率提高约13%~25%。未清洗海带组在盐度为12.96 g·L~(-1)时的产气性能最佳,产气率和产甲烷率分别为464.4±0.39和288.28±0.24 m L CH_4·g~(-1) VS_(added),比相同条件下清洗海带的产甲烷率提高29.56%,此时发酵液中主要金属离子浓度K~+4780 mg·L~(-1),Mg~(2+)250 mg·L~(-1),Ca~(2+)130 mg·L~(-1)和Na~+1600 mg·L~(-1),表明适宜浓度的无机盐有利于厌氧发酵的产气性能。     

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。