牛粪厌氧发酵酸化处理条件的优化

在牛粪厌氧发酵过程中,高含量的木质纤维素降低了厌氧发酵的水解酸化速度,水解酸化阶段成为牛粪厌氧发酵过程的限速步骤。为提高牛粪两相厌氧发酵甲烷的产量,对酸化处理条件进行优化。利用两相厌氧发酵工艺,在35℃发酵条件下,研究牛粪酸化处理时间、搅拌频率、料液浓度和尿素添加量对甲烷总产量的影响。单因素试验结果表明,最佳的酸化时间、搅拌频率、料液浓度、尿素添加量分别为96 h、3次.24 h 1(60 r·min-1,1 min·次-1)、8.0%、1.28 g·L-1。在单因素试验基础上,选取酸化时间、料液浓度、尿素添加量为自变量,以甲烷总产量为响应值,根据中心组合设计原理设计试验。采用3因素5水平的响应面分析法,建立酸化处理条件对甲烷产量影响的回归模型,进行显著性和交互作用分析。结果表明,在35℃、搅拌频率为3次.24 h 1(60 r·min-1,1 min·次-1)酸化条件下,酸化料液浓度对甲烷产量影响最大,尿素添加量次之,酸化时间影响最小;酸化最佳处理条件为:酸化时间93.7 h、料液浓度8.3%、尿素添加量1.26 g·L-1。经过优化,甲烷含量、总产气量、挥发性固体含量(VS)和化学需氧量(COD)去除率分别比未酸化处理提高了14.3%、44.7%、41.8%和33.9%,而酸化处理对纤维素、半纤维素和木质素含量影响不显著。由此可见,牛粪酸化处理有利于甲烷产生,可提高甲烷含量及VS和COD去除率。     

典型畜禽粪便厌氧发酵产甲烷潜力试验与计算

为获得符合中国现阶段畜牧业生产实际的畜禽粪便产甲烷潜力(Biochemical Methane Potential,BMP),为不同养殖场粪便管理甲烷评价提供参考,该研究选取蛋鸡粪、奶牛粪、猪粪三种主要畜禽粪便,在(37±0.5)℃条件下进行中温批式厌氧发酵试验,并利用First-order模型和修正后的Gompertz模型对试验结果进行拟合。结果表明,蛋鸡粪、奶牛粪和猪粪三种畜禽粪便的单位底物最大累积甲烷产量(B_o)分别为0.33、0.17和0.38 m~3/kg,与对应IPCC给出的亚洲地区缺省值0.24、0.13和0.29m~3/kg不一致。First-order模型和修正后的Gompertz模型均能较好地拟合三种畜禽粪便厌氧发酵产甲烷过程。BMP_(1%)(当日产甲烷量为累积甲烷产量的1%时的累积甲烷产量)均达到了试验结束时累积甲烷产量的90%以上,并且试验时间缩短了45.3%～76.6%。根据试验获得的三种典型畜禽粪便的产甲烷潜力值计算其年甲烷产生潜力,为中国畜牧业温室气体减排及相关政策制定提供参考。     

添加尿素对模拟发酵罐中沼气发酵的影响

如何提高产气量一直以来都是沼气发酵过程中需要解决的主要问题。本研究是在实验室条件下组建模拟沼气发酵罐,并用于研究发酵罐中添加尿素对沼气发酵的影响。结果表明:与不添加尿素的对照组相比,处理组中添加浓度为1000mg/L的尿素可以有效提高沼气发酵基质的利用率,并提高沼气中甲烷含量,该系统中发酵原料总固体(total solid,TS)消耗率提高1.79%,挥发性固体(volatile solid,VS)消耗率提高4.36%,甲烷产量提高8.4%;添加3000mg/L尿素使发酵原料TS消耗率降低1.59%,但是VS消耗率提高2.28%,产甲烷量提高5.4%;添加5000mg/L尿素则会对发酵原料的利用产生抑制作用,TS、VS消耗率分别降低3.04%、3.72%,甲烷产量降低4.2%。本研究结果将为提高沼气发酵效率提供初步的理论基础。     

产甲烷复合菌剂的性能评价及中试试验产气效果

产甲烷菌对环境变化的敏感性很容易导致厌氧发酵失败,如何保证产甲烷菌的活性是厌氧发酵稳定进行的关键。在考察RY3、SH4、G1、G2和G3产甲烷菌株主要生理生化特征和拮抗作用的基础上,构建了产甲烷复合菌剂,并对产甲烷复合菌剂的pH值耐受性、温度耐受性和不同接种量进行了性能评价。结果表明：5株互补共生构建的产甲烷复合菌剂可在pH值5.5～10.5的范围内生长,且在pH值5.5～9.5的范围内培养3 d后甲烷总产量在1 706.7～2 026.7 ?mol之间,具有较优良的耐酸碱性能;产甲烷复合菌剂的生长温度范围在15～70℃,且在30～55℃范围内培养3d后甲烷总产量在1 906.9～2 028 ?mol之间,温度适应范围宽泛。产甲烷复合菌剂接种量试验表明,在低温20℃下,接种产甲烷合菌剂的试验组比未接种复合菌剂对照组在产甲烷的时间上平均缩短14 d,在高温50℃下,接种产甲烷复合菌剂的试验组比未接种产甲烷复合菌剂的对照组在产甲烷的时间上平均缩短5 d,无论低温还是高温下,复合菌剂的接种均可明显促进产甲烷过程的启动,缩短启动时间。中试产气效果及动力学分析表明,20℃低温下,接种10%复合菌剂的试验组21 d内沼气总产量和甲烷总产量均为接种10%活性污泥试验组的1.6倍;50℃高温下,接种10%复合菌剂的试验组21 d内沼气总产量为接种10%活性污泥试验组的2.7倍,甲烷总产量为2.8倍,无论低温20℃还是高温50℃下,接种复合菌剂的可显著提高厌氧发酵产沼气效率,缩短产甲烷进程,为厌氧发酵系统优化调控提供一种新的技术途径。     

生活有机垃圾厌氧发酵联产氢气和甲烷

以模拟的生活有机垃圾为原料,进行批式中温厌氧发酵联产氢气和甲烷。结果表明,与单独产氢相比,生活有机垃圾厌氧发酵联产氢气和甲烷能够显著提高能源回收效率。在产氢阶段,COD降解率为26.24%,且主要转化为中间代谢产物(如乙酸和丁酸),气体成分主要为氢气和二氧化碳,没有甲烷生成,氢气含量为31%～67%,挥发性固体(VC)氢气产率为55.4mL/g,能源回收率为3%(以热值计算)。在产甲烷阶段,中间代谢产物基本转化为甲烷,气体成分主要为甲烷和二氧化碳,没有氢气生成,甲烷含量稳定在68%～78%,VS产甲烷率为270.9mL/g,能源回收率为48.5%。整个厌氧发酵联产氢气和甲烷过程的COD去除率为60.65%,总能源回收效率为51.5%。     

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。     

乙醇预发酵对餐厨垃圾与酒糟混合甲烷发酵的影响

为了解决餐厨垃圾两相干式厌氧发酵产甲烷过程中的挥发酸抑制问题,该试验在酸发酵阶段添加产乙醇菌分别进行12、24和48 h的预发酵,然后在相同条件下进行甲烷发酵,考察不同乙醇预发酵时间对餐厨垃圾与酒糟混合发酵产甲烷的影响,考察其甲烷发酵过程中的pH值、总挥发性有机酸(total volatile fatty acid,TVFA)、乙酸、丙酸、乙醇等参数的变化,并与未经乙醇预发酵的对照组比较,以期为相关领域的理论与实践研究提供参考经验。结果表明:各组乙醇浓度和pH值从高到低的顺序依次为:预发酵48 h组24 h组12 h组对照组,而乙酸和TVFA则呈现相反的顺序;由于乙醇为中性物质,且比丙酸容易转化为乙酸,故可缓解由有机酸累积而导致的酸抑制,使乙醇预发酵12、24、48 h组的累积产甲烷量分别比未经预发酵对照组高9.1%、31.6%、19.9%左右,其中,乙醇预发酵24h时厌氧消化效果较好。研究为厌氧发酵产甲烷过程中的解决酸抑制问题提供参考。     

尿素和草木灰对生物质恒温厌氧发酵兼好氧处理过程的影响

为了研究添加物对混合原料恒温厌氧和好氧发酵过程的影响,实现生物质向沼气和沼肥的快速转化,先在3个分别无添加、添加质量浓度1 g/L尿素和1 g/L草木灰的0.56 m3恒温发酵装置中进行了牛粪和番茄茎叶VS(Volatile Solid)比例1:1、TS(Total Solid)为8%、发酵温度(26±2)℃、为期54 d的恒温批式厌氧发酵,并将剩余沼液进行(30±1)℃、12 L/min、为期8 h的好氧曝气处理,对比分析不同添加物的厌氧发酵及沼液好氧处理组合对装置产气和产肥性能的影响。结果表明：厌氧发酵阶段,反应前28 d各添加物对系统产沼气及合成甲烷的促进作用显著,且尿素组效果最好,累计产气量、累计产甲烷量分别为4 917、1 746.4 L,较空白组提高91%、128.7%,较草木灰组提高12.6%、69.4%,同时尿素组甲烷体积分数达到50%以及达到系统总产气量80%即5 346 L的时间均较空白组提前了5 d,但全周期空白组累计产气量和累计产甲烷量均高于其它2组;好氧处理阶段,空白组、草木灰组和尿素组沼液完全腐熟的最快时间分别为第1小时、第4小时、第1小时,此时GI（Germination Index）分别为98%、124.5%、100.4%,TDS（Total Dissolved Solid）分别为5 670、5 350、7 010 mg/L,NH+ 4-N分别为734.4、538.1、862.1 mg/L,尿素组沼液生物有效性最好。综上,尿素组系统中前期的产气效率最佳、产肥品质最优,但与复混液体肥料标准相比仍需补充养分,或浓缩处理。该研究为提高沼气产气效率、沼肥品质提供参考。     

不同温度条件粪秆结构配比及尿素、纤维素酶对沼气产量的影响

提高农村户用沼气的产气量和秸秆等农业废弃物利用效率,是当前循环农业领域面临的主要问题。通过利用自行设计的可控性厌氧发酵装置,在室内模拟农村户用沼气发酵过程,研究在不同温度条件下作物秸秆和禽畜粪便配比以及添加尿素和纤维酶对沼气产量的影响。结果表明,20～35℃范围内,粪秆配比的产气量随温度升高而升高。35℃条件下,2.5 kg料液发酵50 d,鸡粪和秸秆配比（干物质量比）以2︰1的产气量高于其它粪秆比例,其中鸡粪与玉米秆2︰1(干物质量比)总产气量最高,达51120 mL。在发酵中期（发酵后28 d）,向2.5 kg发酵料液中添加2.5 g尿素和2.0 g纤维素酶,均显著提高沼气产量,平均增加99.8%和40.8%,且鸡粪与麦秆2︰1配比产气量增幅最大,分别为261.2%,117.3%。研究20℃粪秆厌氧发酵环境pH值动态变化,表明其呈动态变化,发酵初期pH值平均为6.8,发酵中期平均为6.4,随后缓慢回升至6.6。因此,适宜的温度,合理的秸秆配比、添加一定量酶和尿素是提高产气量的有效措施。     

农村生活垃圾厌氧发酵产沼气潜力研究

旨在对农村有机生活垃圾厌氧发酵产沼气的潜力进行研究。对江苏省徐州市沛县大屯街道王庄村生活垃圾分类处置中心每月一次采集样品,并对一周年十二个月份的生活垃圾样品进行批式中温厌氧发酵产气潜力研究,考察农村生活垃圾作为发酵原料周年沼气产量和甲烷产量的变化,各月份试验组的累积沼气产气量范围为447～1 398 mL、累积甲烷产气量范围为215～865 mL。并用SPSS数据分析发现农村生活垃圾含水率、TP、TK、TN、有机质、C/N、半纤维素、纤维素、木质素的含量均对产沼气潜力有影响,其中纤维素含量会对产沼气潜力有显著的正向影响关系,而TP会对产气潜力产生显著的负向影响关系,最后,该研究根据生活垃圾理化性质数据基础上建立了多元线性逐步回归最优方程,可根据农村有机生活垃圾的含水率、纤维素和木质素的含量预测其厌氧发酵产沼气潜力。     

工艺措施对猪粪秸秆混合厌氧干发酵产气性能的影响

为避免挥发性脂肪酸积累、提高产气效率,研究猪粪单独发酵、猪粪秸秆混合发酵、猪粪秸秆混合原料分层接种和猪粪秸秆混合原料渗滤液回流等工艺措施下,中温(37℃)厌氧干发酵(总固体含量为20%)的产酸及产气性能。结果表明:猪粪秸秆混合原料分层接种厌氧发酵启动快,产气效果最佳,累积挥发性固体含量VS产甲烷量可达139.2mL/g;混合发酵渗滤液回流可有效降低总挥发性脂肪酸(total volatile fatty acids,TVFAs)质量浓度(维持在0.66 mg/g),累积VS产甲烷量比分层接种低16.7%;猪粪秸秆混合发酵与猪粪单独发酵的反应器中TVFAs质量浓度分别达到19.08和19.83 mg/g,前15 d日产甲烷量为0.1 mL/(g·d),基本不产气。通过不同工艺措施对比,获得产气量最高和启动期最快的发酵方式,提高猪粪厌氧干发酵产气效率,为猪粪等高固体含量有机废弃物的资源化处理利用提供参考。     

产乙酸复合菌系Th3培养及其在沼气厌氧发酵中的应用

为有效提高厌氧发酵过程中乙酸转化率和甲烷产量,将CD-2(Clostridium sordellii)、ZY-3(Clostridium bifermentans)和ZQ-1(Clostridium butyricum)3株利用不同底物的产乙酸菌混合培养,人工构建一个高效产乙酸复合菌系Th3,通过试验确定其最佳发酵条件为:初始pH值为7.0-8.0,按ZQ-1、ZY-3、CD-2顺序接种,CD-2:ZY-3:ZQ-1接种比例(体积比)为1:2:1,总接种量6%,30°C静置培养,乙酸产率达0.65g/(L·d)。经过代谢稳定性测定,Th3连续培养10代,乙酸产量维持稳定。复合菌系Th3应用于室内沼气发酵,(26±1)°C,在发酵初期和中期加入复合菌系Th3均能显著提高沼气日均产气量和产气率,初期添加可缩短发酵启动时间2～3d。在发酵末期加入复合菌剂对整个发酵产气过程没有显著影响。该研究不仅为构建高效微生物菌剂、提高厌氧发酵效率和发酵过程优化提供基础参数,而且表明该复合菌在沼气生产中有一定的应用价值。     

生物反应器模拟生活垃圾填埋降解产甲烷性能

该文采用生物反应器模拟生活垃圾填埋降解过程,跟踪测试了垃圾在厌氧消化过程中产甲烷进程及渗滤液特性,并探索两者之间的关系,旨在筛选出可以预测垃圾厌氧消化产甲烷进程的指标。结果表明渗滤液pH值、TOC/TN(total organic carbon/total nitrogen)、乙酸/戊酸(HAc/HVa)的变化对系统产甲烷进程及稳定性有一定的指示作用。消化系统产甲烷初期,渗滤液pH值稳定在5.77~5.91。产甲烷高峰期,渗滤液pH值会迅速升高达到峰值。渗滤液中TOC/TN≥11时,垃圾厌氧发酵系统稳定,产甲烷正常。而当渗滤液中TOC/TN11时,发酵系统因氨积累失稳,产气量小。戊酸在垃圾厌氧消化过程中生成与转化较为活跃,HAc/HVa变化较大且有明显的拐点,拐点处可预测消化系统进入产甲烷期。此外,采用16S r RNA基因标记技术对反应器中3个阶段的垃圾渗滤液样品(水解酸化期A、产甲烷高峰期B、产甲烷末期C)以及试验结束时垃圾样品和覆盖土样品进行群落评估。聚类树分析得出生活垃圾(municipal solid wastes,MSW)样品与渗滤液样品其微生物种类及丰度都较为接近,有较近的亲缘关系,且反应期越长相似度越高。测定渗滤液样品的微生物群落组成可一定程度反映出系统内垃圾的群落结构。覆盖层是系统进行硝化反应的主要场所。垃圾厌氧消化末期,系统中氨积累抑制产甲烷菌活性,是导致系统产甲烷能力下降的主要原因。     

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。     

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。     

牛粪添加量对油菜秆半固态发酵产甲烷特性的影响

为了提高油菜秸秆厌氧发酵产甲烷效率,该研究以油菜秸秆和牛粪为原料,采用批次发酵工艺,在半固态(含固率为15%)条件下,通过在油菜秸秆中添加不同量(0、20%、40%、60%、80%和100%)的牛粪(按挥发性固体的质量比计),系统研究不同添加量牛粪对油菜秸秆产甲烷效率的影响,并用修正的Gompertz方程分析各处理产甲烷过程的动力学特性,旨在为油菜秸秆高效产甲烷提供可靠的工艺参数。结果表明,增加牛粪添加量有助于平衡发酵体系的C/N和提高缓冲性能,物料产甲烷效率随牛粪添加量的增加而增加,但单一牛粪的发酵物料产甲烷效率较低;当牛粪添加量为80%时,发酵物料的C/N为33.60,特殊产甲烷效率(239.87m L/g)和容积产甲烷效率(1.01L/(L·d))最高,分别是其他各处理的1.2~2.0倍和1.3~3.6倍;修正的Gompertz方程能较好地反映各处理产甲烷动力学过程,在牛粪添加量为80%处理中,模拟预测的最大产甲烷速率Rm、延滞期λ和最短工艺发酵时间T80分别为31.19 m L/(d·g)、1.21d和8.59d,与实验值极其接近。该研究对实际产甲烷工程具有指导意义。     

分层接种对猪粪厌氧干发酵产气性能及微生物群落结构的影响

为避免厌氧干发酵酸抑制,提高产气效率,以猪粪和玉米秸秆为发酵原料,采用中温批式试验,在总固体(Total Solid,TS)为20％、接种比为25％的条件下研究分层接种和混合接种对猪粪干发酵厌氧消化性能的影响.结果表明:2种接种方式下的发酵体系内挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFAs)均发生明...     

中温和高温环境下乙酸和丙酸厌氧发酵产甲烷动力学特征

采用不同浓度的乙酸和丙酸在中高温下进行厌氧发酵批次试验,采用修正的Gompertz模型和产甲烷的一级动力学模型分析,研究酸浓度和温度对发酵产气动力学的影响。研究表明,当乙酸和丙酸浓度较低时降解较快,高浓度酸抑制产气。乙酸在中温条件下降解较快,质量浓度为5 000 mg/L时中温反应有最大产甲烷速率101 mL/d;质量浓度为10 000 mg/L时高温条件下有最大产甲烷速率77 mL/d,随酸浓度增加,最大产甲烷速率减小,高温反应器对酸的耐受度较高。丙酸在高温条件下更易降解,浓度为4 000 mg/L时,中高温反应均有最大产气速率：78 mL/d（中温）和96 mL/d（高温）。另外,高浓度乙酸和丙酸厌氧降解产气具有滞后性,且随酸浓度的增加滞后期延长,降解过程受到抑制,一级动力学常数减小。温度对厌氧降解的影响大于酸浓度对厌氧降解的影响。     

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。