挥发性有机酸对产沼气效果的模拟试验

两相厌氧生物处理工艺在废弃物资源化利用中得到广泛应用。为了摸清产酸相的主要产物在产气过程中的效应,该文利用甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等4种有机酸模拟产酸过程中的主要酸化产物,以活性污泥为接种物,设计单因素试验和正交试验,研究了在中温条件下,4种有机酸单一作用条件下和混合作用条件下,甲烷日产气量和累积产气量的变化。结果表明：单一有机酸作底物时,存在一个浓度阈值,高于此值会抑制甲烷产生,低于此值,产气效果随着酸浓度增大而提高;有机酸共同存在时,可以产生协同优势,其中乙酸的产气优势高于丁酸,丙酸具有抑制作用;4种单一酸中,单位浓度下乙酸产气效果最好,甲酸产气量最大,甲酸积累不易对发酵过程产生抑制作用,而丙酸累积最易造成抑制。因此,建议在沼气工程中适当调整产甲酸、乙酸和丁酸较多的发酵物料浓度,从而提高产气效率。     

海带渣与养殖固体废弃物混合发酵产沼气试验

废弃物的高效和资源化利用是现代渔业发展面临的重要课题。该文以海带渣和养殖固废为原料开展了两相发酵产沼气效果试验研究,探讨了中温条件下(35±1℃)料液TS浓度和接种率对混合水解酸化特性以及厌氧发酵产沼气效果的影响。结果表明,海带渣与养殖固废混合水解酸化过程启动很快,第2天乙酸浓度即达到峰值,5 d后丙酸和丁酸浓度增幅较快,水解酸化过程中甲酸产量相对较低。不同TS浓度(6%、8%和10%)和不同接种率(10%、20%和30%)的料液水解3 d,乙酸的酸化度分别为42.6%、50.0%、49.8%和50.7%、44.3%、40.3%;主要有机酸(乙酸+丁酸+甲酸)的酸化度分别达到61.7%、68.7%、62.2%和69.4%、57.5%、58.0%。料液TS浓度为8%~10%、接种率为10%~20%和p H值为6.0~7.0时,海带渣与养殖固废在中温条件下混合水解2~3 d,即可获得后期发酵产沼气所需的酸化料液。此外,发酵产沼气结果表明,每天按与产沼气接种污泥质量比为1:7~1:9的比例添加酸化料液,在p H值为7.0~8.0和35±1℃的条件下厌氧发酵产沼气,产气系统启动很快,而且8~13 d即进入稳定产气阶段,产气率保持在489.4~581.5 m L/g VS,所产沼气中的甲烷体积分数达到82.7%~84.9%,而且料液不会出现酸化现象。海带渣与养殖固废混合水解酸化、批量填料发酵产沼气工艺明显提高了产气效率和系统稳定性。     

牛粪与互花米草混合厌氧消化产沼气的试验

在中温（35℃）条件下,采用批式发酵方式,研究了牛粪对互花米草厌氧生物转化的影响以及牛粪与互花米草不同混合比例对互花米草厌氧生物转化的影响。试验设置了互花米草与牛粪VS（挥发性固体）比分别为7︰1（SC71）、3︰1（SC31）、1︰1（SC11）、1︰3（SC13）和1︰7（SC17）等5个处理。结果表明：混合发酵对系统产气有促进作用,日产气量稳定,产气高峰较单独发酵提前了13 d,累积产气量提高了38.83%。牛粪与互花米草不同比例混合发酵的试验中,SC71、SC11、SC13和SC17的累积产气量分别为SC31的92.99%、79.00%、73.59%和61.17%;混合发酵提高了系统的缓冲能力,牛粪的比例越高,系统的缓冲能力越强,且不会出现有机酸的积累;X射线衍射谱图和傅里叶红外光谱的结果进一步证明,混合发酵促进了微生物对互花米草中有机物的分解,对纤维素结晶区的破坏有一定的促进作用。以互花米草与牛粪VS比3︰1的效果最好.     

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。     

餐厨垃圾与污泥高固体联合厌氧产沼气的特性

该文在12%高固体质量分数和中温（35±1）℃条件下,开展了餐厨垃圾与污泥不同比例联合厌氧发酵对产气性能及发酵过程限速步骤影响的研究。结果表明,当餐厨垃圾与污泥二者比例为30∶30时,累积沼气产率、累积甲烷产率、生物转化产甲烷效率和VS（挥发性固体）去除率分别为612、327 mL/g、76.9%和63.6%,皆高于其他原料比例。混合底物中餐厨垃圾为主时,发酵前5 d为产气高峰阶段,甲烷含量在整个发酵期间低于60%,挥发性脂肪酸（VFAs）抑制显著;而混合底物中污泥所占比例较高时,产气的高峰期多出现在第10～25 d,甲烷含量于发酵前5 d迅速上升至50%后,缓慢提高并最终稳定在70%左右。混合底物中污泥所占比例的增加可提升沼气中甲烷含量,亦可明显缓解VFAs抑制作用。累积沼气产率随污泥比例的提高呈先上升后下降的变化。     

猪粪秸秆不同物料比对固体产酸发酵效果的影响

在沼液回流的条件下,研究猪粪和秸秆固体产酸发酵过程中,不同原料配比（猪粪与秸秆质量比分别为4︰1、2︰1、1︰1、1︰3和0︰1即纯秸秆）对产酸发酵效果的影响。试验结果表明：增加发酵原料猪粪比例有利于调节发酵体系pH值,但酸化液中氨氮质量浓度较高;沼液回流能有效避免体系过酸现象;上述不同原料质量配比产酸发酵产物以乙酸为主,试验周期内,累积产乙酸质量分别占各反应器挥发性脂肪酸（VFAs）总质量的80.8%、81.8%、77.1%、78.3%和73.8%,酸化液中丙酸质量浓度均低于1.6 g/L,累积产生质量分别占各反应器VFAs总质量的4.8%、2.8%、7.2%、6.5%和8.4%。综合分析表明,猪粪与秸秆比为2︰1时,发酵过程中产酸效果优于其他配比试验。     

粪草比对猪粪与稻草干发酵产沼气及古菌群落的影响

为获得猪粪与稻草联合厌氧干发酵较佳原料配比,采用批次试验在进料有机负荷(organic loading rate,OLR)为90 g/(L·d)和中温((37±1)℃)的条件下研究猪粪与稻草挥发性固体(volatile solid,VS)质量比(1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1)对干发酵厌氧消化性能的影响。结果表明,猪粪与稻草不同配比累积VS甲烷产率分别为188.8、204.0、213.4、198.1、168.5、169.6和124.7 mL/g,猪粪与稻草配比为2∶1时累积VS甲烷产率最高,与猪粪单独发酵处理相比甲烷产率提高13.0%。协同效应分析表明,猪粪与稻草不同配比联合厌氧干发酵均存在协同作用,当配比为2∶1时协同效应最大,增率达到27.5%。古菌群落分析表明,发酵前后各配比古菌Shannon指数下降幅度与累积甲烷产率变化规律一致,当配比为2∶1时Shannon指数下降幅度最大,达到29.1%;Methanosphaerula为试验中优势菌属,其相对丰度与累积甲烷产率呈正相关。在中温厌氧干发酵工程应用中,建议猪粪与稻草VS配比为2∶1,设计水力停留时间为36 d。     

固态厌氧消化过程中有机质、有机酸和产气量空间异质性

研究反应器内发酵物料中有机质、有机酸和产气量在反应器中的空间差异对于有效提高混合物料的厌氧产气效率具有关键作用。该文以猪粪和秸秆混合物料为发酵原料,接种活性污泥,采用中温（35℃）筒式两相厌氧发酵工艺,对混合固态物料厌氧消化过程中不同区域料液的有机质、有机酸和产气速率进行监测,并主要分析其纵向的空间异质性变化。结果表明：固态厌氧发酵过程中,TS、VS、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的质量分数随着物料距反应器底面高度的增加而增大,越接近料液顶端,纵向差异越强,反之浓度降低越快,这5种关键物质在料液底部浓度较为均一,异质性明显降低;产气速率和单位VS累计产气量随着物料距反应器底面高度的增大而增加,皆为底层最低而顶层最高;反应过程中存在核心厌氧区,厌氧系统累计产气量和料液高度具有明显的幂增函数（R2=0.9754）关系,该研究为固态厌氧高效发酵提供了数据参考。     

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。     

不同预处理和发酵条件对浒苔沼气产率的影响

为了有效利用绿潮海藻资源,该文开展了浒苔厌氧发酵产沼气潜力及其特性的试验研究。探讨了浒苔不同预处理、发酵温度和料液浓度对产气量和所产沼气的甲烷体积分数的影响。结果表明,粉碎粒度对浒苔厌氧发酵沼气产率有一定影响,相同条件(发酵温度为35℃和料液总固体(TS)质量分数为3%)下,粗粒(1.50mm)比细粒(0.15mm)的单位质量挥发性固体(VS)产气率高,分别为327.1和458.5mL/g;发酵温度对浒苔厌氧发酵产沼气产率的影响是,随着温度的提高沼气产率先增加而后降低,当粉碎粒度为1.5mm的浒苔在发酵料液TS质量分数为3%条件下,分别在25℃、35℃和55℃温度下发酵时,35℃的料液单位质量VS产气率比25℃和45℃分别高31.3%和7.5%;随着料液TS质量分数的提高,沼气产率先增加而后降低,利用粒度为1.50mm的浒苔制备TS质量分数分别为3%、6%和10%的料液在35℃温度发酵时,TS质量分数为6%的料液产气率最高,达到465.2mL/g,所产沼气的甲烷体积分数比3%的料液高5.3%,且与10%的料液相当。因此在浒苔粉碎粒度为1.50mm,料液TS质量分数为6%以及温度为35℃的发酵条件下,对提高浒苔产气量、甲烷体积分数和发酵系统稳定性比较有利。该研究可为浒苔厌氧发酵产沼气技术和设备研发以及其他大型海藻产沼气技术的研究提供参考。     

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。     

基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性

为同时解决农业秸秆和分散式畜禽养殖废水的资源化问题,以打捆秸秆为固定相,以猪粪废水为流动相,构筑秸秆床厌氧反应器,并在反应器后部连接废水二级厌氧反应器,研究秸秆床发酵系统的产气特性及可行性。结果表明:秸秆床发酵系统可同时处理打捆秸秆和猪粪废水,且不影响各发酵原料的厌氧生物转化率,秸秆床发酵系统中秸秆干物质产气量为394.96 mL/g,略高于秸秆单独发酵(382.11 mL/g);秸秆床发酵系统产气稳定性大幅提高,避免了单一发酵原料日产气量波动较大的问题,对产气中平均甲烷体积分数影响明显,秸秆床发酵系统、纯猪粪废水和纯秸秆发酵产气中平均甲烷体积分数分别为57.40%、60.37%和47.32%;与各物料单独发酵相比,秸秆床发酵系统平均容积产气率大幅提高,纯秸秆和猪粪废水单独发酵容积产气率仅为秸秆床发酵系统的69.42%和66.94%;试验35 d后,秸秆机械强度和孔隙度明显降低,秸秆互相粘结导气性下降,造成秸秆上浮严重及进水短流,反应器出水化学需氧量浓度快速增加并稳定在较高浓度,故在秸秆床反应器后部必须连接废水二级厌氧反应器以进一步处理秸秆床反应器出水。综合以上结果,采用秸秆床发酵系统同时处理打捆秸秆和猪粪废水是可行的,但需解决发酵后期秸秆上浮、导向性下降和进水短流等问题。     

温度对生物强化粪便污泥厌氧消化减量及产气特性的影响

以化粪池粪便污泥为对象,研究温度在25～45℃条件下,分别投加0.01%的有效微生物（EM）和多功能复合微生物制剂（MCMP）对粪便污泥厌氧消化减量及产气特性的影响。结果表明,温度对EM和MCMP强化粪便污泥厌氧消化挥发性固体（VS）的减量有重要影响,分别投加0.01%的EM和MCMP的两试验组的VS的去除率均表现为35℃时最好,45℃时次之,25℃时最差,且各处理间的差异均达到极显著水平（P〈0.01）。经过20d反应,35℃时,投加0.01%EM的处理（E-T35）的VS去除率为39.04%,分别比25℃（E-T25）和45℃（E-T45）时高21.57%和6.90%;投加0.01%MCMP的处理（M-T35）的VS去除率为42.04%,分别比25℃（M-T25）和45℃（M-T45）时高20.16%和8.59%。至20d反应结束,两试验组各处理累积产气量大小分别表现为E-T35（14220mL.L-1）〉E-T45（11819mL.L-1）〉E-T25（7607mL.L-1）、M-T35（17695mL.L-1）〉M-T45（9065mL.L-1）〉M-T25（7430mL.L-1）。由此可见,EM和MCMP强化粪便垃圾厌氧消化减量并同时提高沼气产量的较佳温度为35℃。     

互花米草厌氧生物转化可行性分析与试验研究

针对互花米草这一广泛分布在中国海滩上的外来植物的资源化利用问题,通过对其生物结构的SEM观察,以及化学组成的测试分析,探讨了对其进行厌氧生物转化利用的可行性;同时,在35℃条件下采用批量发酵方式进行了厌氧发酵试验。结果表明：无论是从生物结构还是从化学组成来看,互花米草都具备作为厌氧发酵所需的基本条件,但其很高的Na元素含量（22683 mg/kg）,以及高达58.45的C/N是其厌氧发酵面临的不利因素;互花米草可以顺利的进行厌氧发酵,试验条件下的原料产气率为251 mL/g TS,原料转化率为41.3％。因此,厌氧生物转化可以作为互花米草资源化利用的一条有效途径。     

玉米秸秆与巢湖蓝藻混合厌氧发酵的产沼气性能

为了提高蓝藻的资源化利用效率,该研究利用玉米秸秆和蓝藻混合厌氧发酵制备沼气。结果表明,与单一的玉米秸秆或蓝藻发酵过程相比,玉米秸秆和蓝藻混合发酵能够有效促进沼气的生成。当玉米秸秆、蓝藻和接种污泥混合挥发性固体(volatile solid,VS)质量比是2:8:1,产气效果最佳,挥发性固体产气量为687.3mL/g,其中甲烷体积分数达到63.3%。同时该体系液相磷酸盐含量、总碳、总有机碳也最高,表明该系统内发生为了蓝藻的有效降解。研究结果对于农业废弃物和巢湖蓝藻的资源化利用具有一定的意义。     

稻草与猪粪混合厌氧消化特性研究

在中温条件下（35℃）,研究了稻草中添加猪粪对厌氧消化过程的影响,分析了消化过程中日产气量、累积产气量、甲烷含量、pH、挥发性脂肪酸以及硝态氮和氨态氮的变化。结果表明,将猪粪与稻草混合厌氧消化产沼气可以顺利进行,混合物的Vs产气量为330．14L·kg^-1 VS,沼气中甲烷含量为62．88％,添加猪粪对稻草产气量和有机酸的影响不明显,但对发酵过程中可能出现的酸积累有一定的缓冲作用。添加猪粪可以大幅提高发酵液中NO3-N含量,较稻草的处理提高34．53％,对提高消化液的肥料价值有重要意义。因此,将稻草与猪粪混合厌氧消化产沼气是完全可行的。     

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。     

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。     

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。