不同有机负荷下混合蔬菜废物厌氧消化性能分析

为优化蔬菜废物厌氧消化工艺,提高蔬菜废物厌氧消化处理效率,该文以混合蔬菜废物为原料,通过逐级提高厌氧反应的有机负荷,分析研究了蔬菜废物在不同有机负荷下的厌氧消化性能及相应的物质转化规律。试验在有机负荷率OLR 1.0、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5、3.0、3.25、3.5 g/(L·d)条件下共运行170 d。研究结果表明：最优有机负荷率为2.75 g/(L·d),极限有机负荷率为3.5 g/(L·d);在2.75 g/(L·d)条件下有机负荷产气率达到最高,达到0.54 L/(g/(L·d)),甲烷体积分数稳定在51%～59%。有机负荷2.75和3.0 g/(L·d)条件下挥发性固体去除率最高达66.81%。有机负荷率在1.0～3.25 g/(L·d)时,挥发性有机酸质量浓度在409～481 mg/L,乙醇浓度在380～490 mg/L,属乙醇型发酵。该研究结果可为提高蔬菜废物厌氧消化处理效率提供理论依据,具有重要意义。     

有机负荷对秸秆消化系统性能及可利用态金属浓度的影响

利用农作物秸秆为原料,在半连续条件下研究厌氧反应器消化特性及金属浓度的变化。结果表明,当有机负荷(organic loading rate,OLR)为4 g/(L·d),固体停留时间(Solid rentention time,SRT)为66.7 d时,单位挥发性固体(VS)最大甲烷产率为217 m L/g,达到了理论产值的56%~58%。采用修正的Tessier法分析金属形态分布,瘤胃和厌氧污泥共接种物中的金属Zn,Cu,Fe,Ni,Mo等提供了产甲烷过程酶的辅因子,有利于水解和产甲烷活性的提高。当OLR升高到6 g/(L·d),SRT下降为40 d时,溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)浓度显著升高,导致金属浓度发生变化。沼渣中Zn和Fe可利用态质量分数显著下降(P0.05),分别为4.39和5.54 mg/kg,Cu可利用态质量分数下降为0.40 mg/kg。从而导致甲烷产率下降为110 m L/g,体系中挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)积累。乙酸、丙酸及丁酸质量浓度均值分别达到了2.02、6.54和0.53 g/L,出现酸化现象。     

脉冲循环式渠槽厌氧反应器处理太湖腐熟蓝藻性能

为实现太湖腐熟蓝藻的资源化处理,研究新型厌氧反应器——脉冲循环式渠槽厌氧反应器处理太湖腐熟蓝藻的效能及其运行特点。以城市污水处理厂剩余污泥为种泥,污泥接种量混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)为20g/L,进水化学需氧量(COD)质量浓度2000mg/L,水力停留时间(HRT)为5d,中温(30～35℃)厌氧条件下,反应器可在30d内成功启动并达到初步稳定运行,COD去除率达到60%左右,产气率为0.08L/(L·d);当进水COD容积负荷3.5kg/(m3·d)时,仍能实现安全稳定运行,COD去除率可以稳定在80%左右,产气率在1.2L/(L·d),表明反应器抗冲击负荷能力较强,同时沼液中藻毒素(TMC-LR、EMC-LR)去除率为90%以上。稳定运行期间反应器厌氧颗粒污泥对腐熟蓝藻甲烷化的最大比基质降解速率为1.253mg/(mg·d),半饱和常数为11770mg/L,甲烷产率系数为0.256mL/mg;电镜观测发现稳定运行期颗粒污泥以产甲烷的八叠球菌为主,伴有丝状菌和杆菌等,同时发现其蛋白酶、TTC-脱氢酶和辅酶F420活性相对较高。研究发现脉冲循环式渠槽厌氧反应器能够有效地处理太湖蓝藻,这对其资源化利用具有一定的指导意义。     

废弃食用油脂两相厌氧发酵酸化条件优化

油脂的水解和长链脂肪酸的降解是油脂厌氧发酵过程中的限速步骤,提高水解酸化阶段挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)的产率,有助于后续甲烷化反应的进行。利用响应面方法(response surface methodology,RSM)对废弃食用油脂两相厌氧发酵水解产挥发酸条件进行优化,考察了初始p H值、原料负荷、反应时间和接种量对产生挥发酸浓度的影响,提出采用该工艺的数学模型及优化后的工艺参数。结果表明,各影响因子对挥发酸的影响顺序为:接种量反应时间原料负荷初始p H值,方程的F值为15.65,相关系数为0.9359,调整相关系数为0.8761,说明数学模型可以较好地模拟真实的反应曲面。优化得到最佳的工艺参数为初始p H值6.2、负荷300 g/L、反应时间8 d、接种量40%,在该条件下,实际产挥发酸7 221.0 mg/L,与预测值7 224.0 mg/L吻合且重现性较好。厌氧产甲烷试验表明,酸化后废弃油脂较未酸化油脂在甲烷产量、甲烷含量、总化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率及挥发性固体(volatile solid,VS)去除率方面分别提高了44%、11%、28%和51%,经酸化处理比未酸化油脂的厌氧发酵时间(完成一个厌氧发酵周期内总产气量的80%的时间)缩短了28%。该研究结果为废弃食用油脂的两相厌氧发酵中试提供了参考。     

食品废物两相高温半干法厌氧发酵生产沼气初步研究

为了提高两相厌氧发酵工艺的生产性能,该文研究了一种新的两相半干法厌氧发酵沼气生产系统,即在水解相中批式发酵,每次从工作容积为4 L的产烷相中取500 mL接种液,与食品废物混合后发酵1～2 d,再全部输入产烷相继续生产沼气,如此循环.实验运行温度为50℃,食品废物总固体TS和挥发性固体VS分别为19.3%和16.1%,产烷相先在4gVS·d-1的进料率下单相运行至稳定,稳定期日产气量为(4.09±0.03)L(甲烷占69.0%),pH为7.50±0.02,TS和VS分别为(1.05±0.02)%和(0.64±0.02)%.稳定的产烷相与水解相联合后,水解相在60～700 g的进料量下都能正常产气,但氢气含量较低.产烷相在进料量600g时产气量最高,为29.1 L/d,随后受到抑制,受抑制前的甲烷含量为72.4%～74.0%,TS和VS含量也在该进料量后达到最高峰,分别为3.50%和2.32%.研究结果表明新的两相半干法厌氧发酵沼气生产系统有效提高了生产性能,在今后的研究中,需要降低从产烷相输入水解相的接种液量,以更好抑制水解相产烷微生物,提高产氢性能,还可使产烷相更加稳定,承受更高的进料量.     

鸡粪高固体浓度进料厌氧消化连续运行性能

以鸡粪为处理对象,进料总固体（Total Solids, TS）浓度控制在15%,进行鸡粪高固体浓度进料厌氧消化试验,在水力停留时间（Hydraulic?Retention?Time, HRT）为 60 d的条件下,连续运行155 d考察发酵性能。试验结果表明,在有机负荷（Organic Load Rate, OLR）为1.5 g/(L·d)（以Volatile Solids, VS计算）和氨氮（Total Ammonia Nitrogen, TAN）浓度7.5 g/L的条件下,甲烷产率达到326 mL/g,总挥发性脂肪酸（Total Volatile Fatty Acids, TVFA）浓度在0.5 g/L左右, pH值在8.3以上,实现了低有机酸残留的鸡粪高固体浓度进料厌氧消化的稳定运行。鸡粪的水解率、酸化率以及产甲烷率分别为61%、47%和47%。厌氧污泥的比产甲烷活性（Specific Methanogenic Activity, SMA）为0.042 g/(g·d),显示有较好的代谢活性,利用一级动力学模型进行模拟,动力学常数为0.202 d-1,相关性系数为0.982。该研究验证了通过延长HRT适当降低OLR的方式,鸡粪高固体浓度进料厌氧消化可以耐受极高的氨氮浓度,为工程应用提供了可能性。     

高含固率秸秆和牛粪混合物料发酵产甲烷工艺

该研究针对高含固率纤维质物料难以连续厌氧发酵、甲烷产率低的问题,利用所研制的一套能连续进出料、具有高有机负荷承载力的新型反应器,以玉米秸秆和牛粪为原料,通过调控搅拌强度和投料强度在反应器内建立了"分区发酵"体系,比较了3种高含固率(10%、15%和20%)物料在不同有机负荷下的甲烷容积产率,系统研究了物料含固率、搅拌强度和投料强度对"分区发酵"体系形成功能分区的高度、各功能区的pH值和甲烷容积产率的影响,旨在为纤维质物料产甲烷提供高效的发酵工艺和可靠的运行参数。结果表明,含固率为10%和15%的反应器,甲烷容积产率随有机负荷的增加而增加,平均甲烷体积分数稳定在52%左右,二者在有机负荷分别为13.44和20.17 kg/(m3·d)时,甲烷容积产率最高,分别为1.62和1.66 m3/(m3·d),在有机负荷分别为20.17和30.0 kg/(m3·d)时,甲烷产量明显下降;含固率为20%的反应器,甲烷容积产率随有机负荷的增加基本保持不变且较低(0.98 m3/(m3·d)),当有机负荷达到30.0 kg/(m3·d)时,发酵体系酸败,甲烷产量明显下降。双因素优化结果表明,当物料含固率为10%和15%、搅拌强度为6~12 h/d、投料强度为6.5~10 d时,发酵体系可形成高效的酸化区和产甲烷区,二者的高度之比为1.1~1.6:1,甲烷容积产率可达1.63~1.69 m3/(m3·d)。综上,该反应器可实现含固率为10%~20%的纤维质物料连续进出料,并在含固率为10%和15%时能高效、稳定地产甲烷,通过调控搅拌强度和进料强度能提高其甲烷容积产率。该发酵工艺有规模化应用的前景。     

泰乐菌素对常温型猪场污水厌氧消化系统的影响

兽药残留是影响厌氧消化系统功能的重要因素,因此该文采用了经猪体内代谢后含兽药猪粪和空白猪粪+兽药原形两种方法研究了泰乐菌素对猪场污水厌氧消化系统功能的影响,并比较分析了两种研究方法间的差异性。试验在有效容积为1 300 mL的模型厌氧消化系统中进行,恒温20℃,每种方法均设12.96和7.42 μg/g干猪粪的2个泰乐菌素加入浓度。结果表明,在厌氧消化系统中连续7 d加入泰乐菌素质量分数为12.96 μg/g和7.42 μg/g的猪粪时,未在厌氧消化系统中检测到泰乐菌素原形;加入泰乐菌素的试验组,加药期系统产甲烷量比空白对照组平均提高24.6%,而且 7.42 μg/g的试验组甲烷产生量显著高于12.96 μg/g的试验组,但不同研究方法间无显著差异;加入经过体内代谢后含泰乐菌素的猪粪的试验组系统中NH4+-N含量显著高于加入空白猪粪+泰乐菌素原形的试验组,但不同加入浓度间无显著差异;不同研究方法对系统沼液pH、TN、TP、COD、沼渣TN、有机质等指标没有显著影响。由此可知,在本试验条件下,泰乐菌素未对厌氧消化系统产生抑制作用,而且该文所用两种研究方法均可适用于泰乐菌素对厌氧消化系统影响的研究。     

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。     

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。     

分段组合式厌氧反应器的运行性能

为研发高效厌氧生物反应器,采用模拟有机废水,对分段组合式厌氧反应器的运行性能进行了研究。试验结果表明：该反应器具有很高容积效能,容积负荷可达110.97?g/(L·d),容积负荷去除率可达84.35?g/(L·d),容积产气率可达57.00?L/(L·d)。该反应器内的基质浓度及中间产物浓度较高,平均化学需氧量和挥发性有机酸浓度分别是常效反应器相应值的18.49倍与37.52倍,可提供较大的反应推动力。该反应器具有良好的运行性能,但趋近满负荷时性能参数波动较大,易导致反应器工况失稳。     

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。     

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。     

果蔬垃圾与餐厨垃圾混合厌氧消化产气性能

研究了果蔬与餐厨垃圾不同混合比例和不同进料负荷下的厌氧消化产气性能。以果蔬与餐厨垃圾为原料,比例分别为0∶8、2∶8、5∶8、8∶8和8∶0,不同比例的混合原料分别按2%、4%、6%（TS）的进料负荷进行厌氧消化。结果表明：果蔬与餐厨的比例为5∶8、进料负荷2%时产气性能最佳,其单位TS甲烷总产量为600 mL/g,比同比例进料负荷4%和6%分别高5.4%和10%,比2%～6%的单一餐厨和单一果蔬原料分别高4.5%～18%和7.1%～510%,消化周期小于50 d,第20天即达到产气高峰,且峰值单位TS日产气量可达95 mL/g。低负荷运行可有效地避免VFA中丙酸及氨氮的积累,提高负荷、增加果蔬的比例则会导致丙酸和氨氮的积累和抑制,影响厌氧消化体系的稳定性,导致单位TS甲烷总产量降低。研究结果可为城市生活垃圾有机废物厌氧消化处理提供设计和运行依据。     

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。     

固定床厌氧反应器处理高浓度糖蜜废水

为开发高效处理高浓度有机废水的厌氧沼气发酵技术,以活性炭纤维作为生物膜载体,在实验室规模上对固定床厌氧反应器处理高浓度糖蜜废水的运行性能进行了研究。初始进水COD为5 000 mg/L,水力停留时间（HRT）保持在2 d左右。在进水COD为47 000 mg/L以内时,相应的有机容积负荷（OLR,COD含量）达到21.38 kg/(m3×d),COD去除率保持在86%以上,沼气容积产气率为9.51 L /(L×d),甲烷容积产气率为6.46 L /(L×d);当OLR进一步从21.38 kg/(m3×d) 逐步升高到35.13、39.06、44.88 kg/(m3×d) 时,COD去除率从86.48%分别降低到74.40%,67.02% 和63.50%,相应的沼气容积产气率为13.71,13.98和11.44 L/(L×d),甲烷容积产气率为8.84,8.67和5.89 L/(L×d)。进水的pH值通常在3.5～5.6之间,OLR低于35.13 kg/(m3×d) 时,无需对pH值进行中和调节,出水的pH值自然维持在6.8～7.6的良好状态,超出此范围,则需加碱对进水的pH值作适当调节。最终进水COD高达78 600 mg/L,相应的OLR为44.88 kg/(m3×d)。在165 d的运行过程中污泥形成量小,没有发生堵塞现象,固定床厌氧反应器表现出高效的处理酸性高浓度有机废水和较强的抗负荷冲击的能力。     

高寒地区两相厌氧户用沼气系统设计与试验

针对高寒地区农村户用沼气发酵周期过长、产气量少的状况,该文提出并设计了适用于高寒地区农村户用的两相厌氧发酵装置,通过确立合理的工艺方案,控制两相厌氧发酵中产酸相、料液温度和pH值、水力滞留时间等因素,探讨了在哈尔滨地区最寒冷季节,所设计的新型农村户用沼气发酵装置产气量与维持发酵罐体内料液温度所消耗沼气量之间的关系。结果表明:基于两相厌氧发酵的高寒地区高效户用沼气发酵装置最高产气率为1.35m3/(m3·d),是传统沼气池产气率(0.35m3/(m3·d))的4倍。冬季1月份日均结余4.08m3沼气量足以满足三口之家照明、炊事所需能源,实现高寒地区户用沼气全年正能输出,可以取代传统沼气池。该文研究成果为今后寒地户用沼气的发展提供技术支持和参考依据。