餐厨垃圾半连续乙醇型酸化两相厌氧消化产甲烷性能研究

为了解乙醇型两相厌氧消化系统性能,该研究构建了以接种酵母菌产乙醇同时产酸为特征的餐厨垃圾两相厌氧消化系统(乙醇型两相),并开展系统的进料有机负荷率由2.0 g/(L·d)逐渐提高至6.0 g/(L·d)的半连续厌氧发酵产甲烷试验。结果表明:乙醇型两相在5.0 g/(L·d)时甲烷产率为421.52 mL/g,比传统两相厌氧消化系统的394.48 mL/g,提高了6.8%。乙醇型的醇化/酸化相的水解产物中乙醇占33.4%,这有利于水解物料进入甲烷相后保持该相pH值及厌氧消化的稳定运行。与传统两相相比,乙醇型两相系统的醇化/酸化相水力停留时间减少了60%,系统的有效容积减少了10.6%,容积产甲烷率提高了18.3%。说明乙醇型两相比传统型两相系统在产甲烷性能方面具有明显的优势,且有提高系统稳定性的潜力。     

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%。     

金霉素浓度对鸡粪中温厌氧消化特性及抗生素降解的影响

针对抗生素污染对鸡粪厌氧消化影响不明的问题,该文利用批次试验探究了不同质量浓度金霉素(chlortetracycline,CTC)(4～200 mg/L)对鸡粪中温厌氧消化过程、产气效率及抗生素降解的影响。结果表明,低浓度的CTC(质量浓度≤20 mg/L)促进了鸡粪中温厌氧消化作用,其对累积水解、酸化、乙酸化及甲烷化的最大促进率较对照(质量浓度0mg/L)分别提高了12.69%,11.55%,11.31%和9.82%,厌氧消化有效降解了鸡粪中的CTC,降解率为59.87%～71.95%,这是因为厌氧污泥胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)由结合态(松散结合态(loosely bound EPS,LB-EPS)和紧密结合态(tightly bound EPS,TB-EPS))转化为黏液态(slime EPS,S-EPS)促进了水解作用,另外,CTC降解提供的碳源进一步促进了甲烷的生成。高浓度CTC(质量浓度≥60mg/L)抑制了鸡粪中温厌氧消化作用,且抑制率随CTC质量浓度的增大而升高,对累积水解、酸化、乙酸化及甲烷化的最大抑制率分别为16.48%,18.54%,18.96%和19.94%,CTC的降解率为43.4%～51.44%;在此条件下污泥EPS较对照提高了13.81%～39.23%,其中EPS蛋白浓度由943.01 mg/L增加为1 083.69～1 338.20 mg/L。中温条件下CTC对鸡粪厌氧消化抑制阈值为22.16 mg/L。消化结束后,沼液和沼渣中的CTC分别占总量的0.46%～3.13%和96.87%～99.54%,表明CTC绝大部分残留在沼渣中,存在较大环境风险,所以应对沼渣进一步无害化处理后才可还田使用。     

秸秆厌氧消化产甲烷的研究进展

近年来,随着国际能源紧缺与环境污染的日趋严重,秸秆厌氧消化产甲烷技术再次成为国内外学者研究生物质固废处理的热点之一。农作物秸秆厌氧消化产甲烷为大量廉价易得的生物资源转化为可再生能源提供了一个新机会。通过厌氧消化,不仅改善农村生态环境质量,还产生了清洁能源沼气,真正实现变废为宝,对解决农村用能和种植业污染问题有重要意义,也是目前中国最有希望实现产业化的生物质能源之一。然而,由于秸秆的特殊物理化学结构,使得微生物与酶很难对其吸附、降解,并因此限制了秸秆厌氧消化的推广、应用。尽管在当前中国的鼓励政策下,许多秸秆沼气示范工程建成并投入生产,但实际运行中依旧有些问题亟待解决。该文根据国内外关于秸秆厌氧消化产甲烷技术的最新研究成果,基于厌氧消化原理和原料特性分析的基础上,分析了影响秸秆产甲烷的因素及不足,总结了产气优化的方法,展望了秸秆厌氧消化产甲烷的发展方向。该项研究结果对推广秸秆厌氧消化产甲烷、加快生物质固废的资源化成果转化具有积极的推动意义。     

微氧预处理对有机废水厌氧消化产甲烷的影响

为了考察微氧预处理对有机废物厌氧消化产甲烷过程的影响,论文以合成废水为试验材料进行了试验研究。结果表明,在厌氧消化反应前进行一定时间的微氧预处理,可以强化水解产酸菌的作用,促进有机底物的水解酸化,从而有效促进甲烷的产生。微氧预处理4 h可以提高甲烷产量28%,提高最大产甲烷速率57.5%。10 h的预处理则对产甲烷菌具有毒害作用,甲烷产量显著降低,预处理时间过短,促进效果不明显。最佳的预处理时间为4～6 h。微氧预处理在控制好处理时间时可促进有机物水解酸化,因此可应用于复杂有机物如厨余垃圾等的厌氧发酵。     

油菜秸秆和鸡粪比例及含固率对其发酵产甲烷特性的影响

基于低含固率粪秸厌氧发酵工艺存在的缺点和多原料共发酵的优势,以碳素和氮素含量互补的油菜秸秆和鸡粪为原料,采用批次中温((37±1)℃)发酵工艺,研究了不同含固率和挥发性物质质量混合比对2种原料产甲烷效率的影响,并分析了产甲烷过程稳定性及动力学特性,以期为粪秸高效产甲烷提供优化工艺参数。结果表明,当油菜秸秆和鸡粪的混合比为90∶10、85∶15和80∶20时,物料产甲烷效率均具有显著的协同效应,其中混合比为90∶10的物料产甲烷效率最高(288.7 mL/g),分别比纯鸡粪和纯油菜秸秆高16.1%和30.4%;当TS≥15%时,不同混合比粪秸的物料甲烷产率和容积甲烷产率较TS≤10%时均显著降低;在TS=10%条件下,二者混合比例为90∶10的物料甲烷产率和容积甲烷产率均较高,分别为224.4 mL/g和0.50 mL/(mL·d);挥发性脂肪酸的大量积累和高浓度铵态氮分别是破坏高C/N和低C/N物料产甲烷稳定性的原因,VFA/TA和氨氮浓度是评价不同C/N物料产甲烷过程稳定性的重要指标。根据动力学特性结果,建议在粪秸高含固率连续产甲烷启动阶段,适宜的固体滞留时间设为14 d。上述结果为油菜秸秆和鸡粪混合发酵高效产甲烷及其发酵过程稳定性的控制具有指导意义。     

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。     

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。     

水泡粪物料中固体和氨氮含量对厌氧消化产气特性的影响

目前不少猪场使用水泡粪清粪工艺清理猪粪便,同时对水泡粪清理的粪污进行沼气工程处理,但不同水泡粪贮存条件对其粪污后续厌氧发酵的影响尚不清楚.本试验将猪粪和尿液通过不同贮存温度（20℃,30℃）和时间（7d,14d,21d）组成6种前处理条件,模拟不同条件水泡粪出水,研究水泡粪物料特性对出水厌氧发酵的影响.结果表明,水泡粪出水的单位挥发性固体（VS）的厌氧发酵产气率在369.2 ～702.0mL/g,厌氧发酵前7d的日产沼气量一直处于较高水平,之后快速下降,厌氧发酵10d后产气基本处于较低水平且下降平缓;氨氮对厌氧发酵有显著的抑制作用,厌氧消化甲烷产率（y）与氨氮浓度（x）的关系为y =4＆#215;10-5x2-0.3618x＋1283（R2=0.9846）.水泡粪物料总固体物含量越高厌氧发酵产气越低,据此建议适当缩短水泡粪时间以提高后续厌氧发酵产气量.     

适宜原料压实度改善玉米秸秆厌氧干发酵特性

干发酵原料中固形物含量高,结构疏松,原料的压实度直接关系到发酵罐的利用率和生产成本。为了探讨原料压实度对厌氧干发酵过程的影响,该文以玉米秸秆粉为试验材料,研究了不同固形物含量(TS)条件下原料压实度对厌氧干发酵产气特性及物料特性变化的影响,结果表明:相同TS下,随着压实度的增加,日产气量(基于可挥发性固形物,VS)峰值降低且出峰时间略有滞后;原料压实度对累积产气量、日产气量变化趋势以及甲烷体积分数的影响不明显。基于发酵罐容积计算产气量时,原料压实度与日产气量峰值、累积产气总量以及累积甲烷产量均呈显著正相关。不同TS条件下的原料压实度对厌氧干发酵过程的影响程度不同,TS含量越高原料压实度对产气量的影响越明显。TS为20%和25%时,逐层压实发酵罐的单位容积累积产气量比自然填料罐分别提高了37.1%和60.2%。当发酵料初始TS为20%时,原料压实度的增加可促使物料中形成连续的液相,改善物料层间的传质,从而使发酵料上下层间的差异减小。当发酵料初始TS提高到25%时,原料压实度增加对传质特性无明显影响。综上所述,在该试验研究范围内,提高原料压实度可以保证玉米秸秆厌氧干发酵产气过程的正常进行,且可以显著提高发酵罐的容积利用率。该研究对厌氧干发酵原料压实度与发酵特性之间的关系进行了初步探讨,以期为有效提高厌氧干发酵罐的产能能力提供参考。     

温度与有机负荷对猪粪厌氧发酵过程的影响

为提高畜禽养殖场沼气工程能源利用效率,降低工程运行成本.该文通过全混式半连续试验,以猪粪为发酵原料,研究不同温度(20、28、38℃)和有机负荷(0.3、1.3、2.3、3.3、4.3 kg/(m3·d))条件下,甲烷产率、挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)及总无机碳(total inorganic carbon,TIC)的变化特征.结果表明:20℃条件下,反应器启动缓慢,甲烷产率低.当有机负荷增加全1.3 kg/(m3·d)以上时,反应器运行不稳定,需外加NaHCO3调节pH值;在28℃与38℃条件下,各有机负荷甲烷产率无明显差异,但是在较高有机负荷3.3和4.3 kg/(m3·d)下运行时,28℃条件下产生挥发性脂肪酸积累的现象,系统缓冲能力缺乏,VFA/TIC值分别达到0.4和0.6.当实际沼气工程低负荷率运行时,可选择28℃作为发酵温度,以达到节省能源、提高沼气工程经济效益的目的.该研究可为实际沼气工程运行管理提供数据参考.     

接种比例对猪粪与蓝藻混合发酵产甲烷的影响

在35℃条件下,利用猪粪为接种物,对接种比例（inoculum to substrate ratios,ISRs）（质量比）分别为3.0,2.0,1.0,0.5和0.25时的猪粪与蓝藻混合发酵进行研究,通过对厌氧分批发酵过程中的甲烷产量及特定影响参数的研究,寻找发酵过程中参数变化的规律,结果表明,ISRs在2.0时,蓝藻发酵产甲烷的效果达到最佳。在不同ISRs情况下,整个产气过程符合Cheynoweth方程,决定系数R2都在0.97以上;对蓝藻的生物降解率（Biodegradabilities,BD）的研究结果表明,上述ISRs条件下,蓝藻的BD（%）值分别为46.5,68.5,44.8,29.2和14.2;最后对发酵液中的pH值、挥发性固体、挥发性有机酸进行了研究,初步总结了各参数的变化规律,为蓝藻的资源化利用提供依据。     

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。     

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（Bo）分别为0.33、0.17和0.38 m3/kg,与对应IPCC给出的亚洲地区缺省值0.24、0.13和0.29 m3/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。BMP1%（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。     

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%。     

猪粪中温半干法连续厌氧发酵产气性能

为改善猪粪在连续型沼气工程中的容积产气效率和降低其进出料过程的热损失,该研究拟采用高浓度和小体积喂料方式进行,将新鲜猪粪分别稀释成总固体质量分数(total solid,TS)为10%、12%和14%3个水平,通过逐级缩短水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)(HRT:25 d→20 d→18.5 d)的方式来改变各组反应器的负荷。试验结果表明,当HRT:25 d时,各组平均日产气量均表现最高,约为460 m L/g,此阶段可获得85%以上的沼气转化效率;当HRT:20d时,各组均获得最大容积产气率,最高达到2.29 L/(L·d)(TS:14%);当HRT下降至18.5 d时,各组产气量均呈下降趋势,表明有机负荷已超出反应器的最大转化能力。通过综合原料产气转化效率和容积产气效率2个指标,发现进料TS为14%和HRT为25 d为较优组合条件。该研究可为在实际沼气工程中如何协调进料浓度和HRT的关系提供参考。     

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。