蔬菜类废弃物甲烷发酵的产气潜能及过程特征

蔬菜废弃物具有适合厌氧发酵的特性。采用Batch实验方法,对5种常见的蔬菜废弃物的产气潜能进行研究,并在此基础上进一步对厌氧发酵过程限制性步骤及物质转化特征进行分析。研究结果表明:5种蔬菜废弃物累积产甲烷量在发酵0~10 d内增加较快,土豆和白菜废弃物产甲烷潜能最大,分别达到102 mL·g~(-1)(VS),和83 mL·g~(-1)(VS),而黄瓜废弃物的甲烷化潜能较低,只有35 mL·g~(-1)(VS)左右。动力学参数拟合表明:土豆和白菜废弃物厌氧发酵水解、酸化、乙酸化和甲烷化各过程转化速率都明显高于其他废弃物,并且各过程最大转化潜能也较其他类蔬菜高出2倍之多。厌氧发酵限制性步骤分析表明,快速水解生成的SCOD不能有效地转化为VFAs,限制了白菜废弃物厌氧消化的后续转化,而VFAs的累积则是胡萝卜、黄瓜和土豆废弃物厌氧发酵的限制性步骤,SCOD以及VFAs同时累积是茄子废弃物发酵过程的显著特征。对各物质发酵过程物质转化特征分析表明,各废弃物由于4 d以后甲烷菌对乙酸的利用减慢,导致丙酸向乙酸的转化减慢而发生累积现象,10 d以后由于产酸过程的减弱,累积的丙酸盐逐渐转化。     

脱水淋滤-UBF工艺处理餐厨垃圾中试研究

以常州市餐厨垃圾为研究对象,采用脱水淋滤-UBF工艺,通过现场实验研究该工艺处理餐厨垃圾过程中厌氧工艺参数(SCOD、p H值和VFA)的变化及产气效能。结果表明:脱水淋滤厌氧反应阶段餐厨垃圾减量率在84%以上,SCOD和VFA浓度先升高后降低,最高达到120 000 mg·L~(-1)和900 mmol·L~(-1)以上;UBF反应阶段p H逐渐上升,运行稳定后维持在7.0~7.5;SCOD逐渐降低,出水在8 000 mg·L~(-1)以下,去除率90%以上;VFA逐步降低,出水降低至100 mmol·L~(-1)。UBF运行稳定后,每吨餐厨垃圾产气量达到83 m3以上,产气效率较为理想。可见脱水淋滤-UBF工艺处理餐厨垃圾是可行的,具有较好经济效益和社会效益。     

青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合高温厌氧消化研究

在中试规模下,研究青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合(质量比1∶1)高温厌氧消化实验,通过监测厌氧消化过程中产气量、气体组成等产气情况和消化液中pH值、SCOD、NH3-H、VFAs含量和组分等化学指标变化,确定混合厌氧消化的最大有机负荷,并分析混合高温厌氧消化技术的可行性,结果表明,(1)青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合高温厌氧消化产甲烷具有技术可行性;(2)混合厌氧消化的最大有机负荷可达4.069 kg VS/(m3.d);(3)当系统最大有机负荷时,每天每千克VS最高可产生甲烷量0.346 m3;(4)混合厌氧消化可削减氨氮对餐厨垃圾单独厌氧消化产沼气的影响。     

基质组分对厨余与污泥共发酵动力学特性的影响

通过厌氧发酵4阶段动力学实验、产甲烷抑制实验及单一VFA的产甲烷动力学实验,探明了厨余和污泥共发酵过程中,典型组分对其潜在的酸积累类型以及甲烷化过程的影响。结果表明,不同基质组分在厌氧发酵过程中的VFA组成比例以及单一VFA的产甲烷化动力学特性,对其产甲烷潜能及速率有着决定性影响。乙酸的甲烷化速率高达44.80 mL·d~(-1),丁酸略慢于乙酸,而丙酸和戊酸的甲烷化速率不足乙酸的1/2,其中丙酸的延滞期长达1.76 d。因此,产酸类型以乙酸为主的污泥、菜类在产甲烷阶段不存在延滞期;而蛋肉类及油的产甲烷速率受到丙酸、戊酸动力学特性的影响相对较慢。通过调整共发酵基质配比不仅能够提高发酵潜能,还能够优化VFA组成比例,实现较高的甲烷产率及甲烷化速率。     

pH对蛋白类餐厨垃圾发酵产酸的影响

为了将蛋白类餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFAs)用作强化生物除磷过程中的碳源,实现其资源化利用,考察了在35℃条件下,pH的改变对其产酸的影响。结果表明:将起始pH调节为碱性,VFAs的产量显著高于酸性,且随着发酵时间的增加,VFAs的产量也逐渐增加,在pH=10,第8天时达到最高值36 193 mg·L~(-1),此时是初始值的28倍。其中,乙酸占50.3%,其次为丙酸30.9%。同时发现,pH调节为碱性也有利于溶解性COD(SCOD)、溶解性蛋白质(SPN)和溶解性碳水化合物(SPS)的溶出;在pH=10,第3天时SCOD和SPN分别达到最大值135 680 mg·L~(-1)和44 188 mg·L~(-1),此时是对照组的17倍和8倍。只有在强碱性条件下,SPN产量才明显提高。酸碱调节对SPS的溶出影响并不是太大,其在较短时间1 d内达到最大,然后减少并逐渐趋于稳定。通过分析可知,起始pH调节为强碱性有利于蛋白类餐厨垃圾的发酵产酸及有机质溶出的过程。     

接种量对餐厨垃圾中温厌氧产甲烷潜能的影响

以接种量作为餐厨垃圾厌氧消化进料负荷的衡量参数,研究不同接种量对餐厨垃圾中温产甲烷潜能的影响,确定餐厨垃圾中温厌氧消化最适接种量。实验设置10%、15%、20%、25%、30%和35%等6种不同的接种量,分析不同接种量之间产气量、甲烷含量、发酵前后总固体(TS)和挥发性固体(VS)、发酵过程中总挥发酸(VFAs)的变化情况。实验结果表明,发酵6 d后,所有发酵瓶罐均无气体产生,35%接种量导致系统酸化;30%和25%接种量时,发酵液维持较高的VFA浓度,在发酵结束后仍有较高浓度的VFA残留,这说明虽然该接种量下系统可以运行,但酸化产生的VFA并未充分转化为甲烷;10%、15%和20%接种量的发酵罐则能够将产生的VFAs利用掉,相比之下,接种量为20%时产气量最大,甲烷含量达到52.88%,TS和VS的去除率也能达到32.11%和38.24%,因此,20%接种量可作为后续实验的最适接种量。     

含固率对牛粪常温厌氧消化的影响

在常温、pH值为7.0下,采用10 L玻璃瓶作为反应器对含固率(TS)分别为2%、6%、10%和14%的4组牛粪溶液进行厌氧消化实验,系统运行48 d,分析了厌氧消化过程中的COD(化学需氧量)、pH、VFA(挥发性脂肪酸)和产气量的变化。结果表明,进料TS是影响牛粪厌氧消化产气效果的重要因素,调节牛粪进料TS至10%,可以使其厌氧消化获得最佳的产气效果,COD去除率为24.6%,产气中甲烷含量为56.1%。     

pH值对玉米秸秆厌氧消化产气的影响

采用批式实验,研究了(35±0.5)℃、搅拌速度65 r/min的厌氧消化体系中,pH值对玉米秸秆厌氧消化产甲烷的影响,分析了消化液相及固相特性的变化.结果表明,厌氧消化第7～9天时各系统VFA浓度均达到最大值,pH值为7和9时,挥发性脂肪酸(VFA)浓度显著高于其他系统,SCOD向VFA的转化效率较高.pH值为9时累积产气量增加速度最快,最大累计产气量达到134.33 mL/g VS.pH值为7时累计产气量最大,高达149.2 mL/g VS,是pH值为5和11系统的3.23和6.71倍.pH值为7和9时,沼气中甲烷的平均含量分别为64.1％和62.5％,比pH值为5和11的系统提高了约10％.pH值为7和9时VS去除率达到67.68％和58.87％,显著高于其他系统.控制厌氧消化pH值在7～9范围内可以有效提高木质纤维素生物质的产气效率.     

低强度超声波预处理对厨余垃圾厌氧消化的影响

以厨余垃圾为研究对象,实验研究产气效率、pH、SCOD、甲烷浓度及生物降解率5个参数的变化趋势,比较低强度超声波处理对厨余垃圾厌氧消化产气特性的影响,结果表明:(1)低强度超声波处理对厨余垃圾厌氧消化产生明显效果,在不同的超声波强度(100、175和250 W)或处理时间(20和40 min)下,产气效率、累计产气量、pH下降幅度、SCOD增加幅度随处理时间和超声功率增加而增加;在超声波强度250 W和处理时间60 min下出现抑制作用;(2)在超声波强度250 W和处理时间40 min条件下,超声波对厨余垃圾厌氧消化增强效果最明显,累计产气量由未处理的3 513 mL提高至5 007 mL,提高42.6%,甲烷气体浓度由51.25%提高至58.8%,生物降解率由58.11%提高至73.5%.     

多壁碳纳米管短期作用对厌氧颗粒污泥的影响

研究了不同质量浓度(1、20和100 mg·L~(-1))多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotubes,MWCNTs)短期(7 d)作用对厌氧污泥系统的影响。结果表明:1、20和100 mg·L~(-1)的MWCNTs反应器出水中的COD、pH、VFA与对照组变化规律一致;其中,100 mg·L~(-1)的MWCNTs可以诱导更快的底物利用率。不同质量浓度MWCNTs反应器的产气量和甲烷体积分数与对照组之间相比无显著差异(P0.05)。运用修正Gompertz方程拟合甲烷产量曲线以及计算最大比产甲烷速率(U_(max,CH_4))和最大比COD去除速率(U_(max,COD))表明厌氧产甲烷菌产气特性没有受到MWCNTs的影响。实验研究结果为以后研究碳纳米管在厌氧废水处理中的影响提供了提供新的思路和方法。     

联合NaOH和Ca(OH)_2强化剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸

以剩余污泥为研究对象,在序批式厌氧反应器中探究了Na OH和Ca(OH)_2联合作用对污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFA)的影响。结果表明,相较于Na OH单独发酵,Na OH和Ca(OH)_2的联合作用能够进一步促进VFA的积累,且Na OH和Ca(OH)_2的质量比例为50∶50时,VFA的最大积累量为286 mg COD·g-1VSS。机理研究表明,Na OH和Ca(OH)_2联合作用能够促进污泥溶解过程,并且溶解性COD(SCOD)的最大含量为3 650 mg·L~(-1),同时Na OH和Ca(OH)_2联合作用能够促进胞外聚合物内部有机物向外部的转移。Na OH和Ca(OH)_2联合作用能够进一步遏制产甲烷古菌的活性,甲烷的最大积累量为165 m L,远小于Na OH单独影响下甲烷的积累量。研究结果对指导污泥厌氧发酵回收能源物质具有一定的指导意义。     

有机负荷对ABR处理疫病动物尸骸废水的产酸及产甲烷特性影响

采用厌氧折流板反应器(ABR)处理疫病动物尸骸废水,研究了不同进水有机负荷对其产酸及产甲烷特性的影响。结果表明,进水有机负荷由0.9 g/(L·d)升至8.1 g/(L·d)时,COD最终去除率达87%以上;负荷进一步提高至11.9 g/(L·d)时,各格室中最终VFAs积累总量分别达到4 320、3 420和2 510 mg/L,COD去除率降至61%。反应器内主要产酸类型为乙酸型,其次为丙酸和丁酸,随着负荷的提高,逐渐出现少量异戊酸、戊酸、己酸和异己酸。乙酸平均百分含量随负荷的升高而降低,丙酸和丁酸则反之。当进水负荷为4.6 g/(L·d),3个格室甲烷产率分别达到最大值:0.33、0.32和0.33 L/g。当负荷高于8.1 g/(L·d)时,总VFAs、丙酸和丁酸的积累成为厌氧产甲烷过程的抑制因素。     

餐厨垃圾高温厌氧消化

在中试规模下,研究餐厨垃圾高温厌氧消化试验,通过监测餐厨垃圾厌氧消化过程中产气量、气体组成等产气情况和消化液中pH值、SCOD、NH4+-N、VFAs等化学指标含量变化,确定餐厨垃圾厌氧消化的最大有机负荷,并分析餐厨垃圾高温厌氧消化技术的可行性,结果表明,在工程上餐厨垃圾单独进行高温厌氧消化产甲烷具有技术可行性,但难以保证系统长时间安全稳定运行;餐厨垃圾厌氧消化正常运行时最大有机负荷可达2.551 kg VS/(m3.d);当系统有机负荷为2.551 kg VS/(m3.d)时,每天每千克VS最高可产生甲烷量0.622 m3;氨氮对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷影响明显;餐厨垃圾中固有Na+含量对厌氧消化产甲烷影响不明显。     

餐厨垃圾湿式厌氧消化最优有机负荷及失稳指标

为探究餐厨垃圾湿式厌氧消化最佳有机负荷及失稳预警指标,在(36±1)?C单相连续搅拌条件下进行有机负荷(OLR)梯度实验。通过理论及数学分析确定90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化的最佳OLR和失稳指标。当OLR(以VS计)为2.94 g·(L·d)-1时,挥发性固体去除率、甲烷产率、容积沼气产率分别为78%、0.58 L·g-1VS、2.99 L·(L·d)-1,此时厌氧反应器达到最佳运行状态。一定浓度的游离氨(FAN)会抑制微生物活性,触发挥发性脂肪酸(VFA)的积累,造成容积沼气产率降低,第36天,当OLR增至3.21 g·(L·d)-1时,FAN浓度升至区域峰值207 mg·L-1,但随后骤降35.9%(39 d),分别造成VFA和挥发性脂肪酸浓度与碳酸氢盐碱度的比值(VFA/TA)从第37天的1 897 mg·L-1、0.22升高至第47天的4 755 mg·L-1、0.73,系统进入抑制稳定状态,最终导致容积沼气产率从第47天的2.66 L·(L·d)-1降至第48天的1.88 L·(L·d)-1,系统恶化。协同分析表明,当VFA和VFA/TA分别达到2 500 mg·L-1和0.35并出现持续上升的现象时,能提前7~8 d对90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化系统的失稳提出预警。     

回流比对剩余污泥厌氧发酵产酸的影响

挥发性脂肪酸(VFAs)是强化生物除磷过程中易于利用的碳源。在影响剩余污泥厌氧发酵的因素中,回流搅拌是影响因素之一。因此,确定最适SRT为10 d后,通过采用控制回流比的方法,研究了剩余污泥在不同回流比条件下厌氧发酵的情况。结果表明:回流比的增大能够促进污泥水解过程中SCOD和STOC的溶出;回流比为300%时VFAs浓度最高,可以达到284.64 mg·L~(-1),约为不回流情况下(146.82 mg·L~(-1))的2倍;回流比为300%时产酸率也要大于不回流搅拌和回流比为500%的情况,最高可达到0.58 g·g-1(以VS计),在VFAs中以乙酸和丙酸的含量占主导。     

IC-AnMBR处理村镇厨余渗滤液废水稳定运行调控机制

村镇厨余垃圾渗滤液等高浓度有机废水的高效处理是提升村镇环境卫生水平的一个重要方面。为满足村镇厨余垃圾渗滤液低能耗有机物排放达标的处理需求,构建了内循环厌氧膜生物反应器(internal circulation anaerobic membrane bioreactor,IC-AnMBR),并用来处理厨余渗滤率废水,重点分析了反应器的COD去除性能和调控机制;根据pH、VFAs/碱度、容积产气率、膜通量和出水有机污染物组分等指标,考察了COD在水解酸化、产甲烷和膜截留过程中的转移转化特征。结果表明:通过耦合膜擦洗曝气和沼气曝气循环,将VFAs/碱度和容积产气率分别从1.5和0.1优化到0.02和1.0;优化了COD稳定达标性能和去除负荷,将COD去除率和负荷从59%和0.3 kg·(m~3·d)~(-1)分别提高到了97.7%和1.8 kg·(m~3·d)~(-1);采用沼气循环曝气擦洗陶瓷膜,控制了滤饼层积累,并将膜通量从0.6 L·(m~2·h)~(-1)提高到2.1 L·(m~2·h)~(-1)。IC-AnMBR短流程工艺能够实现村镇厨余垃圾渗滤液的稳定处理。     

产甲烷菌耐酸培养及其以餐厨为底物的产气特性

采用逐步提高厌氧发酵体系内丁酸盐浓度的方式,对产甲烷菌进行了适应性耐酸培养,随后将培养后的污泥接种餐厨垃圾进行高固态厌氧发酵,研究其以餐厨垃圾为底物的产甲烷特性。结果表明,进行耐丁酸培养的各个组的沼气及甲烷产量、最终VFAs浓度、SCOD浓度基本和丁酸钠添加量呈正相关。其中丁酸钠添加量为8 g·L-1的组的甲烷产量和沼气产量相对稳定且较大,最终分别为229 m L和830 m L。其脱氢酶活性也相对较大,为126.74 TFμg·(m L·h)-1;培养后污泥的TS、VS较培养前提高量最大,分别提高了64.13%和67.31%,相比培养后的对照组也提高了44.05%和66.07%。而产甲烷实验研究表明,经8 g·L-1的丁酸钠培养后的污泥的产气情况最好,其累积甲烷、沼气产率及甲烷含量最大,分别为101.8 m L·g~(-1)TS、228.0 m L·g~(-1)TS和44.7%,是对照组的3.2、1.3和2.4倍。     

有机负荷对酒糟厌氧消化降解及甲烷产率的影响

为了探究有机负荷对酒糟中温厌氧消化运行的稳定性及产气性能的影响,启动了有机负荷分别为1.6、4.8和6.4 kg·(m3·d)-1的厌氧反应器R1、R2和R3,并以半连续方式运行100 d。单因素方差分析(ANOVA)的结果表明,3个反应器在60~90 d的VS降解率无显著性差异(p=0.190.05),分别为(66.9±3.2)%、(68.1±2.7)%和(66.1±1.5)%,但产气率随着有机负荷的提高而升高,分别为(0.48±0.07)、(0.61±0.06)、(0.71±0.06)m3·kg-1,对应的甲烷比例为56.9%、60.9%和59.6%。虽然提高有机负荷促进了有机碳源利用效率,提高了甲烷比例和产量,但其稳定运行存在一定困难,R3在90 d后产气急剧下降,丙酸大量积累,产酸菌和产甲烷菌间的动态平衡受到破坏。因而,适宜的有机负荷是确保酒糟良好的厌氧消化稳定性能和产气性能的关键因素。     

进料浓度对鸡粪连续中温厌氧消化的影响

针对高固体鸡粪厌氧消化运行困难问题,利用完全混合式厌氧反应器(CSTR),通过逐级提高进料总固体浓度(TS)的方法,研究不同进料TS((5.20±0.56)%、(7.24±0.36)%、(9.30±0.26)%和(6.22±0.26)%)的鸡粪连续中温厌氧消化效果。实验结果表明,进料TS由(5.20±0.56)%提高为(9.30±0.26)%,挥发性固体(VS)产气率由(0.64±0.05) L·g~(-1)下降为0.07 L·g~(-1),有机物去除率明显减少,挥发性脂肪酸(VFAs)由(0.53±0.02) g·L~(-1)累积至(1.62±0.02) g·L~(-1),总氨氮浓度(TAN)和游离氨浓度(FA)分别由(1.06±0.11) g·L~(-1)和(0.07±0.02) g·L~(-1)累积至3.40 g·L~(-1)和0.68 g·L~(-1),消化过程受到氨抑制。采用Boltzmann模型对不同氨氮浓度下VS产甲烷率和VS去除率进行模拟,拟合结果表明,TAN升高所引发的FA持续累积导致高固体鸡粪厌氧消化氨抑制逐步形成,与VS产甲烷率相比,VS去除率对氨氮的抑制响应具有滞后性。降低进料TS至(6.22±0.26)%,氨抑制得到有效缓解,但反应器处于"抑制稳定状态"。因此,为保证反应器长期高效平稳运行,建议鸡粪连续中温厌氧消化的进料浓度不超过7.24%。研究为高固体鸡粪厌氧消化的工程化应用提供参考。     

纤维素乙醇糟液对稻秸猪粪厌氧发酵的促进机制

纤维乙醇生产会伴随产出大量酸性糟液。利用厌氧技术处理糟液存在C/N低、p H值低等难题,采用糟液与秸秆、猪粪混合后厌氧发酵是一种有效的糟液处理途径。秸秆添加糟液后,TS比例为3%,6%和9%时各组产气量分别为627.8、585.6和443.9 m L·g~(-1)TS,大幅度高于不添加糟液的秸秆对照组产气量292.5 m L·g~(-1)TS,且嗜氢产甲烷途径增强,甲烷体积分数从低于60%增至70%以上。猪粪添加糟液在较低TS浓度3%时产气量最高676.7 m L·g~(-1)TS,秸秆和猪粪按TS1∶1的比例混合时添加糟液的产气效果最佳。秸秆添加糟液的最大VFAs比秸秆对照高2.8~4.7倍,产气延迟增加,从混合型发酵变为典型的丁酸型发酵;猪粪添加糟液后VFAs浓度相对较低,产气启动快,从混合型发酵转变为典型的丙酸型发酵,说明糟液在不同碳源条件下,有着不同的代谢促进途径。糟液与农业废弃物混合厌氧发酵,是一种高效的共发酵体系。糟液在刺激促进秸秆、猪粪产气提升和解除抑制风险的同时,自身也得到高效降解利用。