底物浓度对玉米秸秆乙醇发酵及残渣甲烷发酵的影响

为研究底物浓度对玉米秸秆乙醇发酵过程中乙醇产率和乙醇发酵剩余残渣厌氧发酵产气特性的影响,在中温(37±0.2)℃条件下,利用实验室自制小型厌氧发酵装置,在底物浓度为2%、3%、4%和5%下开展周期为50 d的序批式厌氧发酵实验,探索不同底物浓度下玉米秸秆发酵乙醇产率和乙醇发酵剩余残渣厌氧发酵产气特性。结果表明:底物浓度对玉米秸秆乙醇发酵影响显著,当底物浓度为3%时,玉米秸秆厌氧发酵乙醇产量最大,达到39.04 g;底物浓度过低或过高均不适合后期厌氧发酵产甲烷的进行,当底物浓度为3%时,玉米秸秆乙醇发酵残渣表面纤维结构被破坏最明显,残渣厌氧发酵产甲烷实验最早在3 d出现产气峰值,挥发性固体单位甲烷产量为26.82 mL·g~(-1),并且累积产气量最高,挥发性固体单位累积甲烷产量达到270.01 mL·g~(-1),玉米秸秆乙醇发酵残渣还有较高的产气潜能;通过质量平衡分析得到,底物浓度为3%时,玉米秸秆生物转化过程中TS和VS去除率最高,分别为59.12%和79.07%。该研究可为玉米秸秆乙醇发酵工程提供参考。     

褐铁矿与固体含量对牛粪秸秆混合厌氧干式发酵的影响

干式厌氧发酵是处理农业废弃物的有效途径之一,其中总固体(TS)含量和外源添加剂是影响有机质产甲烷过程的重要影响因素。以牛粪与水稻秸秆为例,研究了不同的褐铁矿添加量以及TS含量对牛粪秸秆混合厌氧干式发酵产甲烷过程的影响,并对沼渣特性进行表征。结果表明:固定TS含量25%时,添加1%褐铁矿(基于底物TS含量)显著促进产甲烷过程,产气量比对照组增加了21 mL·g~(-1)(以VS计);对照组(无褐铁矿)和添加1%褐铁矿时,纤维素降解均随TS含量升高而降低;TS含量40%时,添加1%褐铁矿对产甲烷过程具有抑制作用,甲烷产率相比于对照组(TS含量25%)降低了71%。可见只有当TS含量25%时,添加适量褐铁矿才能有效促进牛粪秸秆混合厌氧发酵产甲烷过程。研究可为优化农业废弃物甲烷化提供参考。     

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。     

预处理沼液与餐厨废弃物的厌氧产气发酵特性

为了实现对餐厨废弃物能源化的梯度利用,将沼液进行水浴加热、超声波和曝气等预处理后与餐厨废弃物混合,在中温(35±1)℃条件下进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵实验。考察了不同预处理沼液对产氢率、产氢相缓冲能力、产氢过程可溶性代谢产物成分以及其进行产甲烷发酵的潜力。结果表明,未经处理的沼液与餐厨废弃物混合发酵的产氢率很低,并且相分离不彻底有甲烷产生;各预处理组的产氢率均明显高于未处理组,并很少或几乎没有甲烷产生,其中超声波处理组产氢率最高为52.3 m L·g~(-1)VS。水浴加热和超声波处理组的产氢流出液经产甲烷发酵,可以获得与餐厨废弃物直接进行产甲烷发酵相当的甲烷产率。这表明,将餐厨废弃物进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵可获得更高的能源化效率。     

挥发性脂肪酸对厌氧干式发酵产甲烷的影响

为了提高中温干式厌氧间歇发酵效率,研究了发酵过程中间产物———挥发性脂肪酸对产甲烷的影响。实验分2批进行,第1批在牛粪发酵过程中分别添加乙酸、丙酸和丁酸,第2批发酵添加易产生挥发酸的厨余垃圾混合发酵。结果显示,添加单一挥发酸的发酵过程中,添加丙酸的产甲烷速度较慢,因为丙酸降解生成乙酸的速度较慢,减慢了甲烷的形成;混合发酵过程厨余垃圾产甲烷速度比牛粪快,发酵过程产生2个产气高峰;牛粪和厨余垃圾固体物质含量比在11∶1到5∶1范围内较好,比牛粪单独发酵产气多,产酸高但不酸败,产生的挥发酸主要是乙酸和丙酸,其中比例为7∶1混合发酵的产甲烷速率最大,为4.89 mL/(g VS·d)。实验表明,牛粪厌氧干式发酵过程添加一定量的厨余垃圾可加快挥发酸的产生并提高挥发酸产量,从而提高甲烷的产量,但是总挥发酸长时间超过10 000 mg/L,pH降到不适于产甲烷菌生长的范围时,将抑制甲烷的生成,挥发酸积累导致厌氧发酵酸败。     

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。     

氨氮浓度对猪粪厌氧消化及产甲烷菌群结构的影响

氨氮抑制是影响高含固厌氧消化推广应用的主要因素之一。通过批式实验,采用外源氨氮投加方式,考察了厌氧消化过程中不同氨氮浓度对鲜猪粪产甲烷效果和产甲烷菌群结构的影响。结果表明:氨氮添加量为2 000 mg·L~(-1)(TAN≈3 596.7 mg·L~(-1))时,日产甲烷速率及累积产甲烷量均明显下降;添加量大于4 000 mg·L~(-1)(TAN≈5 618.7 mg·L~(-1))时,氨氮抑制加剧,出现VFAs累积、产甲烷高峰期后移、丙酸降解失败。不同氨氮投加量下猪粪中挥发性固体(VS)产甲烷率分别为(369.0±17.3)、(318.5±7.6)、(234.7±2.5)、(165.4±19.4)mL·g~(-1),产甲烷效率较对照组分别下降14%、36%和55%。超过4 000 mg·L~(-1)的外源氨氮投加促使产甲烷菌群结构发生显著变化,乙酸利用型产甲烷优势菌Methanosaeta逐渐被Methanosarcina代替,而氢利用型产甲烷菌属中Methanospirillum的优势性逐渐被Methanoculleus和Methanomassiliicoccus取代,说明后者均有较强的氨氮耐受性。主成分分析和冗余分析表明,高浓度氨氮会促使产甲烷途径由乙酸利用型为主向氢利用型为主转变。     

进料频率对餐厨垃圾与剩余污泥中温共发酵系统稳定性的影响

考察系统负荷(以COD计)为11.36 g·(L·d)~(-1)时,6种不同进料频率下,餐厨垃圾和剩余污泥中温厌氧共发酵过程中产气量、气体组分、SCOD、pH和挥发性脂肪酸(VFAs)的变化,旨在明确进料频率对系统稳定性的影响,同时结合单一VFA的产甲烷动力学特性,探明系统不稳定的原因。结果表明,进料频率较高时,进料周期内系统的气体组分、SCOD和pH无明显变化,产气量呈线性增长,且基本无VFA积累。随着进料频率降低,进料初期过快的水解酸化导致SCOD和VFAs浓度呈现明显的先升高后逐渐降低的趋势,从而导致pH和甲烷含量波动明显。当进料频率为1次·d~(-1)时,系统中pH降至7.5,甲烷含量降至45.4%,丙酸占总有机酸的比例最高可达87.9%。相比乙酸而言,丙酸在甲烷化过程中存在的延滞期(1.21 h)及较低的甲烷化速率(5.01 mL·h~(-1))可能是导致存在丙酸积累的低频进料系统中稳定性较差的原因之一。     

猪粪与酒糟混合厌氧发酵的产甲烷和三元pH缓冲体系特征

以猪粪和酒糟为发酵原料,考察了5种混合比例(猪粪与酒糟总固体含量(TS)比100:0、95:5、90:10、80:20、50:50)下混合厌氧发酵的产甲烷特性,并研究了其三元pH缓冲体系特征。结果表明,混合比例显著影响猪粪与酒糟混合发酵的甲烷产率(P0.05)。当猪粪与酒糟TS比为95:5时,甲烷产率最大(271 mL·g~(-1)(VSadded)),比纯猪粪厌氧发酵的甲烷产率提高了6.2%。纯猪粪、猪粪与酒糟TS比为95:5的2组累积产甲烷量符合修正Gompertz方程(R~2=0.993 3;R~2=0.989 6),无明显滞后期。酒糟含有的大量硫酸盐影响了甲烷产量。VFAs-氨氮-TIC三元pH缓冲体系特征的研究结果表明,由于酒糟的碱度严重缺失,酒糟添加量过大时,体系偏离合适的pH缓冲区域,体系酸度过高,抑制了厌氧发酵的进行。     

垃圾渗滤液发酵产氢和产甲烷特性研究

以实际垃圾渗滤液作为厌氧发酵基质,研究了初始pH为7.0、中温(37℃)条件下的发酵产氢、产甲烷特性。结果表明,利用垃圾渗滤液作为基质发酵产氢或甲烷时,氢气的最大累积产量为24.33mL(以每克COD计,下同),甲烷的最大累积产量为91.59mL,产氢发酵在初期存在明显的迟滞期,但是产甲烷发酵不存在明显迟滞期;产氢发酵的液相末端产物中含有大量的挥发性有机酸和乙醇,乙醇、乙酸、丁酸质量浓度分别为487.23、1 175.21、1 225.78mg/L,相比产氢发酵,产甲烷发酵的液相末端产物中乙醇、乙酸、丁酸质量浓度均较低,分别为256.38、106.73、107.42mg/L;产甲烷发酵的最终pH是6.32,接近中性,而产氢发酵的最终pH为4.21,呈明显酸性;产甲烷发酵对COD的去除率(41.78%)高于产氢发酵对COD的去除率(32.14%),可能是产氢发酵液相末端产物中的乙酸能被产甲烷菌利用,而被进一步降解。     

木糖高温厌氧发酵产氢的影响因素及两相产氢-产甲烷的能量转化效率

通过批次实验,考查了木糖高温(55℃)厌氧发酵中初始pH(5.0~10.0)和初始底物浓度(2.5~15 g·L~(-1))对产氢效率、液相产物以及木糖降解率的影响;并进行了两相产氢-产甲烷实验,对比单相产甲烷与两相产氢-产甲烷能量转化效率。结果表明:在初始pH=5.0或初始底物浓度为2.5 g·L~(-1)时无氢气产生,最大产氢率1.31 mol H2·(mol木糖)-1在pH=7.0,底物浓度7.5 g·L~(-1)时获得,同时木糖降解率和累积产氢量分别为97.48%和328.4 mL;其主要代谢副产物为丁酸和乙酸,属于丁酸型发酵。厌氧产氢后末端产物甲烷产率为274.9 mL CH_4·(g COD)-1,两相系统能量转化效率达到63.98%,高于单相产甲烷系统的49.39%。     

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。     

藻渣添加对玉米秸秆厌氧发酵特征的影响

厌氧发酵是农业废弃物资源化的有效途径之一.将农业废弃物同其他富含氮元素的有机废物混合发酵能够有效地提高产气效率.以玉米秸秆为例,尝试利用藻渣作为添加剂,提高农业废弃物厌氧发酵的性能.实验主要研究了混合发酵比例对沼气产量、甲烷产量、沼渣沼液特征的影响.当玉米秸秆、藻渣和接种污泥的挥发性固体质量分数为10∶ 2∶2时,沼气产率最高可达421.0 mL/g,甲烷产率为218.7 mL/g.沼渣组分分析表明,纤维素和半纤维素降解效率分别为83.7％和68.4％,和对照相比纤维素的降解效率显著提高.结果表明,藻渣的添加能够有效地促进玉米秸秆厌氧发酵产甲烷过程.     

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。     

不同有机物添加接种物产甲烷差异分析

为了解厌氧发酵原料物质大分子有机化合物特性与累积甲烷产生量的关系,本实验采用中温((45±1)℃)厌氧发酵对甲基纤维素、蛋白胨、可溶性淀粉、木质素的产甲烷差异进行了研究。结果表明:4种有机物中蛋白胨累积产甲烷量最多,为120.9 mL CH_4·(g TS)-1,其次为甲基纤维素,木质素再次之,可溶性淀粉累积产甲烷量最少,为61.0 mL CH_4·(g TS)-1。厌氧消化结束后,4种有机物的总固含(TS)均有不同程度的降低,且下降幅度与累积产甲烷量呈正相关;甲基纤维素、可溶性淀粉、木质素处理沼液挥发性脂肪酸(VFA)上升,NH_4~+-N下降,导致其pH值下降,特别是淀粉处理的极度酸化导致其产气时间最短,累积产甲烷量最少;而蛋白胨处理沼液挥发性脂肪酸(VFA)、NH_4~+-N和pH值均升高,但其累积产甲烷量最多。可见淀粉处理消化过程极度酸化对厌氧消化产甲烷的抑制作用远强于蛋白胨处理碱化的抑制作用。     

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程底物指标变化

将污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物进一步产甲烷,产甲烷量比污泥与餐厨垃圾单独或直接联合厌氧发酵产甲烷大.研究污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程中产甲烷量与底物指标变化的关系,实验结果表明,整个消化过程中,累积产甲烷量为613 L,最大产气速率和产甲烷速率分别为2.12 L/(kg·d)和1.46 L/(kg·d),最大甲烷含量为72.5％,消化系统的pH在总挥发性脂肪酸(TVFA)以及氨氮、CO32-和HCO3-等碱度的共同作用下基本维持在适宜产甲烷的范围内,在不同的消化阶段,厌氧发酵产甲烷过程起主要作用的物质不同,先后顺序依次为糖类、蛋白质和TVFA,并且累积产甲烷量与COD、总糖、总蛋白质的显著相关性大小依次为:COD＞总糖＞总蛋白质,COD去除率高达79.54％.     

温度对城市生活垃圾和厌氧颗粒污泥联合厌氧发酵的影响

针对无锡市垃圾填埋场堆体厌氧发酵所存在的产气率低、氨氮浓度高的问题,以无锡市生活垃圾为原料,在添加厌氧颗粒污泥的情况下,探讨了不同发酵温度下(25、35和45℃)对城市生活垃圾厌氧发酵过程中渗滤液的化学需氧量(COD)、氨氮、挥发性脂肪酸(VFA)、渗滤液产量和产甲烷量的影响。结果表明,25、35和45℃条件下氨氮的最终浓度分别为2 450、2 650和3 000 mg·L~(-1),COD的去除率分别为60.9%、85.2%和80.1%,最大产甲烷速率分别为67、552和397 mL·d~(-1),沼气中甲烷的平均体积分数分别为39.4%、66.9%和53.2%,累积产甲烷量分别为2 906、19 004和14 286mL。以上结果表明35℃条件在能够缩短发酵周期,提高甲烷产量的同时,还能在一定程度减小渗滤液氨氮浓度,有助于减轻后续渗滤液处理的压力。     

餐厨垃圾高温中试两相厌氧发酵的稳定性

为了考察在高负荷条件下餐厨垃圾厌氧发酵的稳定性,采用餐厨垃圾为发酵原料,以某污水处理厂脱水污泥为接种污泥,在中试规模条件下,采用产酸相中温(35℃,0.33 m3)产甲烷相高温(55℃,1.6 m3)进行连续式发酵。结果表明,餐厨垃圾厌氧发酵的产酸相有机负荷可达29.27 kg VS·(m~3·d)~(-1),产甲烷相有机负荷为6.04 kg VS·(m3·d)-1,容积产气率平均为5.61 m3·(m~3·d)~(-1),原料产气率平均达0.913 m3·(kg VS·d)-1,甲烷浓度平均为73.07%,总菌数为2.41×109个·m L-1,产甲烷菌最高为7.08×108个·m L-1,产甲烷菌数占总菌数的29.4%。两相厌氧发酵工艺可实现餐厨垃圾高负荷条件下的稳定运行。     

进出料频率对牛粪两相厌氧发酵特性的影响

以牛粪为发酵原料,在中温(35±2)℃的条件下,采用自行设计的两相厌氧发酵中试装置,在水力停留时间确定的前提下,酸化原料分别以每天、间隔1 d和间隔2 d 3种不同进出料频率加入产甲烷罐,观察挥发性固体(VS)产气率和甲烷含量的变化情况。实验结果表明:保持产酸相与产甲烷相水力停留时间(HRT)分别为3 d和17 d,每天进出料产气效果最佳,原料VS产气率和甲烷含量最大值分别为0.29 m3/(kg·VS)和58.36%。     

牛粪和玉米秸秆厌氧消化产甲烷潜力及动力学

为了评价牛粪和玉米秸秆的产甲烷潜力,研究其厌氧消化过程动力学方程,采用自制序批式厌氧发酵实验装置对某养殖场牛粪和秸秆的最大甲烷生产潜力及其发酵过程进行研究。通过实验研究,测得接种物、牛粪和玉米秸秆的累计甲烷产量分别为64.87、244.0和466.54 m L CH4/g VS。根据实测的产气量变化曲线,按照modified Gompertz equation模型进行方程拟合,牛粪组和玉米秸秆组拟合方程的相关性系数分别为0.983和0.991,表明运用modified Gompertz equation模型预测牛粪和玉米秸秆的产甲烷潜力方法可行。通过对产甲烷过程的动力学研究得到:接种物、牛粪和玉米秸秆的最大产甲烷潜力分别为66.07、213.93和458.57 m L CH4/g VS,与实测值的误差率分别为1.8%、12.3%和1.7%;牛粪和玉米秸秆的最大甲烷日产气率(Rm)和延滞期时间(λ)分别是13.14 m L CH4/(g VS·d)、30.76 m L CH4/(g VS·d)和0.35 d、0.71 d。综上,玉米秸秆厌氧消化的停滞期长,但总产气量和最大甲烷日产期率都比牛粪高。