鸡粪与果蔬废弃物混合基质的厌氧发酵产氢特性

【目的】探究鸡粪与不同果蔬废弃物混合基质的厌氧发酵产氢特征,为利用混合物料厌氧发酵制氢提供依据。【方法】分别以香蕉皮、白菜废弃物、油麦菜废弃物、笋叶、土豆皮渣与鸡粪的混合物为原料(各45mL),在中温(35±1)℃、混合基质初始COD质量浓度为40g/L的条件下进行厌氧发酵试验,测定发酵过程中的气体产生量、气体成分和发酵结束后的发酵液液相代谢产物。采用Modified Gompertz模型对累积产氢量随时间的变化进行拟合,测定发酵前、后发酵液的挥发性固体、碳水化合物和蛋白质含量,并计算三者的降解率。【结果】不同混合基质的累积产氢量依次为:鸡粪+土豆皮渣(87.5mL)>鸡粪+香蕉皮(62.5mL)>鸡粪+白菜废弃物(42.1mL)>鸡粪+油麦菜废弃物(34.4mL)>鸡粪+笋叶(34.2mL)。在混合基质初始COD质量浓度相同的条件下,不同混合基质的COD产氢率依次为:鸡粪+土豆皮渣(46.04 mL/g)>鸡粪+香蕉皮(34.00 mL/g)>鸡粪+白菜废弃物(22.24mL/g)>鸡粪+油麦菜废弃物(18.64mL/g)>鸡粪+笋叶(18.57mL/g)。采用Modified Gompertz模型可以很好地拟合各混合基质累积产氢量随时间变化的过程。以鸡粪+土豆皮渣和鸡粪+香蕉皮为混合底物时,发酵类型为丁酸型发酵;以鸡粪+白菜废弃物、鸡粪+油麦菜废弃物和鸡粪+笋叶为混合底物时,发酵类型为乙酸型发酵。在5种混合基质中,鸡粪+土豆皮渣组的挥发性固体、碳水化合物和蛋白质降解率均最大,分别为51.82%,62.43%和28.90%。【结论】基质类型是影响厌氧发酵产氢的重要因素,5种混合基质均能产氢,但以鸡粪+土豆皮渣混合物料的产氢能力最强。

COD/SO_4^(2-)对青霉素菌渣厌氧消化影响

针对抗生素菌渣厌氧消化过程SO_4^(2-)的抑制问题,利用批试实验对不同COD/SO_4^(2-)比青霉素菌渣厌氧消化产气潜能以及产酸相物质利用特性进行了研究.结果表明,COD/SO_4^(2-)≥3时,微生物发生了适应性驯化,产气潜能在发酵10 d后逐渐恢复,累积产甲烷量(以TS计)超过208 m L·g-1,超过71%的COD转化为CH4;COD/SO_4^(2-)≤1.5时,产甲烷分别受到49%及完全抑制,有机物及SO_4^(2-)的去除率分别不足17%和5%,表明较高SO_4^(2-)负荷下产甲烷菌(MPB)及硫酸盐还原菌(SRB)同时发生抑制,COD平衡分析表明,转化为CH4的COD不足9.1%,而还原为SO_4^(2-)的COD保持在5.0%~9.0%,说明MPB比SRB对S2-的抑制更为敏感;S平衡分析表明,还原的SO_4^(2-)大部分以S2-的形式存在于发酵液中,少部分以H2S的形式存在于生物气中;产酸过程物质利用特性分析表明,溶解性蛋白质的甲烷化是在溶解性碳水化物甲烷化之后才开始.

利用逐级提高进料浓度的方法启动完全混合反应器处理鸡粪

为了改进完全混合反应器(continuous stirring tank reactor,CSTR)厌氧消化处理鸡粪的启动效果,通过逐级提高进料鸡粪浓度的方法在CSTR中进行中温(36?C)厌氧消化的启动实验,实验分为2个步骤:污泥适应性驯化和消化能力提升,即通过间歇添加2%浓度鸡粪的方法驯化活性污泥;利用逐级提高进料鸡粪浓度(2.1%、3.2%和5.2%)的方法提高污泥消化能力。结果表明:通过逐级提升进料鸡粪浓度的方法能够驯化出处理一定浓度鸡粪的活性污泥,当进料鸡粪浓度达到5.2%时,CSTR进料有机负荷(organic loading rate,OLR)、总固体含量(total solid,TS)去除率和产沼气量分别达到1.5 g·(L·d)^(-1)、60%和1 L·(L·d)^(-1),甲烷体积分数稳定在(65±3)%左右,总氨氮浓度最高达到1 200 mg·L^(-1),没有出现氨抑制的现象,污泥活性随进料鸡粪浓度提升而逐步得到驯化,从而成功启动反应器正常运行。为CSTR厌氧消化处理高氮基质启动提供了新的方法,具有重要的理论和实践意义。

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。

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。