农村有机生活垃圾与不同原料厌氧共发酵工艺优化

有效处理农村有机生活垃圾（rural organic household waste, ROW）对美化农村环境具有重要意义,在对其进行高浓度厌氧发酵时容易出现酸化和氨氮抑制现象,导致系统稳定性差。目前尚缺乏ROW不同共发酵底物和进料总固体（total solids,TS）浓度对厌氧发酵的影响研究。为提高厌氧发酵性能,减少环境保护压力,本文对ROW不同共发酵底物配比和不同进料浓度下厌氧共发酵特性进行研究,从而优化农村有机生活垃圾厌氧发酵工艺。文中对取自江苏徐州沛县的农村有机生活垃圾和江苏省农业科学院六合动物实验基地的猪粪（PM）、水稻秸秆（RC）进行厌氧共发酵。当发酵底物为ROW和PM时,甲烷产量随着进料总固体含量TS的升高而增加,最高为257.38mL/g VS;当发酵底物为ROW和RC,或者发酵底物为ROW、PM和RC时,进料TS质量分数从8%增加到12%时,甲烷产量随之增加,最高分别为339.59mL/g VS、322.16mL/g VS,当进料TS质量分数继续升高到15% 时,二者产量均出现降低且均低于其他实验组,分别为231.17mL/g VS、194.67mL/g VS。在本文所设置实验条件下,最优共发酵进料为：发酵底物为ROW和RC,生活垃圾与挥发性固体（VS）质量比为1∶1,进料TS质量分数为12%,甲烷产量为339.59mL/g VS。     

餐厨垃圾干式厌氧发酵技术研究进展及展望

总结了餐厨垃圾干式厌氧发酵的关键影响因素(温度、pH、含固率、有机负荷、含盐量和含油量、C/N、氨氮、挥发性脂肪酸),概述了强化餐厨垃圾干式厌氧发酵的主要策略(外源添加剂、预处理、接种物、共发酵)。对餐厨垃圾干式厌氧发酵的发展方向提出了展望及建议。     

高浓度酒糟废水厌氧发酵产沼气条件研究

为验证利用酒糟厌氧发酵产沼气项目的可行性,并在小试的过程中收集相关数据,为今后的中试提供数据参考,在中温(30～40℃),pH为7.0～7.5条件下,采用一种自制的厌氧发酵装置对米酒酒糟厌氧发酵产沼气进行了小试。结果表明,米酒酒糟极易酸化形成大量挥发性脂肪酸(VFA),是产生沼气的原料。在进料COD为26000～68000 mg/L情况下,所产沼气中甲烷百分含量在34%～62%之间,沼气中甲烷含量随进料COD和COD去除率的升高而升高。酒糟发酵过程中需严格控制温度和pH。所产沼气中酸性阻燃气体含量很低,可用作工业燃料,利用高COD酒糟进行厌氧发酵产沼气可行。     

玉米秸秆产生物燃气及其微生物群落解析

为研究玉米秸秆产沼气及其发酵过程中微生物群落变化,以预处理后的玉米秸秆为原料,采用10 L厌氧反应器进行批式中温发酵产沼气。同时取样利用454焦磷酸测序法测定发酵过程中微生物群落的变化。结果表明：该系统启动迅速,在第3 d就达到产气高峰7.78 L,料容产气率为0.97 L·L^-1·d^-1,46 d原料沼气产率和甲烷产率分别为236.84 ml·（g VS）^-1和132.23 ml·（g VS）^-1。454焦磷酸测序及分析表明系统中古菌主要为甲烷微菌纲（Methanomicrobia,占总OTU的89.63%）,其次为热原体纲（Thermoplasmata,8.51%）古菌。发酵系统中共有22～29个细菌门,其中优势菌群为拟杆菌门（Bacteroidetes,平均含量46.07%）、变形菌门（Proteobacteria,平均含量20.51%）和厚壁菌门（Firmicutes,平均含量13.09%）。玉米秸秆沼气系统微生物群落结构的阐明可为秸秆沼气工程调控提供科学数据。     

玉米芯与鸡粪混合发酵提高甲烷发酵性能

为提高玉米芯和鸡粪厌氧发酵甲烷产率,研究了玉米芯和鸡粪混合发酵性能。实验结果表明,玉米芯与鸡粪最佳混合比为5∶1,沼气和甲烷产率最高,分别是200mg/g和121.2mL/g（玉米芯/鸡粪,VS,下同),与单一鸡粪厌氧发酵相比,沼气产量提高了700%,玉米芯与鸡粪混合发酵有助于更多的生物质向甲烷转化。玉米芯与鸡粪在最佳比例下混合发酵时挥发性脂肪酸（VFAs）最高达2.56g/L,乙酸在VFAs中起主导作用。适当的鸡粪添加有助于体系氨氮含量增大和甲烷菌活性提高,过多鸡粪添加不利于甲烷总产量的提高。氨氮与VFAs的中和作用促进了体系的pH稳定。底物进料量对沼气产率有明显的影响,混合底物进料量为50g/L时总产气量最高,为7800mL,对应的甲烷体积分数为68.7%,而进料量为20g/L时沼气产率和甲烷产率最高,分别为325mg/g和184.3mL/g。玉米芯与鸡粪混合发酵能够改善碳氮底物（C/N）的发酵比、提高微量金属元素含量,是甲烷产率提高的主要原因。     

连续微氧导入沼气发酵过程H2S原位脱除研究

建立微氧连续通入沼气厌氧发酵中试装置,实现H_2S原位脱除的目的。以水稻秸秆为原料进行高温(55℃)发酵,探究沼气微氧发酵过程中通氧量对H_2S原位脱除及微生物群落特征的影响。结果表明,微量O_2的通入使得发酵平稳期沼气产气量、甲烷产量及甲烷体积分数明显增加,但与O_2通入量不成正比;通氧量以150 mL·L~(-1)·d~(-1)为宜,此时沼气产气量高出对照组约23%,甲烷产量也最大,并高出对照组约27%。H_2S的去除率随通氧量的增加而提高,通氧量为150 mL·L~(-1)·d~(-1)时,H_2S脱除效率达98.0%,且沼气中残留的O_2体积分数可控制在0.5%以下;微量O_2的通入可明显促进挥发性脂肪酸的降解,pH可维持在7.0～8.5,有效提高了沼液中化学需氧量及总固体的降解率。微氧条件下发酵液中微生物多样性仅有轻微变化,古菌和细菌的群落结构也未受明显影响。     

木薯酒糟两相和单相厌氧发酵性能比较

为了降低木薯酒精厂工程运行成本,提高副产品木薯酒糟的应用价值,以木薯酒糟为原料,采用全混式半连续发酵和沼液回流方式,研究不同有机负荷[2.3、2.8、3.4、4.0 kg/(m~3·d)]条件下中温酸化(37℃)、高温甲烷化(50℃)木薯酒糟两相和高温单相厌氧发酵产沼气特性。结果表明,木薯酒糟中温酸化-高温甲烷化两相厌氧消化性能高于高温单相厌氧消化性能,中温酸化-高温甲烷化木薯酒糟两相厌氧发酵的最佳投料负荷为3.4 kg/(m~3·d),甲烷体积分数在64%~68%,TS产气量为435.42 m~3/t,容积产气率为1.49 m~3/(m~3·d)。高温单相厌氧发酵的最佳投料负荷为2.8 kg/(m~3·d),甲烷体积分数基本在54%~62%,TS产气量为367.5 m~3/t,容积产气率为1.05 m~3/(m~3·d)。实际沼气工程运行中,当有机负荷低于2.8 kg/(m~3·d)时,可采用高温单相厌氧发酵工艺;当有机负荷高于2.8 kg/(m~3·d)时,可采用中温酸化-高温甲烷化两相厌氧发酵工艺,以达到节省成本的目的。     

酸碱预处理对芦蒿秸秆厌氧发酵的影响

通过对芦蒿秸秆进行酸、碱预处理和厌氧发酵制沼气实验,比较不同的预处理方法对芦蒿秸秆产气性能的影响。结果表明,与对照组相比,碱处理能较好地改善秸秆的产气性能,其中2%NaOH处理效果最好,发酵初期VFA含量高达4882.34 mg·L^-1,比对照组提高了705.21%,单位TS固体产气量为288.42 ml·g^-1,较对照组提高了17.08%,甲烷含量最高可达61.14%。     

不同温度下氢氧化钠预处理对玉米秸秆甲烷产量的影响

利用农作物秸秆进行厌氧发酵生产沼气是解决我国农村能源紧张的重要途径,然而秸秆中难以降解的木质纤维结构导致在发酵过程中甲烷转化率较低。利用自行设计的可控性恒温发酵装置,以玉米秸秆为发酵原料,分析了在不同温度条件下氢氧化钠（NaOH）预处理对秸秆木质纤维结构以及厌氧发酵产气效率的影响。结果表明,NaOH预处理能够显著降低玉米秸秆的木质纤维素含量,与未预处理的秸秆相比,经NaOH处理后的秸秆纤维素含量降低了24.4%～33.2%,半纤维素含量降低了14.2%～52.4%,木质素含量降低了9.3%～29.3%。在6%、8%和10%浓度中,经8%NaOH处理的秸秆在55℃下的甲烷产量最高,达到188.7 ml CH₄·（g VS）^-1,较未处理的增加了84.2%,因此可作为提高秸秆厌氧发酵产气效率的预处理方法。     

糖蜜厌氧发酵制备生物燃气的快速启动

糖蜜是一种制糖的副产物,富含各类有机物,常被用作发酵底物制备各类化工品,但鲜有用于制备生物燃气的报道。本研究采用糖蜜为底物以液态连续进料的方式实现了厌氧发酵的快速启动,COD去除率达70%以上,沼气产率达0.65 m~3/kg以上,沼气甲烷含量达80%以上。该工艺可克服传统固体/半固体沼气发酵启动周期长,产气效率低等缺点,因此具有一定的产业化潜力。     

农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气技术

干式发酵过程由于需水量少而成为目前国内外沼气行业的一个重要发展趋势,但是干式发酵存在启动慢和传质不均匀的局限性。采用湿式发酵作为干式发酵的接种启动阶段,将湿式和干式联合,从而力求解决干式发酵的局限性,发展出湿干结合的两级厌氧发酵产沼气工艺,以提高干式发酵技术的效率。采用秸秆为底物进行两级厌氧发酵,考察了第一级湿式发酵时间对后续干式发酵的影响。设置3、5、10、15和25 d五个不同湿式发酵周期进行实验,结果表明,湿式发酵周期为10、15和25 d实验组的累计两级甲烷产气能力相当,分别为218.63、219.44和218.85 ml·（g VS）^-1,3 d[208.17 ml·（g VS）^-1]和5 d[185.83 ml·（g VS）^-1]实验组产气量均较低。从产气量、降解程度和实际工艺等角度综合分析得出,湿式发酵周期为10 d之后转入第二级干法发酵效果最佳。动力学拟合分析表明,RC（reaction curve）模型较GM（Modified Gompertz）和LM（Modified Logistic）模型更适用于本实验研究的厌氧发酵过程的数据模拟。     

微量元素强化厌氧发酵技术处理畜禽废水进展研究

通过探究微量元素强化厌氧发酵技术处理畜禽养殖废水的前期研究,发现其不仅能提高有机物降解率,降低挥发性脂肪酸(VFA)浓度,提高甲烷产量,而且对废水中高氨氮的抑制效应也有一定拮抗作用,进一步维持着厌氧发酵系统的高效运行。后续研究可着重微量元素之间相互作用机制对厌氧发酵的影响,以及其在厌氧发酵系统中的生物有效性,也需深入探索其利用率和对厌氧消化系统中微生物群落结构的诱导作用,以期为厌氧发酵技术处理畜禽养殖废水和沼气资源化利用提供借鉴。     

吹脱超声强化垃圾渗滤液碱性厌氧发酵产酸研究

垃圾渗滤液含有丰富的有机物，进行适当处理转化成小分子有机酸后可作为反硝化脱氮工艺的碳源。采用吹脱联合超声的预处理方式脱除垃圾渗滤液中的多余氨氮，并根据氨氮去除效果，将最佳条件下预处理后的渗滤液接种剩余污泥后在碱性环境下厌氧发酵产酸。对厌氧发酵体系中挥发酸产量、相对分子质量、三维荧光及微生物群落进行分析，探究了垃圾渗滤液的发酵产酸效能。结果表明：垃圾渗滤液在初始pH=11、吹脱联合超声预处理1 h后，以初始pH=10的条件联合剩余污泥共发酵时产酸效果最好，体系内挥发酸产量在第5天达到峰值，为（1 183.86±10.26） mg/L（以COD计），且乙酸和丙酸之和占比大于80%，适合用作工业发酵碳源。三维荧光、相对分子质量、微生物群落也佐证了上述处理条件为垃圾渗滤液中大分子有机物向小分子有机酸转化的最佳条件，为垃圾渗滤液的资源化回收提供了理论依据和实验基础。     

不同C/N下花生粕与果蔬皮联合厌氧发酵产酸效率研究

花生粕和果蔬皮等农业固体废弃物有机质含量高,适合厌氧发酵处理来回收沼气能源或生产挥发性脂肪酸(VFAs)。研究花生粕和果蔬皮C/N比对厌氧发酵产VFAs转化率(VFAs的当量总有机碳(TOC)和发酵底物TOC的比值)的影响,同时考察蛋白质、氨氮、溶解性多糖在VFAs积累过程中的变化。结果表明,C/N=37∶1时,VFAs转化率达到91%。皮尔逊相关系数分析表明,VFAs和多糖呈显著负相关,VFAs与蛋白质呈显著负相关,VFAs与氨氮呈显著正相关。     

不同C/N下花生粕与果蔬皮联合厌氧发酵产酸效率研究

花生粕和果蔬皮等农业固体废弃物有机质含量高,适合厌氧发酵处理来回收沼气能源或生产挥发性脂肪酸(VFAs)。研究花生粕和果蔬皮C/N比对厌氧发酵产VFAs转化率(VFAs的当量总有机碳(TOC)和发酵底物TOC的比值)的影响,同时考察蛋白质、氨氮、溶解性多糖在VFAs积累过程中的变化。结果表明,C/N=37∶1时,VFAs转化率达到91%。皮尔逊相关系数分析表明,VFAs和多糖呈显著负相关,VFAs与蛋白质呈显著负相关,VFAs与氨氮呈显著正相关。     

VTBR技术处理纤维素乙醇生产废水中试研究

针对纤维素乙醇生产废水,采用新型垂直折流生物处理反应器(VTBR)开展中试试验研究,对系统稳定运行过程中COD、氨氮、SO₄^2-、沼气产量等指标进行了考察分析。结果表明,VTBR技术可用于对高有机物、高氨氮、高硫酸盐特征的纤维素乙醇生产废水的处理,且处理效果稳定可靠,装置最终出水COD稳定在(2 617.9±442.7) mg/L,氨氮稳定在(75.7±21.4) mg/L,SO₄^2-稳定在(1 639.6±139.2) mg/L;中试装置COD、氨氮和SO₄^2-平均去除率分别达到(95.2±1.4)%、(83.1±4.9)%和(62.5±2.9)%;厌氧平均COD容积负荷为(3.5±0.6) kg/(m3·d),好氧平均COD容积负荷为(1.0±0.5) kg/(m3·d),好氧硝化作用平均NH₄⁺-N容积负荷为(0.27±0.05) kg/(m3·d);厌氧系统单位COD平均沼气产率为(0.50±0.08) ...     

畜禽粪便高温发酵与秸秆热化学处理工艺的耦合

我国规模化养殖场沼气工程普遍采用常温和中温发酵技术, 产气速率低导致发酵罐体积大和投资高, 是制约其快速发展的关键因素。另一方面, 秸秆作为农村常见低劣生物质常常被随意焚烧而导致严重的空气污染。为此, 本文提出将畜禽粪便高温发酵与秸秆热化学燃烧耦合的新思路, 通过秸秆燃烧为高温发酵过程提供热量, 将常温和中温发酵转变为高温发酵过程, 提高畜禽粪便厌氧发酵的处理速率, 同时避免秸秆的浪费。对耦合新工艺的计算结果表明, 对于万头猪场沼气工程, 发酵温度从30℃提高到55℃, 容积产气率由1.43 m³·m^-3·d^-1提高至3.40 m³·m^-3·d^-1, 发酵罐体积从1200 m³减小到500 m³;为维持高温发酵(55℃)所需热量, 年利用秸秆339 t。     

水稻秸秆渗滤床半固态厌氧发酵性能研究

以水稻秸秆为原料,利用自行设计的渗滤床反应器,对比研究了不同温度（20、25、30和35℃）及不同预处理方式（NaOH、生物试剂和沼液）对秸秆厌氧发酵产气性能、物能转化率、发酵后沼液性能和产气成本等方面的影响。实验结果表明：发酵后总固体（TS）质量分数稳定在13%~15%之间,属于半固态厌氧发酵,同时累积产气量与温度、发酵后COD及NH₃-N的变化量均呈极显著正相关。相同温度（20~30℃）条件下,经预处理后的水稻秸秆TS产气率较空白均有所提高;其中沼液预处理效果最为明显,35℃条件下,TS产气率及挥发性固体（VS）产甲烷率分别为154.0和55.2 mL/g,较空白样品分别提高25.1%和52.5%。同时,沼液预处理可显著提升厌氧发酵产气中的甲烷体积分数。各预处理样品TS产甲烷率及VS产甲烷率呈随温度（20~30℃）上升而增加的趋势,但产甲烷提升率随温度的上升而逐渐下降,将系统温度从20℃提升至25℃,各处理产甲烷率可提高90%以上。考虑到沼气工程罐体增温及产能收支平衡等因素,温度控制在25℃是经济性最好的策略模式。从产气成本上分析,自产沼液具有较佳的处理效果和较低的生产成本,每生产1 m³沼气的可变成本1.62元。     

外源H2对沼气发酵体系的影响

以水稻秸秆为原料,在30 L搅拌发酵罐中55℃下进行厌氧发酵产沼气实验,探索外源H₂的连续导入对发酵过程的影响。结果表明：外源H₂的导入可以实现沼气的原位提纯,CH₄相对平均体积分数从69.6%可提高到94.4%（搅拌速度100 r·min^-1）,同时CO₂相对平均体积分数从30.4%降低至5.6%（搅拌速度100 r·min^-1）;对比无搅拌的小试装置,搅拌速度为50 r·min^-1时,搅拌可将外源H₂的利用率从91.0%提高到93.1%,转化率从85.0%提高到96.8%;外源氢的导入可明显促进丙酸、丁酸和异丁酸的降解,可有效地避免发酵过程中VFAs的累积问题,同时搅拌的加强对发酵体系乙酸分解产CH₄和沼液中CO₂的消耗也有明显的促进作用,最终使得沼液的pH略有上升;外源H₂的通入与搅拌改变了发酵系统内的微生物群落组成比例,但并未对系统内的产CH₄微生物群落结构产生明显的影响。     

UASB处理液晶面板显影液废水中试研究

液晶面板显影液废水的主要污染成分是四甲基氢氧化铵(TMAH)，该有机物具有强碱性和神经毒性。采用升流式厌氧污泥床(UASB)对实际显影液废水进行中试处理，考察了不同处理负荷下的TOC处理效果以及有机氮的转化效率。结果表明，在进水TMAH质量浓度为2 070～8 900 mg/L时，经UASB处理后，出水TMAH质量浓度低于0.5 mg/L,TOC去除率保持在96.4%以上；UASB不仅能有效去除显影液废水中的TMAH，还可大幅降低出水有机物浓度；UASB在高进水TMAH浓度工况下仍能长期稳定运行，得益于其高回流比对TMAH的不断稀释。稳定运行期间，UASB可将93%～97%的有机氮转化为无机氨氮，大幅降低废显影液毒性，有利于后续处理工艺进一步脱氮。研究还发现，单位TOC沼气产率为1.57～1.81 m³/kg，且沼气中CH₄与CO₂的体积比约为3.26。本中试试验直接运行费用(电耗和药剂)为13.22元/m³，后续工程实践还可通过回用沼气进一步降低废水处理系统运行费用。