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牛粪高效厌氧发酵技术关正军;毕兰平;李文哲;刘爽;曹亮【摘要】为提高牛粪厌氧发酵的产气效率,采用牛粪发酵前固液分离和分离液中添加猪粪进行混合发酵两种方法.结果表明,对牛粪进行发酵前固液分离,降低了物料的粘度,利于微生物的传质.在牛粪分离液与稀牛粪的对比发酵试验中,分离液较稀牛粪产气量提高32.68％,甲烷产率也有较大幅度提高.牛粪分离料液和猪粪按一定比例混合可获得较好的产气效果,在试验中总固体(TS)质量分数为10.49％的混合料液产气过程稳定,产气周期相对较短,累计产气量最大为59.8L,比TS质量分数为8.00％猪粪组提高了26.24％,比TS质量分数为8.54％混合料液组提高了43.51％.研究表明牛粪分离液与猪粪混合TS质量分数为10.49％时,可以取得较好的产气效果.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2013(044)004【总页数】5页(P123-126,151)【关键词】牛粪;固液分离;厌氧发酵;猪粪;混合发酵【作者】关正军;毕兰平;李文哲;刘爽;曹亮【作者单位】东北农业大学工程学院,哈尔滨150030;东北农业大学工程学院,哈尔滨150030;东北农业大学工程学院,哈尔滨150030;东北农业大学工程学院,哈尔滨150030;东北农业大学工程学院,哈尔滨150030【正文语种】中文【中图分类】S216.4引言随着我国畜牧业生产向集约化、规模化发展，畜禽粪尿的处理成为亟待解决的难题，如果处理不当，就会造成严重的环境问题如恶臭和渗滤液的产生［1］。
厌氧发酵被认为是环境友好型的处理技术，它能够将有机固体废弃物诸如畜禽粪便、食品废弃物、市政垃圾转化为可再生能源——沼气［2］。
在畜禽养殖粪便中，牛粪所占比例较大，约为70%，但与其他粪便相比，牛粪产气率不高［3～4］。
为了提高牛粪发酵的综合利用效率，关正军等开展了鲜牛粪加水固液分离，对分离液进行发酵试验研究［5～6］。
岩淵和則等开展了对牛粪进行直接固液分离，用分离液进行发酵的试验，结果表明分离液可以大幅度提高产气效率［7］。
锰离子对厌氧发酵的影响及生物利用度研究张佳佳; 石先阳【期刊名称】《《应用化工》》【年(卷),期】2019(048)008【总页数】6页(P1771-1775,1785)【关键词】微量金属元素; 厌氧消化; 锰; 生物利用度【作者】张佳佳; 石先阳【作者单位】安徽大学资源与环境工程学院安徽合肥 230601【正文语种】中文【中图分类】TQ085; X703.1厌氧消化在处理有机废弃物的同时可回收能源[1],但其易受多种因素如pH、碱度、温度、微量金属元素等的影响[2]。
添加适量微量金属元素可增强厌氧污泥的产甲烷活性以及酶活性,促进基质降解[3]。
其中锰作为厌氧污泥的重要组成元素,是丙酮酸羧化酶、精氨酸酶和甲基转移酶的辅助因子[4]。
在以牛粪为原料的厌氧发酵中,添加6 g MnSO4可有效提高COD转化为挥发性脂肪酸(VFAs)的速率,使厌氧发酵系统的产气时间缩短了7 d,累积产气量提高41.2%[5]；通过测定污泥胞外聚合物(EPS),发现当Mn2+浓度为0.05 mg/L时,污泥内EPS总量下降11.91%[6]；在厌氧发酵过程中,添加0.3 mg/L的Mn2+使中间产物-丁酸的转化速度加快17%[7]；以隔油池垃圾为原料的厌氧发酵中,22.9mg/L 的Mn2+使最大甲烷产率提高了40%,产甲烷滞后时间则缩短了66.7%[8]。
然而微量金属元素添加过量会增加厌氧反应器的运行成本及造成重金属的二次污染[9]。
此外,现有研究对象多集中在微量金属元素种类方面,测定指标比较单一,且较少涉及微量金属元素形态与厌氧污泥生物利用度之间的关系。
本文通过间歇实验探究不同浓度Mn2+对厌氧消化的影响,分析厌氧消化过程中金属元素锰的形态与其生物利用度间的关系,为实现Mn2+的精准投加,提高厌氧消化系统的经济适用性提供理论依据。
1 实验部分1.1 材料与仪器C12H22O11、NH4Cl、KH2PO4和NaHCO3均为化学纯；微量元素溶液、MnCl2储备液(400 mg/L)、硝酸溶液(1+1)均为分析纯；所有溶液均用去离子水配制；厌氧颗粒污泥,取自一个实验室规模的上流式厌氧污泥床反应器(UASB)；实验用水采用人工配水,营养母液成分为：C12H22O11 17.82 g/L,NH4Cl 1.91g/L,KH2PO4 0.44 g/L,NaHCO3 18.6 g/L。
城市生活垃圾特性及其厌氧消化产甲烷潜能研究马强;朱保宁;袁海荣;邹德勋;刘研萍;李秀金【摘要】文章以城市生活垃圾为原料,对比分析城市生活垃圾快速好氧发酵预处理前后理化特性的变化,并通过批式厌氧消化实验对预处理前后的厌氧消化产甲烷潜能进行了对比研究.结果表明,经过快速好氧发酵预处理,城市生活垃圾pH值升至7.86,C/N下降至30 ～ 35,碱度出现明显增加,易降解有机物部分降解,难降解有机物的百分含量增加.厌氧消化阶段,未处理和预处理城市生活垃圾中有机物单位VS 累积产甲烷量分别为265.0～301.6 mL·g-1VS和308.3 ～358.4 mL·g-1VS,预处理垃圾单位VS累积产甲烷量比未处理高16.34％～ 18.83％;未处理和预处理城市生活垃圾中有机物VS去除率分别为75.87％～ 81.19％和81.28％～88.00％,预处理垃圾VS去除率比未处理高5.41％～6.81％.【期刊名称】《中国沼气》【年(卷),期】2014(032)001【总页数】4页(P57-60)【关键词】城市生活垃圾;快速好氧发酵;厌氧消化;甲烷【作者】马强;朱保宁;袁海荣;邹德勋;刘研萍;李秀金【作者单位】北京化工大学环境科学与工程系,北京100029;北京化工大学环境科学与工程系,北京100029;北京化工大学环境科学与工程系,北京100029;北京化工大学环境科学与工程系,北京100029;北京化工大学环境科学与工程系,北京100029;北京化工大学环境科学与工程系,北京100029【正文语种】中文【中图分类】S216.4近年来，随着经济的快速增长和城市居民生活水平的日益提升，使得城市生活垃圾的产量不断增加，产生量以每年约10%的速度迅猛增长［1］。
资料显示，2011 年全国城市生活垃圾清运量达16395.3万吨;其中，北京城市生活垃圾清运量为634.4 万吨，占全国生活垃圾清运量的3.87%［2］。
搅拌时间和顶空低压对猪粪产甲烷速率的影响彭朝晖;樊战辉;孙家宾;朱顺熙【摘要】文章讨论了搅拌持续时间和发酵罐顶空低压对猪粪高温厌氧发酵甲烷生产率的影响.结果显示,间歇搅拌(搅拌频率为2h·d-1)发酵罐的产甲烷速率显著(P＜0.05)高于连续搅拌(24 h·d-1).当水力停留时间为20d和15 d时,间歇搅拌的发酵罐相比连续搅拌发酵罐的产甲烷速率分别高8％～ 17％和4％.当水力停留时间为20 d时,顶空低压(0.9 atm)处理的发酵罐产甲烷速率比连续搅拌发酵罐高9％.但是,当水力停留时间为15天时,则没有明显差异,产甲烷速率仅高了4％.以上结果得出,高温厌氧消化过程中,间歇搅拌和顶空低压可以增加猪粪的厌氧发酵效率.%In this paper,the effects of stirring and digester low headspace pressure on methane production rates were investigated for swine manure anaerobic digestion under thermophilic condition.The results showed that intermittently stirred (2 h · d-1) digester have a significantly higher methane production rates than continuously stirred (24 h · d-1) digester (P ＜ 0.05).Under hydraulic retention time(HRT) of 20 d and 15 d,the methane production rates of intermittently stirred digesters were 8％～ 17％ and 4％higher than the continuously stirred digesters,respectively.For the low headspace pressure digester(0.9atm),the methane production rate was 9％higher than continuously stirred digester under HRT of 20 d,while there was no significant difference under HRT of 15 d,and the methane production rate obtained from low headspace pressure digester was only 4％higher than the continuously stirred digester.These results demonstratedthat the intermittent stirring and low headspace pressure could increase the thermophilic digestion efficiency of swine manure.【期刊名称】《中国沼气》【年(卷),期】2017(035)006【总页数】6页(P50-55)【关键词】厌氧消化;搅拌;顶空低压;猪粪;产甲烷速率【作者】彭朝晖;樊战辉;孙家宾;朱顺熙【作者单位】成都市农林科学院,成都611130;成都市农林科学院,成都611130;成都市农林科学院,成都611130;成都市农林科学院,成都611130【正文语种】中文【中图分类】S216.4;X705目前，大多数学者认同通过搅拌混合提高有机物有效转化率的重要性[1]。
2018年4月2018年第4期0引言餐厨垃圾是食堂、饭馆、酒店等餐饮业排放的垃圾，也是城市的一种主要固体废弃物，由于中国居民生活习惯的原因，餐厨垃圾的产生量较大，餐厨垃圾含水率及油脂含量高，易腐烂发臭，若不及时有效处理会给环境造成很大危害[1]。
餐厨垃圾常规的去向是用于喂养“泔水猪”和制作地沟油。
“泔水猪”的存在不仅易引起动物传染病的传播，而且会通过饮食链造成人畜共患病的发生。
长期食用地沟油可能会引发癌症，对人体的危害极大。
因此，只有对餐厨垃圾进行无害化处理，能源化利用，才能从源头上杜绝餐厨垃圾产生危害。
餐厨垃圾厌氧发酵制沼气工艺简单，但这是一个非常复杂的生物化学过程[2]。
厌氧发酵的影响因素较多，如温度、浓度、酸碱度和C/N 比（碳氮比值）等。
国内的研究报道多是温度、酸碱度及C/N 比反应参数的控制对产气的影响，而浓度对发酵的影响研究较少。
本研究通过控制不同的发酵浓度，研究对餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的影响。
旨在探讨发酵液的浓度大小对餐厨垃圾厌氧消化过程及产沼气效果的影响规律，为餐厨垃圾的能源化利用提供理论指导。
1试验材料与方法1.1材料及预处理餐厨垃圾：2017年6月取自新疆农业职业技术学院学生食堂，其成分主要为米饭、馒头、面条、蔬菜、菜汤、肉类、骨头等。
收集后，人工去除纸张、骨头等杂物，用粉碎机打碎至直径2mm 以内，调制成桨状备用。
其主要成分及性质见表1。
活性污泥：取自昌吉市第二污水处理厂的二沉池污泥，经常温厌氧驯化20d 。
其主要性质见表1。
表1餐厨垃圾及活性污泥的成分及性质1.2试验设计处理本试验设置3个不同的发酵浓度，即3个处理：a)处理A 。
总固体浓度（TS%）为6%，称取预处理过的餐厨垃圾1.58kg （湿重）装入发酵瓶中，再称取活性污泥1kg （湿重）装入5L 的发酵瓶中，加水约3500mL ；b)处理B 。
总固体浓度（TS%）为8%，称取预处理过的餐厨垃圾2.15kg （湿重）装入发酵瓶中，再称收稿日期：2018-01-04基金项目：新疆自治区自然科学基金计划基金项目（2017D01A50）第一作者简介：刘德江，1966年生，男，河南永城人，1987年毕业于西北农业大学资源环境专业，教授。
含固率和接种比对菜籽饼中温厌氧消化特性的影响熊荣波，柳 丽，孟 艳，李 屹，陈来生，钟启文，韩 睿*青海大学农林科学院, 青海省蔬菜遗传与生理重点实验室, 青海 西宁 810016摘要： 为充分利用菜籽饼资源，采用全自动甲烷潜力测试系统，开展了不同含固率(2%、4%、6%、8%)和接种比(R IS =1.5、2.0、3.0)的中温批式菜籽饼厌氧发酵试验，分析了不同含固率和接种比对菜籽饼厌氧消化产甲烷特性的联合影响. 结果表明：不同含固率和接种比均对发酵启动时间和累积甲烷产量产生影响，且接种比对厌氧消化产气特性的影响大于含固率. 在试验研究参数范围内，接种比越大，发酵启动越快；接种比一定时，累积甲烷产量随含固率的增加呈先升高后降低的趋势；在高含固率条件下，累积甲烷产量随接种比的增加而增加. 在接种比为3.0、含固率为6%时，获得最大累积甲烷产量，为507.31 mL/g (以VS 计). 动力学模型分析显示，各处理组均能较好地反映菜籽饼厌氧发酵的产甲烷规律；含固率一定时，接种比越大，产气滞留时间(λ)越短. 同时，相比于其他发酵原料，菜籽饼作为厌氧消化原料的潜力较为明显. 研究显示，不同含固率和接种比条件下菜籽饼的产甲烷性能差异较大，可为菜籽饼厌氧消化工艺的优化提供理论依据，从而提高菜籽饼资源的综合利用率.关键词： 菜籽饼；厌氧消化；接种比；含固率；甲烷潜力；动力学中图分类号： X71文章编号： 1001-6929（2022）01-0230-08文献标志码： ADOI ： 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.20Effects of Total Solid Content and Inoculation Ratio on Anaerobic Digestion of Rapeseed CakeXIONG Rongbo ，LIU Li ，MENG Yan ，LI Yi ，CHEN Laisheng ，ZHONG Qiwen ，HAN Rui *Qinghai Key Laboratory of Vegetable Genetics and Physiology, Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Qinghai University,Xining 810016, ChinaAbstract ：In order to explore the combined effect of solid content and inoculation ratio on the characteristics of methane production in rapeseed cake anaerobic digestion, this study carries out anaerobic fermentation experiments of rapeseed cake with different solid content (2%, 4%, 6%, 8%) and inoculation ratio (R I/S =1.5, 2.0, 3.0) at medium temperature using an automatic methane potential test system. The cumulative methane yield and production dynamics characteristics, as well as the various indicators of fermentation broth were analyzed.The results show that both solid content and inoculation ratio have an impact on the fermentation start-up time and cumulative methane production, and the inoculation ratio has a greater impact on the gas production characteristics of anaerobic digestion than the solid content. Within the range of experimental parameters, the larger the inoculation ratio, the faster the fermentation starts. When the inoculation ratio is constant, the cumulative methane production increases first and then decreases with the increase of the solid content.Under the condition of high solid content, the cumulative methane production increases with the increase of the inoculation ratio. When the inoculation ratio is 3.0 and the solid content is 6%, the maximum cumulative methane production is obtained, which is 507.31 mL/g (measured as VS). The kinetic model shows that all treatments can well reflect the methane production law of anaerobic fermentation of rapeseed cake. When the solid content is constant, the greater the inoculation ratio, the shorter the residence time of gas pared with other fermentation raw materials, rapeseed cake has obvious potential as a raw material for anaerobic digestion. This study shows that the methane production performance of rapeseed cake varies greatly under different solid content and inoculation ratios, which can provide a theoretical basis for the optimization of rapeseed cake anaerobic digestion process, thereby improving the comprehensive utilization of rapeseed cake resources.Keywords ：rapeseed cake ；anaerobic digestion ；inoculation ratio ；solid content ；biochemical methane potential ；kinetic收稿日期： 2021-05-13 修订日期： 2021-08-25作者简介： 熊荣波(1997-)，男，福建龙岩人，782161031@ .* 责任作者，韩睿(1983-)，女，河南许昌人，副研究员，博士，主要从事农业资源利用及环境微生物研究，hanrui11473@ 基金项目： 青海省自然科学基金项目(No.2021-ZJ-921)；青海省科技厅重点实验室项目(No.2020-ZJ-Y02)Supported by Natural Science Foundation of Qinghai Province, China (No.2021-ZJ-921)；Key Laboratory Project of Qinghai Science & Technology Department, China (No.2020-ZJ-Y02)第 35 卷 第 1 期环 境 科 学 研 究Vol.35，No.12022 年 1 月Research of Environmental SciencesJan.，2022通过厌氧消化生产沼气已成为当今可再生能源生产技术的最佳选择之一. 该过程不但能有效解决能源短缺问题，且副产物沼液沼渣可作为优质的有机肥料，用以提高农作物的产量和品质[1-2]. 要提高沼气工程的利用率，使其继续发挥更大的作用，仅使用传统的畜禽粪便等原料是明显不足的，新的有潜力原料的发掘极其重要并且备受关注. 近年来，不断涌现出能够用作沼气生产的原料，如食物垃圾、城市固体废物的有机部分、污水污泥和能源作物等[3-4]. 厌氧消化受多种因素的影响，其中含固率(TS)与接种比(R I/S)是影响启动时间和基质产甲烷能力的直接因素，二者交互影响发酵的进程. 其中，含固率会影响厌氧消化过程中的传质效果，造成体系有机酸的积累，进而影响产气效果[5]；接种比决定了体系抗有机酸负荷的能力，其合理选择对厌氧消化的运行效果和稳定性至关重要[6]. 近年来，有不少研究者对这两种因素的交互影响进行了研究. 例如：甄月月等[7]对尾菜进行中温批式厌氧消化试验时发现，在含固率为8%、接种比为0.8时，累积甲烷产量最大；何品晶等[8]在35 ℃条件下对叶菜类垃圾进行厌氧消化试验，结果表明，含固率为3%、接种比为3.5时日产甲烷速率最快，含固率为7%、接种比为3.5时累积甲烷产量最大. Pellera等[9]对4种不同废弃物进行了不同接种比和接种物类型的厌氧发酵试验，结果表明，最优接种比与发酵原料和接种物类型有较大关联. 因此，不同发酵原料与接种物的含固率及接种比对厌氧发酵进程有较大影响.我国是世界上油菜种植面积最大的国家之一. 油菜籽榨油后形成的副产物菜籽饼随之大量产生，若不充分利用，不仅造成资源浪费，还会污染环境. 菜籽饼的主要成分是粗蛋白，是理想的产沼气原料[10]. 目前对菜籽饼的研究主要集中在对家禽口粮的应用方面[11-12]，也有进行厌氧发酵研究的报道，如Deepanra 等[13]对菜籽饼进行了不同含固率(10%~25%)的厌氧发酵研究，发现含固率为20%时的沼气产量最大；将菜籽饼粕与微生物混合后进行厌氧发酵能够改善其营养价值[14]. 但现阶段探究含固率和接种比对菜籽饼厌氧消化产甲烷特性的相关研究较少. 因此，该研究利用全自动甲烷潜力测试系统，通过中温厌氧消化试验，研究含固率和接种比对菜籽饼厌氧消化产甲烷特性的交互影响，并采用修正的Gompertz模型进行动力学分析，以期为菜籽饼厌氧消化工艺的优化和提高菜籽饼资源的综合利用率提供理论依据.1 材料与方法1.1试验材料试验所用菜籽饼取自青海省湟中县多巴镇农贸市场，粉碎过80目(0.2 mm)筛备用. 接种物取自青海某公司以牛粪为原料发酵正常的农用沼气池. 接种污泥取回后，(35±0.5)℃下中温培养，观察产气情况，培养1周左右至不再产气，以减小背景甲烷产量，将其用作试验接种物. 菜籽饼和接种污泥的理化性质见表1.1.2试验方案表 1 菜籽饼及接种物特性Table 1 Characteristics of rape cake and inoculum原料总固体含量(TS)挥发性固体含量(VS)pH C含量N含量粗蛋白含量菜籽饼91.89%±0.3%84.60%±0.2% 6.37±0.346.10%±0.4% 4.85%±0.5%30.31%±0.5%接种物 6.68%±0.2% 4.87%±0.1%7.21±0.126.37%±0.2% 2.27%±0.3%17.00%±0.3%厌氧发酵试验采用全自动甲烷潜力测试仪〔MultiTalent 203，碧普华瑞环境技术(北京)有限公司〕. 500 mL标准批式进料反应器通过水浴控制为中温(35±0.5)℃. 设定每间隔5 min搅拌一次，每次搅拌时长为1 min.试验设置4种不同含固率(以TS计)−2%、4%、6%和8%，3种接种比(RI/S，接种污泥挥发性固体量与菜籽饼挥发性固体量的比值)−1.5、2.0和3.0. 如表2所示，根据试验设定的含固率和接种比，分别在不同发酵瓶中加入对应含量的菜籽饼和接种物，用去离子水补充至400 mL. 用接种污泥与去离子水混合液作空白处理，即CK处理. 每组均设置3个重复. 从发酵24 h开始，每3 d采集一次发酵液样品，用以测定挥发性脂肪酸(VFAs)浓度、碱度、氨氮浓度和pH. 试验选择在第27天停止，此时，不同含固率和接种比对整个体系产气特性的影响已经显现.1.3测定指标及方法总固体含量(TS)和挥发性固体含量(VS)采用差重法测定[15]；氨氮浓度采用苯酚次氯酸钠比色法测定[16]；挥发性脂肪酸(VFAs)浓度采用分光光度法测定[17]；pH用pH计〔pHS-2F，上海仪电科学仪器股份(中国)有限公司〕检测；碱度用电位滴定仪〔ZDJ-4A，上海仪电科学仪器股份(中国)有限公司〕测定；总碳第 1 期熊荣波等：含固率和接种比对菜籽饼中温厌氧消化特性的影响231和总氮含量采用元素分析仪(Vario EL Ⅲ，ELEMENTAR ，德国)检测[18]；粗蛋白含量用凯氏定氮法测定[19].1.4 动力学分析方法对不同处理下菜籽饼发酵产甲烷过程进行动力学分析，采用目前被认为最适于描述产甲烷潜力的修正的Gompertz 方程[20]对累积甲烷产量进行拟合：式中：P 为累积甲烷产量，mL/g(以VS 计)；P m 为最终甲烷潜力，mL/g(以VS 计)；R m 为最大产甲烷速率，mL/(g·d)(以VS 计)；λ为滞留时间，d ；e 为常数，2.718 282.1.5 数据处理采用IBM SPSS statistics 26软件进行数据处理及方差分析，采用邓肯多重比较法分析各处理组之间的差异，P <0.05表示具有显著性差异；使用Origin 2018软件制图.2 结果与讨论2.1 含固率和接种比对甲烷产量的影响由图1可见，不同含固率和接种比下日产甲烷量差异明显. 接种比越大，发酵启动越快. R I/S =3.0时，各处理组日产甲烷量的最大值出现在前中期(1~11 d)，即发酵启动后厌氧微生物就开始降解原料中的有机物，在前中期大部分可利用的有机物就被消耗完毕；R I/S =1.5时，各处理组日产甲烷量的最大值出现在发酵中后期(16~21 d)，前期日产甲烷量较少，启动较慢.这是因为，过低的接种比下微生物数量不够，体系有机负荷增加，产甲烷菌成为优势菌群的时间较长，导致发酵起始时间延长[21]；R I/S =2.0时，各处理组日产甲烷量的最大值出现在发酵中期(9~18 d).图 1 各处理组的日产甲烷量Fig.1 Daily methane production of each treatment group图1亦显示，含固率对日产甲烷量也有一定影响. 在TS=8%条件下，R I/S =3.0和R I/S =2.0时，均出现了最大日产甲烷量，分别达到291.92和307.6 mL ；在TS=6%条件下，R I/S =1.5时出现最大日产甲烷量，为324.82 mL ；然而，TS=2%时，无论在哪种接种比条件下日产甲烷量都较小. 因此，当接种比一定时，较高的含固率下日产甲烷量也相对较高.中温条件下菜籽饼在不同含固率和接种比下累积甲烷产量的变化规律如图2所示. 由图2可见：R I/S =2.0和R I/S =3.0时，TS=6%下累积甲烷产量最高，分别达到455.58和507.31 mL/g ；TS=2%下最低，分别为422.13和397.24 mL/g ，均显著低于同接种比的最大甲烷累积量(P <0.05). R I/S =1.5时，TS=4%下累积甲烷产量最高，为454 mL/g ；TS=8%下累积甲烷产量最低，为246.95 mL/g ，显著低于其余处理组(P <0.05).这说明在接种比一定的情况下，各处理组的累积甲烷表 2 各处理下菜籽饼和接种物的添加量Table 2 The amount of rapeseed cake and inoculumadded in each treatment group处理组含固率(TS)/%接种比(R I/S )菜籽饼添加量/g 接种物添加量/g T12 1.5 3.0178.38T22 2.0 2.4785.79T32 3.0 1.8294.75T44 1.5 6.02156.76T54 2.0 4.94171.59T64 3.0 3.64189.50T76 1.59.02235.15T86 2.07.41257.38T96 3.0 5.45284.25T108 1.512.03313.53T118 2.09.88343.17T1283.07.27379.00232环 境 科 学 研 究第 35 卷产量随含固率的增加呈先升后降的趋势，与关正军等[22]的研究结果一致，因为较高含固率的发酵物料会限制中间代谢产物(包括液态的VFAs 和气态的H 2、CO 2等物质)的传质效率，导致甲烷产量下降.注：不同小写字母表示各处理组之间有显著差异(P <0.05)图 2 各处理组的累积甲烷产量Fig.2 Cumulative methane production of eachtreatment group图2亦显示，在高含固率条件下，累积甲烷产量随接种比的增加而增加. 当TS=6%和TS=8%时，R I/S =3.0下的累积甲烷产量均显著高于R I/S =1.5和R I/S =2.0处理组(P <0.05)，且TS=6%、R I/S =3.0时累积甲烷产量最大，为507.31 mL/g. 这说明厌氧发酵系统需要有充足的接种物，微生物数量较大时，底物能够充分地被利用并转化为甲烷，因此在一定范围内，接种比越大其甲烷产量越高. 该结果与已有研究基本一致，如Rodriguez-Chiang 等[23]采用接种比为0.8~2.0开展了微晶纤维素生产废水的产甲烷潜力研究，发现在接种比为2.0时累积甲烷量最大；席江等[24]研究了接种比为2.0~8.0时榨汁橙渣的厌氧发酵情况，结果表明，当接种比为8.0时，甲烷累积产率最大且发酵周期更短；刘丹等[25]发现，在中温发酵体系中，当接种物与餐厨废弃物比为90:10时，其产甲烷率最大.根据不同处理下的累积甲烷产量计算其平均值(I )，由I 值计算同一影响因素不同处理水平下最大累积净产甲烷量变化的极值(Q )，用以表征该影响因素的变化给最大累积净产甲烷量带来变化的大小. 经计算，TS 分别为2%、4%、6%、8%时，I 依次为418.88、469.87、475.87、399.53 mL/g ；R I/S 分别为1.5、2.0、3.0时，I 依次为397.78、449.66、475.67 mL/g. 可见，TS=6%、R I/S =3.0时为最优处理. 仅考虑含固率影响时，各处理组的累积甲烷产量表现为I 6%>I 4%>I 2%>I 8%，即体系产甲烷能力随含固率的增加呈先升高后降低的趋势，该条件下最大累积净产甲烷量变化的极值记作Q 1，为76.34；仅考虑接种比时，各处理组的累积甲烷产量表现为I 3.0>I 2.0>I 1.5，即体系产甲烷能力随接种比的增加而增加，该条件下最大累积净产甲烷量变化的极值记作Q 2，为77.89. Q 2>Q 1，表明菜籽饼厌氧发酵时，接种比对累积甲烷产量的影响力大于含固率.2.2 含固率和接种比对菜籽饼厌氧发酵产甲烷潜力的影响和动力学分析利用修正的Gompertz 方程对累积甲烷产量进行拟合，确定不同处理下甲烷产出过程的动力学常数，模拟发酵的动态过程，判断产气滞留时间以及定量分析发酵底物的产甲烷潜力. 12个处理下菜籽饼厌氧发酵的累积甲烷产量曲线与修正的Gompertz 方程拟合曲线见图3，拟合得到的最终甲烷潜力(P m )、产气滞留时间(λ)和决定系数(R 2)等关键参数如表3所示. 由表3可见，各处理的R 2均在0.99以上，能较好地反映菜籽饼厌氧发酵的产甲烷规律. 含固率一定时，接种比越大，λ越小. 例如，在TS=6%条件下，R I/S 分别为3.0、2.0、1.5时的λ依次为0.67、4.31、12.14 d. R I/S =3.0时的λ为0.67~2.82 d ，R I/S =2.0时的λ为4.31~6.09 d，图 3 累积甲烷产量及拟合曲线Fig.3 Cumulative methane production and fitting curve第 1 期熊荣波等：含固率和接种比对菜籽饼中温厌氧消化特性的影响233R I/S =1.5时的λ为6.18~17.73 d ，说明较大的接种比发酵时系统的负荷较低，反应更容易进行，且接种比较小的情况不适合高含固率菜籽饼发酵. R I/S =3.0时各处理拟合得到的P m 和累积甲烷产量(P )较为接近，其中，TS=6%时获得该处理组的最大值，为568.43 mL/g. 其余接种比各处理下P m 与P 相差较大，说明这些处理发酵系统负荷较大，影响了累积甲烷产量.表 3 各处理组采用修正的Gompertz 模型拟合得出的产甲烷参数Table 3 Modified Gompertz model parameters foreach treatment group接种比(R I/S )含固率(TS)/%累积甲烷产量(P )/(mL/g)最终甲烷潜力(P m )/(mL/g)产气滞留时间(λ)/d R21.52437.26505.91 6.180.9964454.00568.3612.040.9976452.91640.0012.140.9938246.95 1 667.9217.730.9902.02422.13527.99 5.720.9904455.58535.62 6.090.9966467.39594.07 4.310.9928453.53596.12 5.740.9933.02397.24405.24 2.820.9924500.03510.47 2.310.9956507.31568.430.670.9908498.10517.650.860.991该研究结果表明，当R I/S =3.0、TS=6%时，菜籽饼厌氧发酵获得了最大累积甲烷产量，为507.31 mL/g ，且动力学模型拟合得到了较高的甲烷潜力，为568.43mL/g. 将该结果与其他原料相比：未经过气爆处理的废弃烟草叶的最大累积甲烷产量为252.7 mL/g [26]；不同预处理后芦苇的最大累积甲烷产量为238 mL/g [27]；经预处理后的麦糠最大累积甲烷产量为199.5 mL/g [28]；餐厨垃圾在CSTR 反应器55 ℃高温时的最大累积甲烷产量为463 mL/g [29]；餐厨垃圾与污泥、秸秆不同配比联合中温厌氧发酵的最好配比下的累积甲烷产量为373 mL/g [30]；添加了纤维素酶和α-淀粉酶的猪粪获得的最大累积甲烷产量为392.1 mL/g [31]. 由此可知，相比于秸秆、餐厨垃圾和粪便等原料，菜籽饼具有更高的产甲烷潜力，将其作为厌氧消化原料具有更加明显的优势.2.3 含固率和接种比对厌氧发酵液特性的影响该试验27 d 发酵过程中VFAs 、碱度、氨氮浓度及pH 的变化见图4~7. VFAs 是有机质经过水解和酸化形成的主要产物，是影响厌氧消化的主要因素之一[32-33]. 当厌氧发酵酸化阶段产生的VFAs 浓度超过4 500 mg/L 时，产甲烷过程受到抑制[34]. 碱度是判断厌氧发酵系统缓冲能力的重要指标[35-36]. VFAs 浓度与碱度的比值可以反映厌氧发酵系统的稳定性，比值高于0.8时，厌氧消化过程会受到抑制[37]. 由图4、5可见，各处理的VFAs 浓度呈先升后降的趋势，同接种比下，含固率越高，VFAs 浓度峰值就越大；除了TS=8%处理组的VFAs 浓度在第7天出现峰值外，其余处理组均在第4天出现峰值，因为在高含固率的情况下，中间传质效率会降低，从而导致VFAs 累积；碱度呈逐渐上升趋势，且接种比一定时，含固率越高，碱度越大. 同时，在整个厌氧发酵过程中各处理组的VFAs 浓度与碱度的比值均小于0.8，说明各处理组厌氧发酵系统均较为稳定.氨氮是厌氧微生物生长必要的营养物质之一，当氨氮浓度高于1 500 mg/L 时厌氧发酵系统可能会受到影响，并且随着氨氮浓度的升高，抑制作用逐渐增强[38]. 由图6可见，各处理组的氨氮浓度均呈先升高后降低再趋于平缓的趋势，且均在第10天出现峰值.图 4 各处理组VFAs 浓度的变化Fig.4 Change of the concentration of VFAs in each treatment group234环 境 科 学 研 究第 35 卷同时，整个发酵阶段所有处理的氨氮浓度均未超过1 200 mg/L ，说明各处理组全程均未出现氨抑制.pH 是影响厌氧消化进程的主要因素之一. 产甲烷菌在pH 为6.0~8.0时均可生长，其产气的最佳pH 为6.5~7.5[39]；pH 过高或过低均可能抑制产甲烷菌的活性[40]. 由图7可见，整个发酵阶段各处理组的pH 在6.5~8.0之间变化，属于产甲烷菌的正常范围. R I/S =1.5和R I/S =2.0时，各处理组的pH 均呈先降低后升高的趋势，且均在第4天时pH 最低，符合多数厌氧消化体系pH 的变化规律. 这是因为，厌氧消化初期菜籽饼占比较大，其水解酸化造成VFAs 过度积累，导致pH 降低；之后随着产甲烷菌活性的恢复，积累的VFAs 被逐渐消耗，pH 逐渐上升[39]；pH 在后期稳定在7.4~7.8左右(除TS=8%、R I/S =1.5处理外，因在接图 5 各处理组碱度的变化Fig.5 Change of alkalinity concentration in each treatment group图 6 各处理组氨氮浓度的变化Fig.6 Change of ammonia nitrogen concentration in each treatment group图 7 各处理组pH 的变化Fig.7 Change of pH value in each treatment group第 1 期熊荣波等：含固率和接种比对菜籽饼中温厌氧消化特性的影响235种比低而含固率过高的条件下会出现整个发酵体系VFAs 始终累积的现象). 相比于R I/S =1.5和R I/S =2.0，R I/S =3.0时各处理的pH 呈升高−降低−回升−趋于平缓的趋势，均在第10天时pH 最低. 在较高接种比的发酵系统中，微生物相应较多，菜籽饼水解产生的VFAs 能迅速被微生物吸收，不会导致酸化；且该时期含氮大分子逐渐分解，产生氨氮物质，也能使pH 上升[41].3 结论a) 不同含固率和接种比均对菜籽饼中温厌氧消化的发酵启动时间和累积甲烷产量产生影响，且接种比的影响大于含固率.b) 在试验研究参数范围内，接种比越大，发酵启动越快；接种比一定时，累积甲烷产量随含固率的增加呈先升高后降低的趋势；在高含固率条件下，累积甲烷产量随接种比的增加而增加. 当R I/S =3.0、TS=6%时累积甲烷产量最大，为507.31 mL/g. 含固率一定时，接种比越大，产气滞留时间(λ)越短. 结果显示，菜籽饼作为厌氧消化原料的潜力较为明显.参考文献(References )：WANG S N, YUAN R F, LIU C C, et al.Effect of Fe 2+addingperiod on the biogas production and microbial community distribution during the dry anaerobic digestion process [J ].Process Safety and Environmental Protection ，2020，136：234-241.［ 1 ］KACZMAREK P ，KORNIEWICZ D ，LIPIŃSKI K ，et al. 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第31卷第6期2023年12月环境卫生工程Environmental Sanitation Engineering Vol.31No.6 Dec.2023生物强化促进餐厨垃圾高温厌氧消化产甲烷性能的研究*杜学勋1，史晶晶2，张斯颖2（1.上海老港固废综合开发有限公司，上海200237；2.中国科学院上海高等研究院，上海201210）【摘要】为探究水原脲芽孢杆菌Ureibacillus suwonensis E11的添加量对餐厨垃圾高温（55℃）厌氧消化产甲烷性能的影响，优化生物强化的实验条件，本研究采用5L连续搅拌厌氧反应器，以餐厨垃圾为底物，以长期驯化的高温厌氧污泥为接种物，通过改变微生物添加量（0、5%、10%、15%、20%），对比高温厌氧消化的产甲烷性能，评价强化效果，确定最佳添加剂量，并结合宏基因组数据揭示生物强化的作用机制。
结果表明：与未添加功能微生物的对照组相比，各生物强化组产甲烷量均有明显提高。
最佳的功能微生物添加量为15%，在此条件下，生物强化组（575.14mL/g）比对照组（452.86mL/g）的累积甲烷产量（以VS计）提高27.00%。
生物强化可以在一定程度上提高乙酸的利用效率。
微生物群落结构分析显示生物强化通过提高几种重要水解细菌以及嗜氢产甲烷菌Methanoculleus的相对丰度，来促进餐厨垃圾高温厌氧消化产甲烷。
【关键词】餐厨垃圾；高温厌氧消化；生物强化；宏基因组中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）06-0046-08DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.06.008Study on Bioaugmentation to Promote Methanogenic Performance of Thermophilic Anaerobic Digestion of Food Waste DU Xuexun1，SHI Jingjing2，ZHANG Siying2（1.Shanghai Laogang Solid Waste Comprehensive Development Co.Ltd.，Shanghai200237；2.Shanghai Advanced Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Shanghai201210）【Abstract】In order to explore the effects of adding Ureibacillus suwonensis E11on the performance of methane production during thermophilic（55℃）anaerobic digestion of food waste，and optimize the experimental conditions for bioaugmentation.A5L continuous stirring anaerobic reactor was used in this study with kitchen waste as substrate long-term acclimated high-temperature anaerobic sludge as inoculum.By changing the microbial addition amount（0，5%，10%，15%，20%），the methanogenic performance of high-temperature anaerobic digestion was compared，the enhancement effect was evaluated，the optimal addition dose was determined，and the mechanism of bioenhancement was revealed by combining metagenomic data.The results showed that compared to the control group without the addition of functional microorganisms，all bioaugmentation groups exhibited a significant increase in methane production.The optimal addition rate of functional microorganisms was15%，and under this condition，the cumulative methane production（measured as VS）in the bioaugmentation group（575.14mL/g）was27.00%higher than that in the control group（452.86mL/g）. Bioaugmentation could improve the utilization efficiency of acetic acid to a certain extent.Analysis of the microbial community structure revealed that bioaugmentation promoted the methane production during thermophilic anaerobic digestion of food waste by increasing the relative abundance of several key hydrolytic bacteria and the hydrogenotrophic methanogen Methanoculleus.【Key words】food waste；thermophilic anaerobic digestion；bioaugmentation；metagenome0引言餐厨垃圾是居民在日常饭后所剩余的各类残渣的总称，也是城市生活垃圾的重要组成部分［1］。
河南科技Henan Science and Technology化工与材料工程总第804期第10期2023年5月收稿日期：2023-03-16基金项目：河南省科技厅科技攻关项目（232102320099）；河南省科技厅科技攻关项目（212102310070）。
作者简介：刘翠霞（1987—），女，博士，研究方向：微藻废水处理及生物质能源化。
能源微藻培养及厌氧发酵产甲烷过程的生命周期评价刘翠霞1郭雪白2郝元锋2陈俊华1胡智泉3（1.中原工学院能源与环境学院，河南郑州450007；2.河南水利与环境职业学院，河南郑州450008；3.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074）摘要：【目的】对微藻培养及厌氧发酵耦合过程进行生命周期评价，筛选最佳的能源微藻培养环境。
【方法】估算从BG-11培养基、奶牛场废水和葡萄酒厂废水中分别收获的藻类生物质（即Algae M 、Algae D 和Algae W ）经厌氧发酵产出1m 3CH 4过程的能源消耗和环境影响潜力。
【结果】三种藻类生物质在培养收获阶段的能源消耗均高于厌氧发酵阶段，同时，Algae W 不仅能源消耗最低，且该微藻生物质在产出1m 3CH 4过程中的生命周期环境影响潜值也最低。
【结论】通过葡萄酒厂废水培养的微藻生物质在产甲烷方面具有明显的优势。
另外，藻类生长量和产甲烷量的增加有利于产甲烷过程能源消耗量的减少和环境影响潜力的降低。
关键词：微藻；废水；甲烷；生命周期评价中图分类号：TK6文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）10-0075-08DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.010.016Life Cycle Assessment for the Processing of Energy Algae Cultivationand Methane Production Via Anaerobic FermentationLIU Cuixia 1GUO Xuebai 2HAO Yuanfeng 2CHEN Junhua 1HU Zhiquan 3(1.School of Energy and Environment,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China;2.Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment,Zhengzhou 450008,China;3.School of Environ⁃mental Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:[Purposes ]In order to screen the optimal cultivated environment for energy algae,the life cycleassessment of the coupled process of microalgal cultivation and anaerobic fermentation was conducted.[Methods ]Based on the identification and quantification of the energy requirement and environmental impact loading,1m3CH4produced by algal biomass from BG-11medium,dairy wastewater and winery wastewater (Algae M,Algae D and Algae W,respectively)via anaerobic digestion was evaluated.[Find⁃ings ]The investigation results showed that the energy requirement of biomass in the process of cultivat⁃ing and harvesting was higher than that in the process of anaerobic digesting .Meantime,the energy re⁃quirement for Algae W was lowest than others.Besides,for the whole process of methane production,the environmental impact potentials of that microalgal biomass also was the lowest.[Conclusions ]Thus,the studied algae cultivated in winery wastewater showed obvious advantage in methane production.More⁃over,the increases of algal biomass production and methane production were conducive to reduce the en⁃ergy requirement and environmental impact loading. Keywords:algae;wastewater;methane;life cycle assessment0引言近年来，藻类生物质能源逐渐成为全球范围内备受关注的第三代生物质能源［1-2］，同时，大量的研究结果也证实废水培养可以作为降低藻类生物质能源生产成本的主要途径之一［3-4］。
