厌氧发酵原理为什么时间长

市政污泥多级逆流厌氧发酵产酸技术研究——毕业论文
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市政污泥多级逆流厌氧发酵产酸技术研究
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不同接种物对牛粪高温厌氧发酵的影响|
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58中药浸膏药渣厌氧发酵产沼气研究_张顺喜
第4卷第11期2010年11月;环境工程学报;Vol.4,No.11;Nov.2010;中药浸膏药渣厌氧发酵产沼气研究;张顺喜王文清张剑杨洁;(1.武汉工业学院化学与环境工程学院,武汉430;2.武汉新宇环保工程有限公司,武汉430023);摘要针对中药药渣难处理的特点,以污水处理厂厌氧污;日产气量、pH值、VFA和氨态氮等为参数,对其厌;关键词中药药渣厌氧
第4卷 第11期2010年11月环境工程学报Vol.4,No.11Nov.2010中药浸膏药渣厌氧发酵产沼气研究张顺喜 王文清 张 剑 杨 洁(1.武汉工业学院化学与环境工程学院,武汉430023;2.武汉新宇环保工程有限公司,武汉430023)摘 要 针对中药药渣难处理的特点,以污水处理厂厌氧污泥为接种物,以中药浸膏药渣为发酵原料,以发酵过程中日产气量、pH值、VFA和氨态氮等为参数,对其厌氧发酵产沼气可行性、接种物与中药药渣间配比、发酵温度以及添加微量金属元素等影响因素进行了研究。实验结果表明,中药药渣厌氧发酵产沼气方案可行;在厌氧污泥接种物与中药药渣最佳质量配比为1∶2、最佳反应温度35℃,分别添加适量的Fe、Co、Ni微量金属元素时,厌氧发酵起动时间均较对比样早,产气量较对比样大大增加,且总产气时间缩短。关键词 中药药渣 厌氧发酵 沼气中图分类号 X787  文献标识码 A  文章编号 10)11-2608-051112BiogasproductionofChineseherbalresiduesZhangShunxi WangWenqing ZhangJian YangJie(1.DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineering,WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan430023,China;2.WuhanNewCosmosEnvironmentalProtectionCo.,Wuhan430023,China)1112Abstract AnaerobicdigestionexperimentsweremadetostudythetreatmentofChineseherbalresidues,withwastewaterplantsludgeasanaerobicinoculums.ImpactsofinoculumsrationtotheChineseherbalresidues,+temperature,andsupplementmetalswereinvestigated.Thedailybiogasproduction,pH,VFA,andNH4-Ncon-centrationweremonitored.ThebestpotentialofChineseherbalresiduesanaerobictreatmentwasprovedat35℃.TheoptimalgravityratiobetweenChineseherbalresiduesandsludgeinoculumsis1∶2.WhenFe,Co,andNiwereadded,respectively,theanaerobicdigestionstartedearlier,withhigherbiogasproductionandshorterbio-gasproductionperiod,ascomparedtothecontrol.Keywords Chineseherbalresidues;anaerobicfermentation;biogas  我国是中药生产大国,每年在生产大量中药的同时,也产生了大量的中药药渣,每年排放的药渣达[1]几十万吨,由于中药药渣中含有丰富的有机化合[2~4]物,如糖类、甙类、葱酮、木质素、生物碱、靴质、粗蛋白质以及微量元素等物质,若直接排放特别是粒径小、呈半固体的药渣会对周边环境造成灾难性污染,因此如何有效处理、利用中药药渣已成为中药生产厂家迫切需要解决的问题。当前在处理、利用中药药渣时,国内外研究与开发应用的技术主要集中在填埋、堆肥、焚烧、生产食[5~8]用菌和加工动物饲料等方面。以中药药渣为原料进行生物质能源应用研究目前鲜有报道,本研究以中药药渣为沼气发酵原料,对其沼气发酵潜力以及相关影响因素进行研究,旨在为中药药渣处理、利用提供一种合理可行的方法。1 实验部分1.1 实验材料及预处理中药浸膏药渣取自武汉某中药厂,运回实验室后置于4℃冰箱中保存以备用。同时对浸膏药渣的相关物理参数进行分析,测得的结果为:总固体浓度(TS)为27%,挥发性固体浓度(VS)为76.7%,含水率为70.2%,pH值为5.44。实验时选用厌氧污泥为接种物。厌氧污泥来自沙湖污水处理厂,取回后于实验室常温密封保存,其相关物理参数为:总固体浓度(TS)为5.2%,挥发性固体浓度(VS)为98.6%,含水率92.5%,pH值7.08。收稿日期:;修订日期:作者简介:张顺喜(1972~),男,硕士研究生,讲师,主要从事固体废弃物治理与资源化应用研究工作。1.2 实验装置厌氧发酵装置主要由水浴恒温振动摇床、发酵瓶、集气瓶和集水瓶等部分组成,如图1所示。水浴恒温振动摇床振动频率为100Hz;发酵瓶为500mL的透明医用注射玻璃瓶,发酵瓶装料后用带铝薄橡胶塞封口,其上固定的带针头医用输液管为沼气导出管,通过沼气导出管上的铁夹控制发酵瓶内气体的导出与关闭。集气瓶用500mL的透明医用注射玻璃瓶,以橡胶塞封口,其上穿有两 3mm的塑料管,分别为进气管和导水管。集水瓶为500mL的玻璃瓶。量以及产甲烷速度等有影响,故对此进行了研究。实验时厌氧污泥接种投加量为10g,接种物与药渣投加的质量比(按干物质计,下同)分别为1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5,混合定容到350mL后,密封并放置在振动摇床内(未注入水)于室温下发酵。实验时,各实验样均设3平行样;每天定时测量发酵所产生的气体,每周测一次pH值,连续10d内无气体产生视为产气结束,发酵实验即完成。实验自日起,实验结果如图2所示。图1 厌氧发酵装置简图Fig.1 Schematicdiagramofanaerobicfermentationequipment实验时,将中药药渣和接种物按一定比例装入发酵瓶中,混合并定容到350mL,用铝薄橡胶塞密闭后,放入振动摇床内。测量沼气体积时,摇床停止振动,将进气管与发酵瓶上的沼气导出管用软管连接,打开铁夹将厌氧发酵产生的沼气导入装满水的密闭集气瓶中,气体输出完毕,通过量筒测量集水瓶中水的体积即为当次沼气产生体积。为避免由于时间导致的测量误差,每日定时测量。用注射器抽取发酵瓶静置后的上清液,离心后测定发酵瓶中pH、氨氮和挥发性有机酸(VFA)等参数。1.3 测定项目及方法总固体浓度:烘干法,即105℃恒温箱中烘4~6h烘至恒重;挥发性固体浓度:烘干法,即马弗炉中600℃下烘1h;含水率:烘干法,即105℃恒温箱中烘3~4h;挥发性有机酸:分光光度法;氨态氮:蒸馏-滴定法;pH值:pH测试仪测定(美国奥利龙公司,型号:86801);产气量:采用排水集气法收集气体,每天上午10点按时测量。图2 接种物与中药药渣不同质量比对日产气量的影响Fig.2 EffectsofgravityratiobetweenChineseherbalresidueandsludgeinoculumsondailybiogasproduction2 实验结果与讨论2.1 接种物与中药渣不同质量比对产气量的影响接种物主要为药渣接种厌氧消化所需的微生物,由图2可知,对比样(1∶0)由于仅有厌氧污泥而未投加中药药渣,实验时只有零星气体产生,且产气量很低;而在中药药渣中投加厌氧污泥接种物后,各质量比的药渣在装瓶后连续4d均有气体产生,[9,10]出现连续产气的原因为接种物里面含有大量的水解菌、产酸菌及产甲烷菌,能在很短的时间内开始发酵,产生气体;随后进入产气停止期,在经过不等的产气停止期后,各药渣又陆续开始正常产气,产气量逐渐变大,经过产气高峰后产气量逐步减少,直至产气停止,但各药渣的产气停止期、连续产气时间存在差别,1∶1配比的药渣停止3d后,开始大量产气,且连续产气时间15d,总产气量为578mL(扣除对比样产气量,下同);1∶2配比的药渣停止5d后,开始产气,连续产气时间19d,总气量为925mL;而1∶3和1∶4配比药渣停止期长达9d,且在实验的时间内未见产气停止,持续产气时间较长,两者的产气量分别为1046mL和715mL;然而1∶5配比药渣在实验时间内未再次出现产气。为进一步分析上述现象,对各配比药渣发酵时的pH值进行测量,其结果如图3所示。由图3可知,1∶5配比药渣其pH值持续降低,14d后pH值[9,10]为3.6,其产气停止、pH值持续下降原因为接种物较少,药渣多,使得药渣在水解、酸化阶段产生的积累,表现为严重酸化,pH值下降,而低pH值对甲烷菌的生长繁殖不利,从而表现为产气停止,pH值持续下降,与实验结果吻合。1∶1配比的药渣,pH值相对较高,由于药渣量少,接种物多,药渣水解、酸化产生的有机酸能被甲烷菌即时消化,表现为pH值较高,且该pH值也有利于甲烷菌生长、繁殖,使得产气速度加快,但投加药渣少,产气量有限,与图2和图3实验结果相符。1∶2配比的药渣分析与1∶1配比类似,由于药渣量增加,使得产气连续时间延长,产气量加大。1∶3和1∶4配比药渣,pH值经过一段时间的下降后又逐步增高以致趋于稳定,但1∶4配比药渣pH值持续下降时间稍长,出现上述现象原因为:由于药渣量增多,有机物水解、酸化进程较慢,表现为有机物充分水解、酸化所需时间较长,即pH值逐渐降至最低的时间较长,由于pH值持续降低,使得甲烷菌的生长受到抑制,表现为正常产气起始时间延长,在pH值达到最低后,甲烷菌逐渐适应环境并开始分解有机酸,结果pH值缓慢提高,同时高pH值下甲烷菌快速生长、繁殖,甲烷菌数量增多,使得消耗的有机酸增多,表现为产气量增加,pH值提高。同时注意到:在1∶1、1∶2、1∶3和1∶4配比时,pH值达到最低值后,随之均出现产气高峰,其原因为有机物不断水解、酸化造成有机酸的积累,使得pH值降低,但有机酸的积累也为甲烷菌的生长提供充足物质,随着甲烷菌分解,有机酸减少而使pH值提高,而此时甲烷菌生长有利,使得产气量增大。结合正常产气起动时间短、产气总量大两因素,确定厌氧污泥接种物与中药渣最佳质量比为1∶2,同时后续实验接种物与药渣质量比均采用该值。及接种物的生长繁殖,故对此进行了探讨。实验时设置的研究温度为中温区35±1℃、高温区60±1℃和常温区,厌氧污泥接种物与药渣最佳质量比1∶2,实验样品密封完毕后,分别放置在无水、水温为35℃、水温为60℃水浴振动摇床中,且各实验样均设3平行样。实验自日起。实验结果如图4所示。图4 不同发酵温度对药渣日产气量的影响Fig.4 Effectofdifferenttemperaturesondailybiogasproduction图3 厌氧发酵时接种物与药渣不同质量比对pH值的影响Fig.3 EffectsofgravityratiobetweenChineseherbalresidueandsludgeinoculumsonpHvalueduringanaerobicfermentation2.2 发酵温度对药渣混合发酵产沼气的影响发酵温度对厌氧微生物的生理活动有较大影响,如生物细胞内某些酶的活性、微生物的生长速率由图4可知,在开始阶段均有气体产生,经过几天发酵后,产气量降至最低,随后逐渐进入产气高峰期,高峰之后产气量下降直至为零,变化规律相似,但产气量、产气高峰期和产气速度有差别,常温发酵时,总产气量为872mL,产气高峰期约在第18d,总产气时间较长为27d;而高温区发酵,总产气量为943mL,高峰产气时间较早约在13d,总产气时间为24d;中温发酵时,产气量最大,为1061mL,产气高峰为第16d,总反应时间26d。出现上述原因为:常温时,气温时高时低变化很大,对微生物生长不利,[11]表现为微生物的活性时高时低,日产气量波动较大,对有机物的消化时间延长,然而常温时的日平均气温为27℃,较高,微生物仍有一定活性,故产气量也较高;高温发酵时,微生物从室温时嗜温菌占优过[10]渡到高温时嗜热菌占优需经过驯化过程,因而微生物需经过一适应过程,如图4看到发酵初期约有5d的产气较低期,适应后,温度高,微生物生长繁殖加快,原料分解速度较高,产气高峰出现较早,产气速率较大,发酵总时间较少,然而发酵初期嗜热菌的驯化和富集消耗了一部分有机物,使得产气量较中温时低;中温发酵时,温度与常温接近,微生物经过短暂适应后,开始正常产气,由于温度稳定,嗜温菌的活性较好,也无菌种的驯化而消耗有机物,因而产气量较大。结合节能和产气量大两因素,确定中℃。2.3 添加微量金属元素对药渣厌氧发酵产沼气的影响[12,13]有研究表明:在厌氧消化过程中,添加如Fe、Co和Ni等微量金属元素能加速厌氧微生物细胞的合成,促进厌氧微生物生长、繁殖,提高对氨态氮毒性的拮抗作用,从而可提高甲烷产率。为提高中药药渣的产气速度、产气量,缩短发酵周期,实验对此进行了研究。实验时设置了4个实验样,各实验样中厌氧污泥接种物与中药渣最佳质量比均为1∶2,其中一个为不添加微量金属元素对比样,3个为2+2+2+[13]分别添加Fe、Co和Ni微量金属元素实验样,各金属元素投加量分别为1、0.1和0.2mg/(L?d)。上述4实验样经NaHCO3调节初始pH值为7.5后,放置在水温为35℃水浴振动摇床中进行厌氧发酵,且各实验样均设3平行样。结果如图5所示。前对比样的pH值经NaHCO3调节到7.5,虽在发酵时间内pH值逐步降低,但该pH值范围不是水解、酸化的最佳范围,药渣水解、酸化有限,使得甲烷菌生长所需的VFA较低,表现为总产气量较少;而pH值降低缓慢,没有图3那样快速,除初始pH值不同外,从图7和图8分析可知,氨态氮和VFA虽均在随时间增加,但氨态氮对发酵过程中积累的VFA有一定缓冲作用,故pH值降低缓慢。图5 微量金属元素对药渣日产气量的影响Fig.5 Effectsoftracemetalcontentsondailybiogasproduction由图5可知,添加微量金属元素对药渣厌氧发酵日产气量有较大影响,对比样由于未添加微量元素,装瓶4d后,出现了3d的产气停止期,正常产气后日产气量较少,总产量也仅为230mL;而分别添加微量元素Fe、Co和Ni后,三样品虽均在第4~7d内产气量较低,但都未出现产气停止期,此后陆续进入产气高峰期,经过3~5d的产气高峰期后,日产气量逐步减少,直至最后产气完全停止,总产气时间大约20d,且总产气量大为增加,添加微量元素Fe、Co和Ni三实验样所对应的总产气量分别为和1083mL,均比对比样大得多。同时注意到,3种微量元素下产气高峰时间不同,前2种元素产气高峰大约在第10d,而Ni相对较晚,约在第12d。为解释上述现象实验时对药渣厌氧发酵过程中+的pH值、VFA和NH4-N进行了测量,结果分别见图6~图8所示。对比样总产气量较少,未出现图2,  添加微量元素后,未出现产气停止期,从图7分析可知,添加微量元素后,VFA快速增加,随之被接种物内的甲烷菌所利用,产生气体,故未见产气停止期;经过一段时间后,VFA达到最大值,紧接着出现产气高峰,开始大量产气,根据文献[14,15],微量金属元素Fe、Co和Ni对丙酸菌和氢营养细菌有激活作用,会增加产酸活性,促进VFA快速增加,同时微量元素参与厌氧微生物体内细胞色素、细胞氧化酶的合成,也是细胞内氧化还原反应的电子载体,故可促进产甲烷菌对乙酸的利用率,表现为产气量大增,从图7看到,Fe、Co金属元素出现最大VFA的时间比Ni的要早3d,故Ni的产气高峰期比Fe、Co稍晚,上述现象与图5、图7实验结果相符,也再次证明VFA增加为甲烷菌提供充足营养物质。由于甲烷菌大量繁殖以及对VFA利用率提高,故VFA开始减少。氨态氮是蛋白质降解产生的,在发酵过程中,既可为微生物的生长提供N源,也可对系统中产生的VFA积累产生缓冲作用。添加微量元素后,氨态氮并未出现对比样类似持续增加情形,相反,增加一段时间后出现短暂下降,随之又缓慢增长,出现短暂下降时间刚好在VFA最大值之后,与产气高峰时间刚好对应,这充分说明添加微量元素后,大大促进了产酸菌、甲烷菌的繁殖、生长,使得大量的氨态氮为微生物的生长提高N源,故氨态氮均相应低于对比样的值,同时甲烷菌的增多,对VFA的消耗增加,因而产生大量的气体,出现产气高峰;由于甲烷菌过度繁殖,有机物、N源供给不足,部分微生物失活、死亡,使得VFA、氨态氮出现小幅增加,此时日产气量也逐渐下降,与图5、图7和图8实验结果基本吻合。然而如图6所示微量元素添加后pH值并未随VFA的增大而减小,相反pH值先变大再减少,其pH值增大原因还需探讨。综上所述,微量元素Fe、Co和Ni的添加,大大促进了产酸、产甲烷菌的生长,从而加快了产气速度,大大增加了产气量,且缩短了产气周期。(2)常温发酵时,总产气量为872mL,产气高峰期较晚,总产气时间较长为27d;而高温区发酵,总产气量为943mL,高峰产气出现较早,总产气时间最短为24d;中温发酵时,产气量最大为1061mL,产气高峰在两者之间,总反应时间26d。结合节能和产气量大两因素,确定中温区35℃为最佳的发酵温度。(3)微量元素Fe、Co和Ni的添加,较对比样大大促进了产酸、产甲烷菌的生长,而未出现产气停止期,起动时间较早,产气速度较快,同时产气量分别为和1083mL,与对比样230mL相比均大大增加,且缩短了总产气周期。参考文献[1]杨磊,夏禄华,张衷华,等.植物提取生产中固形废弃物生态化利用的现状及发展趋势.现代化工,):14[2]邹艳敏,吴静波,仰榴青,等.中药渣的综合利用研究进展.江苏中医药,):113-115[3]陈缤,贾天柱.中药渣的综合利用.中成药,2005,27(10):]吴纯洁.中药药渣的综合利用与处理.中国中药杂志,):12-15[5]李桂平.大青叶、板蓝根药渣饲用价值与利用.农产品加工?畜产品,):22-24[6]佘红,岳文辉,方建龙,等.中药药渣栽培金针菇试验.食用菌,):28-29[7]刘瑛,程秀莲.利福霉素SV钠盐药渣制取粗蛋白的工艺研究.当代化工,):229-231[8]王娉.混凝法从利福霉素SV钠药渣中回收蛋白质的研究.安全与环境学报,):51-53[9]刘荣厚,王远远,孙辰,等.蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气的试验研究.农业工程学报,):6-8[10]王远远.蔬菜废弃物沼气发酵工艺条件及沼气发酵残余物综合利用技术的研究.上海:上海交通大学硕士学位论文,2008[11]周孟津,张榕林,蔺金印.沼气实用技术.北京:化学工业出版社,2004[12]李亚新.厌氧消化过程中甲烷菌的无机营养需求.中国沼气,):1-5[13]李亚新,董春娟,徐明穗.厌氧消化过程中Fe、Co、Ni+对NH4-N的拮抗作用.城市环境与城市生态,):26-28[14]潘云锋,李文哲.微量金属元素对牛粪厌氧发酵产气特性的影响.江苏环境科技,):4-6[15]李亚新,杨建刚.微量金属元素对甲烷菌激活作用的动力学研究.中国沼气,):30-323 结 论(1)厌氧污泥接种物与中药药渣投加的质量比不仅对沼气的总产量有较大影响,而且对沼气的起动时间、运行时间也影响较大,在厌氧污泥接种物与中药药渣投加的质量比为1∶2时,起动时间7d,连续运行时间19d后,产气量达925mL,结合产气起动时间短、产气总量大两因素,确定1∶2为最佳的厌氧污泥接种物与中药药渣质量比。包含各类专业文献、专业论文、文学作品欣赏、幼儿教育、小学教育、中学教育、外语学习资料、高等教育、58中药浸膏药渣厌氧发酵产沼气研究_张顺喜等内容。
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确实是这样呵,无论如何发酵,自然界都会有乳酸菌产酸的,建议您在发酵前按原料量的1-3%加入轻质碳酸钙,如果感觉可能会变得很酸,则多加点即加3%,否则加1%。
底层变酸,说明可能是加水量加多了水,水往底下流,造成底下含水量偏高,所以,低下偏酸一些,建议在原来基础上适当减少用水量。
用粗饲料降解剂发酵完毕后,建议还是用小苏打粉或碳酸钙粉中和到PH6-7左右,再简单在蒸料一次,灭菌处理一下,再接种平菇菌种为宜。
您说的半发酵是什么意思,是否是没有发酵透彻的意思。
半发酵料我也是在书本上看过,说的不明。是不是料简单发酵,再蒸料?但是料简单发酵要到什么程度?
也许是因为种平菇之前,先用发酵剂简单发酵一下基料,则简单蒸料一下,再接种平菇种植食用菌,所以,才叫半发酵料吧,不过,通过一样一次发酵,接下来只需要简单的蒸料,不然的话,象传统那样要常压蒸料12小时,也太麻烦了。
这种先发酵一下,再简单蒸料,再种植食用菌,也许就叫半发酵料吧。但接种平菇菌之前,最好中和一下PH值。
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