文摘

本文提出了一种甲烷生产通过测序的厨余垃圾厌氧消化的方法,确定了水解常数和反应订单总固体(TS)在低浓度、高TS浓度使用初始速率的方法,并探讨了人口增长模型和一阶水解模型。研究结果表明,一阶水解模型更好地反映天然气生产的动态过程。在实验中,厌氧发酵的影响因素保留其最优值。以低TS浓度水解常数和反应订单然后用来证明一阶天然气生产的动力学模型可以描述天然气生产过程。在TS浓度低,水解常数和反应订单证明了相反的趋势,与稳定后24天在0.99和1.1252,分别。在TS浓度高,水解常数和反应订单稳定在0.98(18天之后)和0.3507(14天),分别。给出足够的反应时间,所涉及的水解厌氧发酵的厨房垃圾可以被看作是一个一阶反应的反应动力学。本研究是一个很好的参考未来的研究关于厨房垃圾的厌氧消化动力学。

1。介绍

厨房垃圾构成城市垃圾的一个关键部分,占高达30%到50%的城市固体垃圾根据国家环境公报[1]。仅在中国2012年,厨房垃圾产生的数量是1.1亿吨(2]。厨房垃圾有时被用作动物饲料(3,4),但也存入垃圾填埋场,导致减少垃圾填埋容量和环境问题5- - - - - -7]。组成的有机物含有淀粉、蛋白质、纤维素、脂肪,厨房垃圾的特点是含水量高、有机物含量高,接触酸化(8]。因此,厌氧消化被认为是一个有效的方法回收厨房垃圾,浪费而不产生污染物的处理。与此同时,甲烷,一种清洁的能量来源,可以由厌氧消化,使这个过程的一个例子很好资源利用率(9,10]。此外,厌氧消化产生的固体废物含有较高的氮、磷含量,这样它可以用作有机肥料11,12]或饲料微藻生产生物柴油(13]。通过这种方式,解决厨余垃圾厌氧消化可以促进资源的回收和重用。

研究反应动力学的第一步是确定的反应,这是一个指标的反应物浓度对反应速率的影响,以及研究反应机理的关键参数。四个方法到目前为止提出了确定反应顺序:积分法、微分法,半衰期的方法,和初始速率法14,15]。初始速率法是一种简单而有效的方法确定反应顺序。定义为瞬时速度的开始反应在一定条件下,初始速率被认为是一个好的指示器反应物浓度与反应速率之间的关系的逆向反应和副反应在这个阶段可以忽略不计。Wanasolo等人确定了水解常数和反应顺序厌氧消化的水果使用初始速率法(16]。本研究调查的趋势水解常数和反应顺序的厨余垃圾厌氧消化实验期间基于初始速率法和甲烷产量。厨房垃圾的结果表明,厌氧消化可以描述和预测的一级反应模型。

2。材料和方法

2.1。原材料和培养液

厨余垃圾是来自当地大学的食堂。非降解性物质如鱼骨和一次性筷子被移除,然后浪费是切成1厘米×1厘米×0.5厘米立方体和储存在4°C。总固体(TS)浓度和挥发性固体(VS)浓度分别为23.31%和92.84%,分别。污水污泥作为接种体获得了从当地污水处理厂和治疗轻微的温度。TS浓度、VS浓度和carbon-to-nitrogen (C / N)污水污泥的比例分别为11.26%,77.79%和7.41,分别。

2.2。设备和方法

定制的反应堆由三个1 L宽口瓶作为反应瓶,气体收集瓶子,瓶子和水收集。三个低TS浓度测试,17.8克,60.7 g和103.6 g原材料涨跌互现,在反应瓶300毫升污泥。根据需要添加水这样的解决方案在所有反应瓶达到1 L。在这些情况下,最初的TS浓度分别为4%,5%,和6%,分别。对于三个高TS浓度测试,330.7克,352.1 g和373.6 g原材料涨跌互现,在反应瓶150毫升污泥。根据需要添加水这样的解决方案在所有反应瓶500毫升。在这些情况下,最初的TS浓度分别为19%,20%,和21%,分别。高纯度N₂是5分钟然后注入每个反应堆排出空气。反应瓶和气体收集瓶被玻璃管连接,使用乳胶管,其次是使用橡胶闭锁装置和密封胶密封。恒温水浴锅是用来维持指定的温度。每个实验旨在组3个平行样品。加水后发酵反应器水平(1升),反应瓶都是孵化在37°C水浴30 d,这期间进行了激动人心的一天两次。的pH值测量解决方案和天然气生产日常避免抑制现象等问题。

在厌氧发酵过程中,所有的影响因素保留其最优值。具体来说,发酵罐加热时在水中保持内部温度37°C,这是适合厌氧发酵。解决方案的pH值调整下降6.8至7.2的范围内。此外,发酵罐是动摇了一天两次搅拌的目的,它是密封的。

2.3。分析方法

产品在TS浓度组和VS浓度组加热到103 - 105°C和600°C,分别。pH值的解决方案使用数字酸度计测定。产生的气体的体积测量使用饱和盐水替代方法。

2.4。厌氧发酵动力学模型

2.4.1。人口增长模型

编写逻辑斯蒂方程如下: 在哪里是单位挥发性有机物产生的甲烷累积量(毫升/全球之声),是甲烷的最大生产潜力(mL /全球之声)是甲烷的最大产量(毫升/问/ d),是反应时间(d),λ是延迟时间(d)。

修改后的龚珀兹方程是复制如下: 在哪里是单位挥发性有机物产生的甲烷累积量(毫升/全球之声),是最终的数量单位产生的甲烷挥发性有机物(mL /全球之声)是甲烷的最大产量(毫升/问/ d),是反应时间(d),λ是延迟时间(d)。

的,,逻辑斯蒂方程中的值是相同的动力学参数,,在修改龚珀兹方程。本研究采用非线性回归方法使用原点8.0软件进行逻辑斯蒂方程的动力学参数分析和修改龚珀兹方程。

2.4.2。一阶天然气生产模型

一阶天然气生产模式17)是基于以前的研究证明生物降解的有机物转化为甲烷在特定的比率(18]: 在哪里是理论的甲烷生产单位挥发性有机物(mL /全球之声)单位是实际数量的甲烷产生挥发性有机物在哪里(毫升/全球之声),是反应时间(d),是水解常数()。

通过这种方式,和可以确定相应的有机物。

2.5。初始速率法

程序的初始速率方法如下:假设反应反应速率(可以获得的) 在哪里和初始反应物的浓度吗和,而是产品的浓度结束时的反应;,,代表反应的订单,,分别为(16]。

初始速率法是基于不同的反应物浓度。在这项研究中,一个反应物的浓度为每组被分配三个不同的值,而其他反应物的浓度保持不变。随着实验的进行,反应物和生成物的浓度测定。

厌氧发酵是指一个过程中,甲烷是由有机物;因此,甲烷产生的数量可以被记录和使用调查水解常数和反应初始速率法。如果→代表对甲烷的转化,在那里表示反应物的浓度,即与一开始的质量。定义组与1,2,3倍初始TS浓度组,,,分别。假设他们显示一致的水解常数和,在那里可以更换的在特定时刻(产生气体的比例);然后,,可以重新安排,可以确定。

3所示。结果与讨论

3.1。厌氧发酵过程的熵变分析

熵是一个状态函数用于描述一个系统的混乱程度。相关过程的熵变只是系统的初始状态和最终状态,无论方法或方法。表示吉布斯自由能变化,。在恒定的温度和压力条件下,协会是正确的:如果和,然后自发反应发生;如果和,然后非自发发生反应;如果和,那么反应处于平衡状态(19]。厌氧发酵过程的熵变分析评估过程从一个新的角度,提供一个可靠的科学理论对厌氧发酵技术的发展和完善,以及治疗效果的评价。

厨房垃圾的复杂成分使完成分析发酵过程的困难;因此,厨房垃圾是简化的消化底物葡萄糖为便于分析。厌氧发酵过程中,葡萄糖是首先水解和酸化成有机酸或醇不少于2,然后转化为乙酸,H₂、有限公司₂由hydrogen-producing产乙酸菌,最后转化为CH₄产甲烷菌的作用下。表1阐述了标准吉布斯自由能变化当使用葡萄糖作为水解发酵底物和细菌,酸生产,发酵(20.,21]。

表中的数据1表明,在水解反应的标准吉布斯自由能的变化,体内酸性物质的产生、和发酵阶段都小于零,这意味着所有的反应发生在标准条件下自发地从左到右。

因此,这些反应的熵值都大于零,以及熵增加的过程。

标准吉布斯自由能变化当使用hydrogen-producing产乙酸菌代谢有机酸和醇类表所示2(20.,22]。

根据表2,标准吉布斯自由能变化对于大多数反应的氢和醋酸生产阶段都大于零,表明大多数的反应并不发生在标准条件下自发地从左到右。因此,这些阶段的熵小于零,表明一个熵减少的过程。

此外,的数值通常小。通过适当地修改一些反应条件,能量变化可以调整低于0,促使反应发生从左到右。

标准吉布斯自由能变化当使用产甲烷菌的代谢中间体在表说明3(20.,23]。

表中的数据3表明,该反应的标准吉布斯自由能变化值在甲烷生产阶段都小于零,表示所有的反应发生在标准条件下自发地从左到右。因此,熵在这个阶段是大于零的,这意味着它是一个熵增加过程。

3.2。讨论结果为厌氧消化模型TS浓度较低

3.2.1之上。结果讨论人口增长模型

厨房垃圾的厌氧发酵过程与初始TS浓度为4%,5%,6%使用人口增长模型进行了分析。非线性拟合软件来源建立逻辑斯蒂方程的拟合参数和修改龚珀兹方程描述的厨余垃圾厌氧发酵不同初始TS浓度(见表4和5)。

表4和5透露,虽然的值不同的TS浓度不同,他们都介于0.95和1。这证明了人口增长模型适用于模拟的厨余垃圾厌氧发酵、沼气生产TS浓度较低。对于不同的TS浓度,结果也证明了逻辑斯蒂方程和修改龚珀兹方程是正确的方法拟合厨余垃圾的厌氧发酵、沼气生产过程各TS浓度。特别是修改龚珀兹方程显示最大的天然气生产潜力(540.94毫升/全球之声)应用于厨房垃圾TS浓度5%,紧随其后的是厨房垃圾潜力在TS浓度6%和4%,513.09毫升/全球之声和485.10毫升/全球之声,分别。

因为厨房垃圾含有大量的容易可分解的有机淀粉喜欢米饭和馒头,等有机蛋白质适量瘦肉和鸡蛋,碳和氮的比值在厌氧发酵过程中始终是合适的。这不仅加速水解反应,也有利于微生物的生长和繁殖,从而确保反应进展顺利。通过这种方式,实验可以生成沼气从一开始,没有任何时间延迟。

3.2.2。一阶天然气生产模型的结果讨论

表6显示和在TS浓度不同,提出了一阶天然气产量预测的模型。结果表明,对所有初始TS浓度> 0.99是有效的,表明该模型的有效性好厨余垃圾厌氧发酵的TS浓度较低。因此,该模型用于理论分析获得的实验数据。

是一个指标的生物可降解物质的比例已经消化,和大吗值指示反应率高。而反映了产生甲烷的速率,反映出气体产生的数量。因此,结合产生的气体总量和生产的速度,使它的一个很好的指示器利用生物可降解物质的原料。换句话说,是一个特征参数的天然气生产的反应。一个大的值表示高天然气为原料生产能力。因此,这一研究获得的值表明利率有机大分子转化成化合物,这一研究获得的值表明有机大分子转化为甲烷的转换效率。

结果表明,水解常数对应TS浓度为4%,5%,和6%是0.2179,0.1170,和0.1430,分别。与此同时,的值对应于TS浓度为4%,5%,6%是4.8109,4.1292,和4.2131,分别表明反应速率在t = 4%最大化,最小化TS = 5%。此外,值的所有团体超过0.99,展示良好的有效性提出了一阶天然气生产模型的预测的厨余垃圾厌氧发酵。

根据公式和实验数据的人口增长模型和一阶天然气生产模型,两个模型达到一个令人满意的拟合效果为厨房垃圾的厌氧发酵、沼气生产过程TS浓度较低。在这项研究中,人口增长模型总收益率相关系数0.95和1之间的值,而一阶天然气生产模型相关系数值大于0.99。这些结果表明,TS浓度较低的厨房垃圾,一阶天然气产量模型在拟合最好的结果厌氧发酵、沼气生产过程,因此它可以被用于实验的理论分析。

3.3。初始速率法厌氧消化TS浓度较低

让团体的初始TS浓度是4%,5%和6%被定义为组,,,分别。假设他们显示一致的水解常数,,。通过这种方式,可以获得。在测试期间,所有组的水解常数和反应订单每天测量,和平均值记录,如图1。

数据表明,水解常数和反应表现出相反的趋势,尽管最终稳定。反应订单在前三天有所下降到最低为0.6822,从第四天增加到17天,最后逐渐减少直到稳定在0.99天24。水解常数增加在第一次六天,从7天减少17,然后稳步增长直到稳定在1.1252天24。因此,厨房垃圾的水解与初始TS浓度为4%,5%,6%可以被描述为一阶水解动力学方程。

3.4。厌氧消化的初始速率法在高TS浓度

在大多数研究涉及厨房垃圾消化,一阶水解常数获得基于连续干发酵。例如,吴等人研究了厨房垃圾的厌氧消化与猪粪混合在温和的温度24]。在这个研究中,喂食的有机物逐渐增加。李等人研究了加载速率对厨房垃圾的厌氧消化的影响在逐渐增加有机饲养25]。与这些研究相比,赖昌星等人提出了一个基于半连续天然气生产模型的厨余垃圾厌氧消化与猪粪混合在逐渐增加有机饲养26]。左翼调查了有机加载速率对厌氧消化的影响以番茄为基础的固体废物和获得基于一阶水解反应(17]。Mahnert和左翼调查了一阶的动力能源作物和动物粪便的厌氧消化并确定天然气生产理论上和实际上,以及确定浓度挥发性固体的反应堆,流出液体,浓度和反应速率常数27]。然而,这些研究证明了一阶模型单独厨房垃圾的厌氧消化。这项研究调查了订单测序反应的浪费与初始TS浓度为19%,20%,和21%使用初始速率方法提供参考确定反应订单干发酵的厨房垃圾,以及造型连续干发酵过程。

平均水解常数和反应的厨余垃圾厌氧消化的初始订单TS浓度为19%,20%,和21%,从最初的时刻到一个特定的点,得到,如图2。

数据显示,反应顺序从0.8027到0.4552期间的前三天,然后增加到1.2511在5天。后来,水解常数波动和稳定在0.98后18天。相比之下,水解常数增加在第一次4天,直到它达到1.1479;然后,它减少了从第五天到第八天,再次增加,稳定在0.3507后14天。这些结果表明,水解厨房垃圾的初始TS浓度为19%,20%,21%可以被描述为一阶水解动力学方程。

4所示。结论

()分析了熵的变化对应的每个阶段厌氧生物处理过程。水解和酸化阶段的标准吉布斯自由能变化和自发进行的反应;因此,它是一个熵增加过程。相反,在氢和醋酸的生产阶段,对于大多数的反应;因此,它是一个减熵过程。在甲烷生产阶段,自发反应发生;因此,它是一个熵增加过程。大多数的反应是自发的厌氧生物处理过程中;只有氢和醋酸生产阶段非自发。从热力学的角度来看,这些阶段需要额外的能量和物质供应。

()本研究确定了水解常数和厨房垃圾的厌氧消化反应订单使用初始速率的方法,除了研究人口增长模型和一阶水解模型。结果证明一阶水解模型能够更好地反映天然气生产的动态过程。结果显示应用程序提出了一阶天然气生产模型的厨房垃圾的厌氧消化。

(30天)在厨余垃圾厌氧消化的TS浓度较低,水解常数和反应订单证明了相反的趋势,24天后稳定在0.99和1.1252,分别。

()在30天的厨房废物的厌氧消化TS浓度高、水解常数和反应订单稳定在0.98(18天之后)和0.3507(14天),分别。这些结果说明水解厨房垃圾TS浓度低和高的TS浓度可以描述使用提出了一阶水解动力学方程。

()如果有足够的反应时间,所涉及的水解厌氧发酵的厨房垃圾可以被看作是一个一阶反应的反应动力学。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由美国国家科学和技术支持(没有。2014 bac24b01)和青年农业科技创新人才培养计划的辽宁省(不支持。2014016)。