甘蔗厌氧Codigestion出版社与食物浪费泥:影响水解阶段,甲烷产量和协同效应

文摘

甘蔗压泥(SPM)具有很高的潜在生产可再生能源通过厌氧消化(广告);然而,水解过程的限制阶段是由于缓慢降解的化合物的存在。另一种能改善这一缺陷是厌氧codigestion (AcoD)。在这个调查中,monodigestion SPM及其AcoD食物浪费(FW)通过生化甲烷潜力进行评估(BMP)测试,和动力学参数进行了分析通过分析的一阶动力学模型和修改龚珀兹。本研究表明,AcoD SPM的弗兰克-威廉姆斯改善水解阶段,增加甲烷(CH₄)产量、改善过程的稳定性,提出了协同效应。至于水解阶段,水解常数增加,减少滞后阶段。的monodigestion SPM (SPM:弗兰克-威廉姆斯100:0)显示增加了9%的外部营养解决方案,而AcoD SPM:弗兰克-威廉姆斯80:20比率显示最高的CH₄12和22%的收益率,增量与SPM的monodigestion WN和神经网络条件下,分别。甚至可以添加多达40%的弗兰克-威廉姆斯(SPM:弗兰克-威廉姆斯60:40),实现增长5%相比monodigestion SPM神经网络条件下。协同效应这一研究表明,获得的弗兰克-威廉姆斯的整合,在基质比率计算,将提高SPM的广告没有添加外部营养解决方案,代表的经济和环境效益在全面实施这一选择。

1。介绍

根据粮农组织(1),2016年约190万吨甘蔗生成,主要用于生产的糖,巴西、印度和中国是世界上最大的生产商。从甘蔗糖生产过程,不同的副产物生成,其中甘蔗压泥(SPM)突出,生产果汁的澄清和过滤。平均28 - 45公斤的SPM每吨减少甘蔗可以生成(2),一般安排在土壤或应用于甘蔗作物,主要由于其营养含量高,氮(3,4]。然而,这些做法会影响土壤孔隙度,产生不良气味,污染水源,由于脂肪的存在和SPM的有机化合物。

的一般组成SPM演示了其潜在的生产可再生能源通过厌氧消化(广告)5,6];然而,所形成的木质纤维素的结构,避免了溶液化的营养吸收的微生物(7),影响其降解性,被水解限制阶段(8]。为了解决这个问题,物理、力学和化学预处理和组合这些曾经开展;然而,他们是昂贵的选择,需要专门的设备和人才或能产生有毒的副产品9]。更可持续的策略提高SPM是使用厌氧水解codigestion (AcoD),由于协同效应引起的互补特色添加辅被用物(10]。

在SPM的情况下,残留的高含量有机物快速降解,如食物浪费(FW)可以使用11]大量生成,并能代表市政固体废物的最大组成部分,达到50%,发达国家和发展中国家在50 - 75%之间(12,13]。此外,超过95%的这些浪费在垃圾填埋场,他们成为材料具有高污染潜力(14,15]。尽管优点AcoD SPM的弗兰克-威廉姆斯,抑制和有机过载的问题会影响水解阶段,甲烷(CH₄)收益率,重要的是定义最充足的底物比例的过程。因此,在这项研究中,SPM的AcoD弗兰克-威廉姆斯是评估,分析了影响水解阶段,CH₄产量、和协同效应。

2。材料和方法

2.1。描述的基质和培养液

甘蔗压泥(SPM)是由位于Cauca糖厂提供国家(哥伦比亚)。食物浪费(FW)成立的浪费大学的餐厅del Valle (Cali-Colombia),考虑到物理组成和理化特性产生的未经加工的弗兰克-威廉姆斯在一个城市执行源分离和选择性的收集16]。这些废物被机械地为了获得粒径小于或等于10毫米(17]。

使用的培养液是污泥厌氧消化池的市政污水处理厂(WWTP) (Cali-Colombia),运营完全混合在35°C (18]。

2.2。分析方法

基板都具有根据以下参数:水分(%),pH值(单位)、总碱度(TA)和碳酸氢盐碱度(BA) (g CaCO₃l⁻¹)、挥发性脂肪酸(vfa) L (g工厂⁻¹)、化学需氧量(COD):总和过滤(g O₂l⁻¹总固体(TS) (g), L⁻¹)、挥发性固体(VS) (g L⁻¹),总有机碳(TOC) (g L⁻¹)、总氮(TN) (g L⁻¹)、总磷(TP) (g L⁻¹)、木质素(%)(%)纤维原料,纤维素(%)(19,20.]。描述的培养液是由测量pH值,助教,英航,vfa, TS, VS (20.]。具体的产甲烷活性(SMA) (VSS (g d)⁻¹)也决定按照推荐的索托et al。21]。

2.3。生化甲烷潜力(BMP)测试

的反应堆OxiTop®系统(WTW,吉森,德国),200毫升的工作容积和50毫升的顶部空间存储CH₄生成,直接测量捕获有限公司₂每个反应堆的4氢氧化钠颗粒,考虑先前的研究(22]。

BMP嗜中温温度进行了测试,保证35±0.1°C WTW TS 606 - g / 2 i孵化器(WTW,吉森,德国);pH值调整到7单元与碳酸氢钠溶液(NaHCO₃)(4%);搅拌是手动和间歇,每天进行3次测量的压力。孵化时间为30天,观察到,CH₄收益稳定,因为压力不超过5 HPa(不同23]。

在BMP的测试中,一个控制(培养液和蒸馏水)是为了确定CH₄残余有机质生成的培养液中,内源性代谢,其价值是减去CH₄每个反应堆的收益率。CH的体积₄在标准条件下是由方程提出了Cardenas-Cleves et al。24]。BMP测试进行了一式三份,衬底/剂(年代/我)比率为1 g VS_底物/ g和_培养液(25),固定剂浓度(我)(1.5 g和L⁻¹))(21和底物的浓度(年代)是多样的和与营养条件(WN),推荐的解决方案Angelidaki et al。26)和Cardenas-Cleves et al。24使用了)。

2.4。AcoD SPM的弗兰克-威廉姆斯:影响水解阶段,甲烷产量,稳定的过程,协同效应

SPM的AcoD弗兰克-威廉姆斯没有添加营养物质在三个SPM (NN)评估:弗兰克-威廉姆斯比率(80:20,60:40、50:50),和monodigestion SPM (with-WN和没有添加营养solution-NN)和弗兰克-威廉姆斯(NN)被评为控制,如表所示1。

评估影响水解阶段,一阶动力学模型和修改龚帕兹模型被使用,如以下所示方程(13,27]: 在哪里生化CH的潜力吗₄在测试期间积累(mL CH₄g VS⁻¹),是潜在的最大CH₄产量,当时间趋于无穷时(mL CH₄g VS⁻¹),是一阶水解常数(d⁻¹),测试时间(d),的最大速率CH₄收益率(mL CH₄d⁻¹g VS⁻¹),是滞后阶段(d),指数的值为1,对应于2.718。

的评估值的一阶动力学模型方程(BMP_马克斯和k_h龚帕兹模型方程(BMP)和修改_马克斯,R_马克斯,),意思是BMP的实验数据和时间为每个反应堆使用,使用Levenberg-Marquardt非线性回归得到的算法在R软件i386 3.4.2 (R基金会®)。验证数据的调整模型,确定系数(R²)和均方误差(MSE)测定,所推荐的Kafle和金28]。

评估衬底的影响比在响应变量(BMP),方差分析(方差分析)和图基的测试()进行,使用R软件i386 3.4.2 (R)的基础。控制参数,测量每个测试结束时pH值,助教,英航。此外,α指数()与英航和TA比率计算过程的稳定性进行了分析(29日]。分析确定协同效应的发生根据以下方程: 在哪里是加权生化甲烷潜力(mL CH₄g VS⁻¹),实验生物甲烷潜力获得的广告吗(SPM:弗兰克-威廉姆斯100:0比例)(mL CH₄g VS⁻¹),SPM百分比的比率,实验生物甲烷潜力获得广告的弗兰克-威廉姆斯(SPM:弗兰克-威廉姆斯0:100比)(mL CH₄g VS⁻¹),弗兰克-威廉姆斯百分比的比率。

当骨形态发生蛋白(BMP−的区别_W)是积极的和高于BMP价值考虑到标准偏差,协同效应(S)发生;否则,效果是敌对的(A) (25]。

3所示。结果与讨论

3.1。描述的基质和培养液

表2介绍了基质的理化特性的结果和培养液。

表2表明,甘蔗压泥(SPM)提出了一个高含水率约为70%。pH值5.37(单位)低于报道Rouf et al。5)和Nyonje et al。6)(7.5单位),等于通过Bohorquez et al。30.](5.4单位);这种差异可以关联到果汁澄清过程,也影响了助教的价值(4]。

鳕鱼_总、TS和VS显示存在高含量的有机质主要以颗粒形式(鳕鱼_过滤后的/鳕鱼_总0.24)据Lopez-Gonzalez et al。2]。的C/N比率为22.68,接近区间的下限推荐李et al。31日](20 - 35)。TP含量高(鳕鱼_总TN: TP的比例350:36.8:32.8)由于甘蔗作物的磷肥施用和磷酸盐的加入加速澄清的果汁。中微量元素的存在的SPM派生部分粒子坚持使用的手杖和化学输入在果汁的澄清,如凝结剂、絮凝剂和酸橙。木质素和纤维素含量相似报道Rouf et al。5),可能是由于增加的蔗渣微粒用于提高澄清污泥的过滤,形成了SPM (3]。

至于弗兰克-威廉姆斯,他们也有一个高含水率由于优势的蔬菜和水果16,32]。这些残留很容易降解,有利于形成和积累的浓度(33,34),其值接近4 g L⁻¹,浓度可能会产生轻微的抑制过程中根据王et al。35]。这些值与低pH值(5.17)和缺乏英航。

获得的值鳕鱼_总、TS和VS表明,弗兰克-威廉姆斯的特点是高有机质含量以微粒形式(鳕鱼_过滤后的/鳕鱼_总:0.30)。对于养分含量,鳕鱼_总TN: TP比率(350:5.43:0.59)显示缺磷,SPM的主要元素,而C/N比(31.58)被发现在推荐范围(20 - 35)31日),并给予其更大的浓度,弗兰克-威廉姆斯的贡献可以平衡这一比率在AcoD是显而易见的。最后,报告的内容被发现在纤维素Fisgativa et al。36)和相关的水果和蔬菜,以及粗纤维的存在。

剂、pH值,助教,英航,vfa, TS, VS特征范围对污泥厌氧消化器的市政WWTP [18,37]。pH值接近中立,指数为0.57,表明培养液提供缓冲能力。VS / TS比率(0.48)和SMA价值低剂活动相比,表明报道Angelidaki et al。26]。

3.2。AcoD SPM的弗兰克-威廉姆斯:影响水解步骤中,甲烷产量和协同效应

图1显示每个SPM的BMP:弗雷德里克比例,最适合龚帕兹模型一阶动力学模型和修改。在表3每个模型的动力学参数,提出了评价。

图1和表3提出的实验结果表明,在一般情况下,一个更好的适合修改的龚帕兹模型,描述了CH₄产量与更精确(R²≥0.97和CME≤12.23)。至于一阶动力学模型,虽然它是最常用的,因为它提供了有用信息的速度退化和最大CH₄收益率(38),这项研究表明,它不是精确表示的过程,因为它没有考虑滞后阶段,在所有的曲线(13]。

在表4,可以看出水解常数(k_h)的SPM低于弗兰克-威廉姆斯,这可能是由于德木质纤维素的化合物的存在,证明在SPM的表征。此外,SPM的有机物是一种不溶性形式,影响营养的可用性存在于微生物的基质和减少的速度退化(39]。这也影响了滞后阶段(λ),因为SPM:弗兰克-威廉姆斯100:0了最长的停滞阶段(λ),值大于5天。这项研究表明,弗兰克-威廉姆斯的整合评估比率增加水解常数和减少滞后阶段。

至于甲烷产量,人物2显示每个SPM的BMP:弗兰克-威廉姆斯率评估。

图2显示BMP的SPM (SPM:弗兰克-威廉姆斯100:0)高于的弗兰克-威廉姆斯(SPM:弗兰克-威廉姆斯0:100),因为它有一个更高的有机质含量和平衡的营养素如TN和TP、表征的结果就证明了这一点。弗兰克-威廉姆斯提出最低的BMP,与其低pH值关联,没有碳酸氢盐碱度,vfa的积累,缺乏营养的磷根据鳕鱼_总:TN: TP比(40]。关于80:20日60:40和50:50比率,方差分析测试()表示,他们之间没有显著的统计学差异。

图2也表明,monodigestion的SPM (SPM:弗兰克-威廉姆斯100:0),增长9%得到当添加一个外部营养解决方案,当把弗兰克-威廉姆斯神经网络条件下(SPM:弗兰克-威廉姆斯80:20),增量的12和22%获得对SPM:弗兰克-威廉姆斯100:0 WN和神经网络的条件下,分别。甚至可以添加多达40%的弗兰克-威廉姆斯(SPM:弗兰克-威廉姆斯60:40),实现增长5%相比monodigestion SPM神经网络条件下。这表明AcoD允许的营养平衡,表明可以应用AcoD没有添加一个外部营养解决方案在使用弗兰克-威廉姆斯在这样的比例,这是由于环境影响减缓方便,降低成本。

过程的稳定性是决定通过不同控制参数表所示4。

表4表明,最低的α指数获得SPM:弗兰克-威廉姆斯0:100,最低的BMP。也是证明SPM的AcoD FW增加了α指数,最好的SPM:弗兰克-威廉姆斯80:20的BMP最高,因为添加更大数量的弗兰克-威廉姆斯观察BMP的减少。在SPM:弗兰克-威廉姆斯80:20、稳定条件提出了有机物的降解和VFA消费之间由乙酸微生物(5,41]。

协同效应的存在(S)为每个SPM验证了:弗兰克-威廉姆斯比率,这项研究的结果发表在表5。

表5显示了一个有利的影响AcoD SPM的弗兰克-威廉姆斯因为在所有基质比例评估观察会产生协同效应,是什么证明改进的水解和CH₄产量。弗兰克-威廉姆斯贡献与有机质和平衡C/N比在这个过程中,伴随着Mahajan和Chopra报道11)和Capson-Tojo et al。42]。此外,新增的弗兰克-威廉姆斯将提高SPM的广告没有添加外部营养解决方案。

4所示。结论

尽管甘蔗压泥(SPM)具有很高的潜在使用厌氧消化(广告),木质纤维素的物质的存在会影响广告的水解阶段过程。策略来改善这方面是厌氧codigestion (AcoD)和食物浪费(FW),它提供了有机物质和允许的平衡C/N比,甚至消除使用一个外部的营养解决方案。

本研究表明,SPM的AcoD FW影响水解阶段和CH₄产量稳定性的过程和协同作用的影响。AcoD水解常数增加,减少了滞后阶段。的monodigestion SPM (SPM:弗兰克-威廉姆斯100:0)显示增加了9%的外部营养解决方案,同时与SPM AcoD:弗兰克-威廉姆斯80:20比例,最高的CH₄得到收益增量的12和22% WN和神经网络条件下,分别与SPM的monodigestion相比。甚至可以添加多达40%的弗兰克-威廉姆斯(SPM:弗兰克-威廉姆斯60:40),实现增长5%相比monodigestion SPM神经网络条件下。过程的稳定性和获得的协同效应研究表明,添加的弗兰克-威廉姆斯基质比例评估将提高SPM的广告没有添加外部营养解决方案,代表的经济和环境效益在全面实施这一选择。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢大学del Valle的财政支持项目“潜在de valorizacion energetica y阿格里科拉de la Fraccion器质性de Residuos Solidos Urbanos-FORSU”(c.i - 2962)。

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