文摘
沼气生产原料的选择应该不仅限于有机废物(如农产品、食品和动物粪便。人类粪便也可以被视为一种沼气生产。化石燃料成本的不断增加和环境污染威胁迫使寻找替代能源。几种类型的研究必须解开谜团背后的困难从人类粪便生产沼气,尤其是生产更多的环3,这是一种温室气体由于其低C: N比率。本研究实验研究如何使用稻草减少量高C: N比率。几个组合是由人类排泄物和稻草在实验在不同的比率。结果表明,甲烷产量的最优结果落在50%的HF和50%的RS结合由于有氧和厌氧过程的行为。
1。介绍
清洁和负担得起的能源需求的增加和需求减少有害元素的释放到环境中,导致连续寻找可持续和可再生能源发电的选项。使用石油等化石燃料的产品及其衍生物,天然气和煤炭不再是一个不错的选择,因为他们是消耗时间和最终将在未来逐步淘汰。化石能源的使用会导致生产的污染物的排放温室气体(GHG),它们的主要气体是二氧化碳导致气温上升的环境下,(1,2]。
尽管一些研究人员专注于使用动物粪便、食物浪费,和市政废弃物沼气生产有助于减少能源安全形势,人类排泄物很少被认为是(3]。同时,实验研究报告的数据环境条件下人类排泄物沼气原料是有限的(3]。
为了缓解这些问题,需要找到合适的技术治疗人类排泄物来改善现有的实践。,这将有助于减少环境污染,增加能源生产的风险。本研究将使用methanization,有机垃圾的厌氧消化。它将使甲烷气体的生产,对化石燃料的替代能源,间接导致了清洁的环境4]。污水/废物可以被认为是一个合适的补救措施,因为它可以生成沼气(CH4-55%,有限公司2-35%,少量的其它气体)来满足家庭的能源需求,如加热、冷却,电力,汽车燃料(5]。人类废物,特别是粪便,可以产生约0.35 - -0.5米3/公斤的沼气。在加纳和非洲,大多数人类粪便管理系统通过现场卫生方法(6]。粪便物在化粪池需要严重的治疗之前它被释放到环境中(7]。通过这种紧迫的环境挑战,国家没有足够的污水处理厂,导致浪费(粪便和污泥)污染水体和土地(8]。这种危险会导致污染的人类病原体通过被污染的饮用水9]。从现场研究,提到,可怜的粪便和污泥在加纳治疗干预措施已导致4100万例腹泻和7300相关的死亡人数为2017人10]。
通过环境卫生改善生活水平,改善卫生条件,在加纳和可再生能源生产,使用人类排泄物沼气生产必须成为厌氧消化的焦点之一。研究表明用人类粪便沼气生产相关的困难;一个例子是一个研究组织在印尼11]。他们发现,系统产生更多的氨(NH3比甲烷(CH)4)。这个问题可以被解释为C: N衬底的比率,也就是6 - 10,而不是25 < C: N < 30最佳沼气生产11]。因此,为这一问题,本研究旨在优化沼气生产从人类排泄物通过确定的稻草被添加到人类粪便作为富碳基质(C: N比率在44.0和74.2之间),以弥补人类排泄物(碳赤字12]。
2。材料和方法
2.1。原料理化特性
人类粪便样本收集一些卫生间的房间内Sunyani市政(约大学的能源和自然资源)和稻草大米的农场。水分的测定,总固体(TS)和挥发性固体(VS)在人类粪便和水稻秸秆进行了根据美国环境保护署过程(13];碳和氮测定根据哈希法和ASTM d3172 - 89法(11,14]。
2.2。原材料预处理对厌氧消化过程
众多研究表明,原料的预处理在厌氧消化过程中是一个重要的一步尤其是植物材料(15),因为它修改促进纤维素的结构转换成高分子量的单糖,如碳水化合物的酶(16]。尤其是在稻草、生物量与木质素含量高,在使用之前必须进行预处理生产甲烷作为扩大其微生物降解基质和加速厌氧消化过程17]。
人类粪便样本收集后被放在一个粘贴形式通过混合水和搅拌一段时间,使底物厌氧消化前均匀。大米的吸管破碎成更小的粒子使用搅拌机使细胞壁的底物可以被微生物分解。研究已经证实增加表面积和聚合物结构的恶化增加水解的速度在消化过程中(16,18,19]。因此,纤维的退化和提高甲烷产量降低粒径时(20.]。
2.3。总固体含量的混合物
总固体的厌氧消化性能的影响因素(21]。以前作品的总固体浓度对沼气产量的影响报道,为了优化生产沼气的过程,应该在7.2%和9%之间(总固体22,23]。另一项研究发现,完美的总固体组合/牛粪和水之间的比例是1:3 (24]。
在这个工作中,粪便物质的不同组合后稻草如表所示1、合并后的总固体原料与水混合在一个比1:3(三个单位的水混合到每个蒸煮器即单位之一。1 g, 3毫升的水的混合物)。
2.4。确定厌氧效果稻草/人类粪便混合的混合物
人类粪便(高频)和稻草(RS)是根据表中给出的比例混合1。在实验室进行了厌氧消化器使用玻璃瓶。文化是批处理模式的类型。30天,消化器条件下的温度39°C±1在烤箱(Lab-line帝国II孵化器)保证发酵的最佳条件和微生物降解的材料25]。
这些实验都是在相同的条件下重复三次。甲烷气体的体积和其他气体测量每日在消化过程中(即。美能分析仪)。数据分析使用描述性统计( - - - - - -测试)在SPSS比较高频的不同组合的沼气产量潜力和RS。
3所示。结果与讨论
3.1。人类粪便的物理化学特征
经过不同样品的理化分析,结果如表所示2。这项研究表明,人类的物质Sunyani-Ghana并不不同于其他地方。在印尼,人类粪便有大约一个C: N比率6和1011];在Sunyani-Ghana,碳氮比等于6.62。这个结果是由于高百分比的氮和低比例的碳收集的粪便物。
英国研究表明,水分在粪便的组成百分比是86%到63 (26]。样品收集在Sunyani-Ghana水分含量比例为79.5%,这可能是由于年龄的人谁收集的粪便。排泄物从成人收集包含比年轻人更多的水分;老年人消耗足够的水来减少便秘的风险与年轻人相比,他们一般不会有消化问题[27]。
3.2。稻草的物理化学特征
从稻草获得以下参数:含水率(12.22%)、道达尔和挥发性固体(65.30%和87.69)和碳和氮含量(0.98%和32.2)在Sunyani收集。这个值是没有不同于其他种类的稻草21),一个例子是12.31%水分,总固体量87.33%,65.50%的挥发性固体,32.19%的碳,和0.98%的氮(28]。
3.3。演讲和讨论沼气产量的趋势的高频和RS的不同组合
测定之间的最佳组合比人类粪便(高频)和稻草(RS)可能产生最大量的气体,产生的沼气被记录在每天使用沼气分析仪在厌氧消化实验的30天。
厌氧消化的三十天被分成六个部分组成的每个(也就是五天。21 - 25日,1 - 5,6 - 10,11 - 15号,16 - 20日,在天)和26 - 30日,所有呈现在图1。
第一节(1 - 5天消化):在第一部分的实验中,产生大量的气体从每个组合。最重要的生产从混合物中提取100%的HF和0%的RS(2296毫升),而至少是获得高频/ RS 20/80和高频/ RS 10: 90。高频/ RS 0/100组合生成的体积不超过500毫升。
其他组合也给卷少于2296毫升。不幸的是,这种趋势不是线性的,而是随机分布的,因为它不遵循的高频组合的比例和RS(90: 80: 70: 30、60: 40岁,50岁:50、40:60岁和30:70)。在厌氧消化的爆发,高频组合/ RS 20/80,高频/ RS 10: 90年,高频/ RS 0/100没有大量的微生物开始分解的稻草。微生物分解需要足够的时间将有重大影响的稻草29日]。另一方面,这一步是加速100%高频和0% RS因为每克粪便中有大约1000万个病毒,一百万个细菌,寄生虫和100026]。体积的快速增长也可以归因于这样一个事实:有限公司2成立在初始水平由于好氧细菌使用啊2才能生存。
第二节(6 - 10天消化):从6到10天,同样的趋势在结果中观察到的气体的体积。一个明显的观察是减少沼气生产从2296毫升到1749毫升100%的HF和0%的RS组合和增加的组合。这是因为消耗的氧气水平支持微生物的生活。这种情况引起的需氧细菌导致的死亡减少他们的活动在蒸煮器为厌氧微生物的地方(30.]。其余的消化器的观察增加是由于他们的延迟阶段。在这个阶段,增长速度大幅低因为细菌更好的适应他们的中年水平(31日]。因此,增加体积比RS结合高频100%和0%。
第三节(11 - 15号天消化):从十一到十五天,有沼气生产的所有组合除了下降50%高频RS 50%,成交量为2478毫升。组合有超过50%高频有大约平均每个沼气生产1120.8毫升,比组合有超过50%的RS,平均产量891.6毫升。因为这些结果,可以得出结论,在厌氧微生物的生长介质成反比的时间发酵(10天)由于快速减少粪便中包含的营养物质随时间(16]。此外,高生产的沼气在消化器含有50%或更少RS都可以解释为一种重要的分解和转换成有机酸中包含的挥发性固体的稻草,将转化为甲烷的产甲烷菌(21]。
第四部分(16 - 20天的消化):从十五到二十天的消化,增加沼气的生产在每个蒸煮器的函数除了100% RS结合高频和0%,已减少沼气生产;这对组合增长的分解可能是由于大多数的稻草中包含每个蒸煮器和挥发性固体转化为有机酸将间接食品对产甲烷菌产生甲烷。连续降低高频100%和0% RS水平可以解释的减少营养物质消化池,因此,死亡的细菌(11]。
第五节和第六节(21 - 30天消化):从21到30天的消化,一个轻微的相似性在日常沼气生产观察每个层面的组合;厌氧微生物的固定相。细菌繁殖弥补那些死去。由于这个原因,这些水稻秸秆微生物难以降解而人类粪便物的降解。生物化学降解木质素的解释的一般限制作用细菌降解木质素的大分子由于细菌只负责侧链的分解和单体(32]。同样,所呈现的结果(18,33]在木质素降解和表明,细菌都可以分离的脂肪族侧链分子,但苯酚醚债券仍non-localized的细菌。因此,限制他们的降解木质素的能力。
3.4。比较潜在的沼气产量从每个高频和RS的组合
30天后的co-digestion实验,收集的数据被用来比较不同组合的高频和RS。从配对样本, - - - - - -测试分析数据的基于均值的比较图2这是天然气生产的排在降序排列。
根据沼气产生的平均数量的比较,不同的组合可以分为沼气生产潜力的100 - 200毫升,200 - 300毫升,300 - 400毫升。
80:20,70:30日20:0:100年,80年和10:90的高频组合和RS天然气生产潜力之间的100和200毫升标准偏差(80:20,70:30日20:80,0:100年和10:90)和价值(57.064,77.121,55.152,72.288,和126.997)时的高频量相比减少了RS(表中包含的反应堆3)。
的沼气生产200至300毫升,组合90:10,40:60 60:40岁和30:70有类似的生产潜力,因为他们已经非常接近标准偏差值(表3)。
最后一组平均天然气产量300至400毫升的只有两个组合是由50:50 - 100:0高频/ RS,非常接近标准偏差(表3)。
一般,所有的组合有潜力的日常生产沼气直接联系不同原材料的数量的比例组成。因此,每一个混合的碳氮比的值可以解释潜在的多元化的沼气(表的平均日产量4)。指表3,注意到任意组合有一个碳氮比小于25 (HF / RS 100: 0;高频/ RS 90: 10;高频/ RS 80: 20;高频/ RS 70: 30,高频/ RS 60: 4)很穷在生产相比与碳氮比值25:0大约30:0 (HF / RS 50: 50;高频/ RS 40: 60;高频/ RS 30: 70;高频/ RS 20: 80;高频/ RS 10: 90;和高频/ RS 0: 100)。这些结果证实了提出的建议(34- - - - - -38)当他们提到高沼气生产、碳氮比例应该在25 - 30之间。
3.5。潜在甲烷产量和稻草从每个人类粪便的组合
根据观察,它可以表示,60之间的粪便物量和混合总数的100%;沼气的产量高于稻草的混合物组成的60%和100%的总混合,但沼气的生产仍然是更显著的RS高频的50%和50%。
从30天的消化,产生的甲烷气体进行分析来确定比例;混合物超过60%的秸秆生产更多的甲烷和更少的其他温室气体相比,组合包含高频60%以上。但生产甲烷体积更显著(6390.70毫升30天),比例50%高频和50% RS (61%)。这证实了结果发表的(38)最佳组合比例的牛粪和稻草,底物的结合率为50%沼气的最佳制作人。
这些结果结合超过60%的总混合的稻草是由于碳含量越高导致更重要形成二氧化碳和pH值较低。然而,大量的二氧化碳蒸煮器产生的不利影响产甲烷菌的活性,显著降低甲烷生产(39,40]。
获得的结果在60%以上的混合物高频组合确认高氮含量的存在导致氨产量的增加,从而增加了pH值也可防止消化池中微生物的活性,因此停止生产的甲烷(39]。总之,酸化或碱性介质危害产甲烷菌的活动,因为他们的工作几乎缓冲介质(pH值约等于7)。41]。
4所示。结论
获得的结果显示,添加稻草在厌氧条件下人类粪便对沼气产量有显著影响。最好的比率是高频:RS 50: 50因为甲烷生产最好的体积为6390.70毫升30天和百分比(61%)符合其他审查工作3]。
此外,来证实这些结果,重复几次这个实验在其他参数影响厌氧消化过程沼气生产迫在眉睫和无可挑剔的建议。
数据可用性
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的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
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