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活性炭对生产甲烷的作用
文章编辑:优德88官方网站网络部 更新时间:2018-6-21 14:50:34

  活性炭对生产甲烷的作用,活性炭可以促进有机废物产生甲烷,这个已经有很多人研究证实过了。在本研究中,将不同的活性炭剂量0,0.5,5和25g/L添加到厌氧消化器中,并且分别表征乙酸盐,丙酸盐和丁酸盐的产甲烷降解动力学。在5g/L的高有机负荷下,丙酸和丁酸的降解率在不同的活性炭剂量下增加1.5-4.7倍和2.5-7.0倍。甲烷生产率当丙酸和丁酸的添加量增加到5g/L时显着升高。然而,对于1g/L或5g/L的乙酸盐降解,仅发现少量增加。活性炭促进丙酸盐和丁酸盐的协同降解的促进机制可以主要归因于对乙酸生成的触发作用,正如互变细菌富集证明了这一点。

  通过厌氧消化生物甲烷生产是利用全球生物能源最成功的策略之一。一般来说,厌氧甲烷生成是由几组参与水解,酸化,乙酰化和甲烷生成过程的微生物进行的。发酵细菌和产乙酸菌从复杂大分子的降解中产生挥发性脂肪酸和其他中间体,如乳酸,乙醇和丁醇等。生产甲烷菌利用简单的有机基板,诸如乙酸盐,CO 2/H 2,甲醇,和甲酸,以产生甲烷。

  目前有相当多的研究旨在通过补充导电性铁氧化物如磁铁矿和Fe0或导电碳材料如活性炭,生物炭,碳布和石墨等。在具有导电材料的反应器中刺激的甲烷生产可归因于促进直接种间电子转移。一个潜在的原因是非生物导电材料的可用性可以节约细胞能量,因为它们不需要产生广泛的细胞外生物电连接,例如导电菌毛和c型细胞色素。活性炭还可以提供高比表面积用于有效地固定互生微生物,活性炭与微生物产生不同的结果可能归因于不同的接种物或不同属性的活性炭,例如单一/混合挥发性脂肪酸,乙醇或复杂有机物质。因此,需要进一步的测试以了解用活性炭材料消化器中的丙酸盐和丁酸盐的共生社区。

  图1。活性炭对生产甲烷的作用了解。

  基于上述原理,本研究分别在补充了一系列活性炭剂量(即0.5-25g/L)的甲烷消化器中研究乙酸盐,丙酸盐和丁酸盐的降解动力学。同时,比较两种不同的底物有机负荷,即1g/L和5g/L。利用一级动力学和修正对挥发性脂肪酸的降解率和产甲烷率进行了评价。高通量技术被用于检测微生物群落结构,并且由于活性炭添加而引起的互变性降解细菌和产甲烷菌的交替。

  在实验过程中,将测定的富集污泥体积放入500mL含400mL消化液的瓶中,使总挥发性悬浮固体(TVSS)的最终浓度为1g/L。将20-40目不同剂量的活性炭分别补充至瓶内,分别为0,0.5,5和25g/L,记录为活性炭0,活性炭0.5,活性炭5和活性炭25。其表观密度和比表面积分别为430±30g/L和875-1185m2/g。随后,醋酸盐,丙酸盐和丁酸盐转化为甲烷的转化率在1g/L和5g/L浓度的批次研究中评估具体富集的培养物。在两批预培养后收集数据,并且每个测试进行三次。用培养箱振荡器将反应器温度保持在35±2℃。

  活性炭与VFAs降解和高强度甲烷生成

  图2。使用不同剂量的活性炭降解5g/L VFA(a-c)和相应的甲烷生产(eh)。

  活性炭初始浓度为5g/L时,乙酸驯化培养仍然表现出较高的代谢活性,补充活性炭几乎不影响甲烷生产率。最终得到甲烷由醋酸约为0.45 mmol-CH4/mmol-Cadded,这是接近在乙酸(例如,1克/升)的低强度而得到的值。但当底物浓度从1g/L增加到5g/L时,丙酸和丁酸的产甲烷转化率明显受到抑制。丙酸和丁酸酯反应器的滞后相时间为活性炭0的4.2天和12.7天。这与先前的研究一样,甲烷生成易受高浓度VFA影响,主要归因于未解离的VFA对甲烷菌的生长和代谢的抑制。尽管如此,在本研究中加入活性炭显着加速了丙酸和丁酸的代谢。如图2所示,当活性炭浓度从0.5g/L增加到25g/L时,丙酸盐进料反应器的滞后相期从3.4d减少到0.9d,丁酸进料反应器的滞后期从12.7d减少到7.8d。

表1丙酸和丁酸消耗速率的一级动力学。

  活性炭剂量 醋酸 HPr的 HBU
VFA k(h -1 R 2 k(h -1 R 2 k(h -1 R 2
  0克/升 0.0386±0.0065 0.92 0.0022±0.0002 0.97 0.0043±0.0015 0.83
5 0.5克/升 0.0371±0.0049 0.95 0.0033±0.0004 0.92 0.0036±0.0009 0.77
克/升 5克/升 0.0431±0.0046 0.97 0.0029±0.0041 0.75 0.0180±0.0041 0.82
  25克/升 0.0393±0.0078 0.90 0.0056±0.0004 0.99 0.0306±0.0021 0.98
  0克/升 0.0228±0.0042 0.91 0.0328±0.0013 0.99 0.0251±0.0040 0.99
1.0 0.5克/升 0.0279±0.0044 0.93 0.0319±0.0025 0.98 0.0247±0.0022 0.98
克/升 5克/升 0.0274±0.0041 0.94 0.0329±0.0017 0.99 0.0248±0.0031 0.99
  25克/升 0.0252±0.0036 0.94 0.0333±0.0023 0.99 0.0268±0.0025 0.99

  计算每种VFA物种的降解动力学(k)并呈现在表1中。基本上,R2高,特别是在低活性炭剂量时,仅HBu(5.0g/L)的R2低于其他。其原因可能是由于抑制作用,导致S形功能的偏离。以5g/L的丙酸盐作为底物时,消化器中的k值增加约1.5倍,即当活性炭剂量从0增加到25g/L时,从0.0022增加到0.0056h-1。对丁酸酯降解的刺激作用更显着,其动力学值增加7.1倍,即从0.0043至0.0306h-1当活性炭剂量从0增加到25g/L时。上述结果清楚地表明补充活性炭可以剂量依赖性的方式促进丙酸和丁酸的甲烷生成。值得注意的是,虽然丙酸和丁酸的降解速度通过补充活性炭而显着增加,但它们的速率仍低于乙酸盐的速率,范围为0.0386-0.0431 h-1。这些结果进一步证实了丙酸和丁酸转化的困难,以及进一步探索促进机制的重要性。

  这项研究表明,活性炭的作用在重有机负荷下,补充适当的活性炭剂量可以加速丙酸盐和丁酸盐的共生降解。具体而言,丙酸和丁酸的降解率在5克/L活性炭的环境中大幅增加了1.5和4.2倍,与对照相比(活性炭0),然而较小的增量被发现时进一步增加活性炭剂量至25g/L。因此,推荐将较低剂量的活性炭用于厌氧消化器,并且该方法用于改善消化器性能的经济性将是有利的。活性炭有益于富集互养性氧化细菌,但需要一段时间的培养,因此建议将活性炭保留在连续进料消化器内。

文章标签:椰壳活性炭,果壳活性炭,煤质活性炭,木质活性炭,蜂窝活性炭,净水活性炭.

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