FACULTY OF FACULTY OF ENGINEERING A

FACULTY OF FACULTY OF ENGINEERING AND THE ENVIRONMENT Doctor of Philosophy By Ying Jiang
Food and vegetable wastes contribute a large percentage of the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW), and anaerobic digestion potentially offers an ideal method for their management. Their chemical composition can, however, lead to unstable operation and in extreme cases complete process failure has been reported with this type of substrate.
Semi-continuous trials on vegetable waste were carried out in laboratory-scale digesters with daily feed additions at different organic loading rates (OLR). At an OLR of 2 g volatile solids (VS)
l- 1 day-1 the methane yield was 0.345 l g-1 VS added, or 99% of that found in a biochemical methane potential (BMP) test. Higher OLRs led to reduced methane yield and energy conversion efficiency and to a drop in digester pH which could not be effectively controlled by alkali additions. To maintain digester stability it was necessary to supplement with additional trace elements including tungsten, which allowed OLR of up to 4 g VS l-1 day-1 to be achieved. Stability was also improved by the addition of yeast extract (YE). Co-digestion with card packaging and cattle slurry proved an effective means of restoring and maintaining stable operating conditions.
Digesters fed on source segregated domestic food waste showed a long term pattern of failure as a result of the build-up of ammonia in the digester and the accumulation of volatile fatty acids, in particular propionic acid. The research gathered evidence to link this to an enzyme deficiency which was caused by a lack of selenium, or possibly other trace elements.
Results from a fractional factorial designed batch experiment showed the importance of Se in the degradation of propionic acid, and indicated that Mo and Co might also play a role in this respect. Semi-continuous trials using laboratory-scale digesters also confirmed the requirement for Se which proved to be essential for both propionate oxidation and syntrophic hydrogenotrophic methanogenesis. Supplementation with Se allowed the digesters to operate at substantially higher OLR. At high loadings cobalt also becomes limiting, due to its role either in acetate oxidation in a reverse Wood-Ljungdahl pathway or in hydrogenotrophic methanogenesis. Critical Se and Co concentrations were established as 0.16 and 0.22 mg kg-1 fresh matter feed at moderate loading. At this dosage the OLR could be raised to 5 g VS l-1 day-1 with specific and volumetric biogas productions of 0.75 m3 kg-1 VSadded and 3.75 m3 m-3 day-1 at a standard temperature and pressure (STP) of 0 oC and 101.325 kPa, representing a significant increase in process performance and operational stability. A tracer experiment using a radio-labelled isotope [2-14C] of acetate proved that under high ammonia concentrations, hydrogenotrophic methanogenesis was the dominant pathway leading to methane production in food waste digesters.
A rapid non-derivatisation gas chromatographic method for quantification of palmitic, stearic and oleic acids was developed. These long chain fatty acids (LCFA) can accumulate in anaerobic digesters, and a simple extraction method was also developed to permit a more rapid sample turn¬around time. The method was tested on digestate from food waste digesters. It was observed that the concentrations of stearic and palmitic acid in digesters routinely supplemented with trace elements were proportionally lower with respect to their relative loading when compared to those without supplementation.
It was concluded that both Se and Co were deficient in source segregated domestic food waste collected in the UK, and that supplementation with these elements could improve digestion stability, allow higher OLR to be applied, and in doing so improve the energy yield of the digestion process.
Keywords: Anaerobic digestion, trace element, ammonia, food waste, vegetable waste, long chain fatty acid, selenium, cobalt, biogas

Kết quả (Việt) 1:

Khoa Khoa học kỹ thuật và tiến sĩ triết học của Ying Jiang môi trườngThực phẩm và chất thải rau đóng góp một tỷ lệ lớn các phần hữu cơ của chất thải rắn municipal (OFMSW), và kỵ khí tiêu hóa có khả năng cung cấp một phương pháp lý tưởng cho quản lý của họ. Thành phần hóa học của họ có thể, Tuy nhiên, dẫn đến không ổn định hoạt động và trong trường hợp cực kỳ hoàn thành quá trình thất bại đã được báo cáo với các loại bề mặt.Thử nghiệm liên tục bán rau chất thải được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm digesters với hàng ngày bổ sung nguồn cấp dữ liệu ở mức giá khác nhau tải hữu cơ (OLR). Tại một OLR 2 g dễ bay hơi chất rắn (VS)l-ngày 1-1 mêtan sản lượng là l 0.345 g-1 VS thêm vào, hoặc 99% tìm thấy trong thử nghiệm (BMP) tiềm năng của hóa sinh metan. Cao OLRs dẫn tới mêtan giảm năng suất và năng lượng hiệu quả chuyển đổi và giảm độ pH digester mà có thể không được có hiệu quả kiểm soát bởi kiềm bổ sung. Để duy trì sự ổn định digester, nó là cần thiết để bổ sung với bổ sung nguyên tố bao gồm cả vonfram, mà cho phép OLR đến 4 g VS l-1 ngày-1 để có thể đạt được. Sự ổn định cũng được cải tiến bằng cách bổ sung chiết xuất nấm men (YE). Các tiêu hóa đồng với thẻ bao bì và gia súc bùn đã chứng minh một phương tiện hiệu quả của việc khôi phục và duy trì ổn định điều kiện hoạt động.Digesters ăn chất thải thực phẩm trong nước nguồn tách ra gần đây cho thấy một mô hình dài hạn của sự thất bại là kết quả của xây dựng amoniac trong digester và tích lũy của axit béo dễ bay hơi, trong cụ thể propionic axit. Các nghiên cứu thu thập bằng chứng liên kết này với một thiếu hụt enzyme mà được gây ra bởi một thiếu của selen, hoặc có thể là các nguyên tố.Các kết quả từ một giai thừa phân đoạn thiết kế hàng loạt thử nghiệm cho thấy tầm quan trọng của Se trong sự xuống cấp của propionic axit, và chỉ ra rằng Mo và hợp tác có thể cũng đóng một vai trò trong sự tôn trọng này. Bán liên tục thử nghiệm bằng cách sử dụng quy mô phòng thí nghiệm digesters cũng xác nhận yêu cầu cho Se mà đã chứng tỏ là rất cần thiết cho quá trình oxy hóa propionate và syntrophic hydrogenotrophic methanogenesis. Bổ sung với Se cho phép digesters để hoạt động ở cao đáng kể OLR. Lúc cao khi coban cũng trở nên hạn chế, do vai trò của nó trong quá trình oxy hóa axetat trong một con đường gỗ-Ljungdahl đảo ngược hoặc trong hydrogenotrophic methanogenesis. Nồng độ quan trọng Se và đồng đã được thành lập như là 0.16 và 0,22 mg kg-1 tươi vấn đề nguồn cấp dữ liệu tại trung bình tải. Tại liều lượng này OLR có thể được nâng lên đến 5 g VS l-1 ngày-1 với sản xuất khí sinh học cụ thể và thể tích của 0,75 m3 kg-1 VSadded và m3 3.75 m-3 ngày-1 ở một tiêu chuẩn nhiệt độ và áp suất (STP) của 0 oC và 101,325 kPa, đại diện cho một sự gia tăng đáng kể trong quá trình hiệu suất và sự ổn định hoạt động. Một thử nghiệm đánh dấu bằng cách sử dụng một đài phát thanh với nhãn hiệu đồng vị [2-14C] của axetat đã chứng minh rằng dưới nồng độ cao amoniac, hydrogenotrophic methanogenesis đã thống trị đường dẫn đến sản xuất metan trong digesters chất thải thực phẩm.Một nhanh chóng không-derivatisation máy chromatographic phương pháp định lượng của palmitic, stearic và oleic acid được phát triển. Những axit béo chuỗi dài (LCFA) có thể tích tụ trong digesters kỵ khí, và một phương pháp đơn giản khai thác cũng được phát triển cho phép một thời gian turn¬around mẫu nhanh hơn. Các phương pháp đã được thử nghiệm trên digestate từ digesters chất thải thực phẩm. Nó được quan sát thấy rằng các nồng độ axit stearic và palmitic trong digesters thường xuyên bổ sung với nguyên tố đã tương ứng thấp đối với tải tương đối của họ khi so sánh với những người không có bổ sung.Nó kết luận rằng cả hai Se và Co đã được thiếu nguồn tách chất thải thực phẩm trong nước thu thập ở Anh, và rằng bổ sung với các yếu tố này có thể cải thiện tiêu hóa ổn định, cho phép OLR cao được áp dụng, và trong khi làm điều để cải thiện năng suất năng lượng của quá trình tiêu hóa.Từ khoá: Kỵ khí tiêu hóa, nguyên tố dấu vết, amoniac, chất thải thực phẩm, chất thải thực vật, axit béo chuỗi dài, selen, coban, khí sinh học

Kết quả (Việt) 2:

KHOA KHOA KỸ THUẬT VÀ MÔI TRƯỜNG Doctor of Philosophy By Ying Giang
Thực phẩm và chất thải thực vật đóng góp một tỷ lệ lớn các phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị (OFMSW), và tiêu hóa yếm khí có khả năng cung cấp một phương pháp lý tưởng cho quản lý của mình. Thành phần hóa học của chúng có thể, tuy nhiên, dẫn đến hoạt động không ổn định và trong trường hợp cực đoan quá trình hoàn thành thất bại đã được báo cáo với các loại chất nền.
Thử nghiệm bán liên tục về chất thải thực vật đã được tiến hành trong bể phân hủy trong phòng thí nghiệm quy mô với các bổ sung thức ăn hàng ngày tại chất hữu cơ khác nhau giá (OLR). Tại một OLR của 2 g chất rắn bay hơi (VS)
l- 1 ngày 1 năng suất metan là 0,345 l g-1 VS thêm, hoặc 99% số đó được tìm thấy trong một bài kiểm tra khả năng sinh hóa mêtan (BMP). OLR cao hơn dẫn đến giảm năng suất metan và năng lượng hiệu quả và chuyển đổi để giảm pH trong nồi mà không thể được kiểm soát một cách hiệu quả bằng cách bổ sung kiềm. Để duy trì sự ổn định nấu nó là cần thiết để bổ sung các yếu tố vi lượng bổ sung bao gồm vonfram, cho phép OLR lên đến 4 g VS l-1 ngày-1 phải đạt được. Sự ổn định cũng đã được cải thiện bằng việc bổ sung chiết xuất nấm men (YE). Co-tiêu hóa với bao bì thẻ và gia súc bùn chứng tỏ là một phương tiện hiệu quả để khôi phục và duy trì điều kiện hoạt động ổn định.
Bể phân huỷ fed vào nguồn tách chất thải thực phẩm trong nước cho thấy một mô hình lâu dài của sự thất bại là một kết quả của sự tích tụ amoniac trong nồi và sự tích tụ của các axit béo dễ bay hơi, trong axit propionic cụ thể. Nghiên cứu thu thập chứng cứ để liên kết này đến một sự thiếu hụt enzyme được gây ra bởi sự thiếu selen, hoặc các yếu tố vi lượng có thể khác.
Kết quả từ một nhân tố thiết kế thử nghiệm hàng loạt phân đoạn cho thấy tầm quan trọng của Se sự suy thoái các axit propionic, và chỉ ra rằng Mo Co và cũng có thể đóng một vai trò trong sự tôn trọng này. Thử nghiệm bán liên tục sử dụng phân hủy trong phòng thí nghiệm quy mô cũng khẳng định các yêu cầu đối với Se và chứng minh là cần thiết cho cả quá trình oxy hóa propionate và syntrophic khí methan hydrogenotrophic. Bổ sung Se cho phép phân hủy để hoạt động ở OLR cao hơn đáng kể. Tại trội cao coban cũng trở nên hạn chế, do vai trò của nó trong quá trình oxy hóa hoặc acetate trong một con đường gỗ Ljungdahl ngược lại hoặc trong khí methan hydrogenotrophic. Nồng độ Se Co quan trọng và được thành lập như là 0.16 và 0.22 mg kg-1 vấn đề thức ăn tươi ở tải vừa phải. Ở liều này OLR có thể được nâng lên đến 5 g VS l-1 ngày-1 với khí sinh học cụ thể và tích sản xuất là 0,75 m3 kg-1 VSadded và 3,75 m3 m-3 ngày-1 ở nhiệt độ tiêu chuẩn và áp lực (STP) của 0 oC và 101,325 kPa, đại diện cho một sự gia tăng đáng kể trong quá trình thực hiện và hoạt động ổn định. Một thí nghiệm đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ gắn nhãn [2-14C] acetate chứng minh rằng dưới nồng độ amoniac cao, khí methan hydrogenotrophic là con đường chủ đạo dẫn đến sản xuất mêtan trong phân hủy chất thải thực phẩm.
Một phi derivatisation phương pháp sắc ký khí nhanh chóng để định lượng palmitic , stearic và axit oleic được phát triển. Những axit béo chuỗi dài (LCFA) có thể tích tụ trong bể phân hủy kỵ khí, và một phương pháp chiết xuất đơn giản cũng đã được phát triển để cho phép một thời gian mẫu turn¬around nhanh hơn. Phương pháp này đã được thử nghiệm trên digestate từ phân hủy chất thải thực phẩm. Nó đã được quan sát thấy rằng nồng độ của axit stearic và palmitic trong bể phân hủy thường xuyên bổ sung các nguyên tố vi lượng là tỷ lệ thấp hơn đối với tải tương đối của họ với khi so với những người không bổ sung.
Đó là kết luận rằng cả hai Se và Co đã thiếu nguồn tách chất thải thực phẩm trong nước thu tại Anh, và rằng việc bổ sung những yếu tố này có thể cải thiện sự ổn định tiêu hóa, cho phép cao hơn OLR được áp dụng, và làm như vậy cải thiện năng suất năng lượng của quá trình tiêu hóa.
Từ khóa: kỵ khí tiêu hóa, nguyên tố vi lượng, amoniac, chất thải thực phẩm, rau chất thải, acid béo chuỗi dài, selen, coban, khí sinh học