生物质能利用技术控制污染物排放的作用

化石燃料燃烧利用过程中排放的大量毒害气体和CO2对生态环境造成重大危害,由此产生的环境问题越来越引起世界各国的关注,相应的控制排放技术不断发展,其中生物质能利用由于其CO2零排放成为最有发展潜力的技术之一.采用LCA方法,选择生物质气化联合循环发电、生物质热裂解发电、生物质与煤混烧发电3种方案与燃煤发电进行了对比,分析生物质利用过程减排温室气体CO2、毒性气体(SOX、NOX)的作用.结果表明,在生产1 kW*h电能的生命周期中,3种生物质发电方案的CO2排放量远远小于燃煤发电,特别是生物质气化联合循环发电和生物质热裂解发电两种方案减排CO2达到了87%～94%.由于生物质低硫和低氮特性,该两种方案中NOX和SOX的减排量也非常显著,即使是生物质与煤按1∶9(质量比)混燃都可以达到25.2%和8.9%的减排效果.综合而言,生物质能的利用,不论是气化、热解或者共燃都是减排CO2、NOX和SOX有效措施.     

热解气活化的活性炭对水体中甲萘威的吸附性能

以生物质混合压缩颗粒为原料,在600~900℃活化温度下,循环利用热解气制备活性炭,考察热解气的活化作用及活性炭对农药甲萘威的吸附性能。结果表明:热解气具有明显的活化作用,经过活化的炭与热解炭相比孔结构更加发达,表面更加粗糙;活化温度对活性炭理化性质具有显著影响,随温度升高,活性炭芳香性升高,极性降低,含氧官能团逐渐减少,比表面积由239.00 m~2·g~(-1)增加到629.20 m~2·g~(-1),平均孔径由5.438 nm减小至3.005 nm;Freundlich模型能够很好地拟合活性炭对甲萘威的吸附等温线,随活化温度升高,活性炭吸附能力增大;吸附动力学更符合伪二级反应动力学模型,60 h内基本实现吸附平衡;当活化温度为800℃,单位原料对甲萘威的吸附量最大。     

半焦与城市污泥混合物的燃烧性能研究

采用热重分析法研究了半焦与城市污泥混合物的燃烧性能,揭示了半焦添加量对城市污泥燃烧性能的影响规律,为基于半焦的污泥调质与机械脱水污泥的高效能源化利用提供理论支持与依据。结果表明:城市污泥的着火温度低,容易燃烧,但其灰分高,燃烧速率慢,燃烧性能差;云南褐煤热解半焦的着火温度比城市污泥高,着火相对困难,但其燃烧速率快,燃烧性能好;随半焦配比的增大,半焦与城市污泥混合物的燃烧性能变好,说明半焦能改善城市污泥的燃烧性能,当半焦配比大于40%(质量分数)时,半焦与城市污泥混合物的微商热重曲线呈单峰,有较好的燃烧性能。     

MBR污泥热水解强化厌氧消化中试研究

针对MBR污泥开展热水解强化厌氧消化中试研究,考察了热水解对污泥性质、厌氧消化效率和污泥脱水性能的影响。结果表明,热水解后污泥中总固体(TS)、挥发性固体(VS)的含量基本不变,但污泥的溶解性总固体(s TS)和溶解性挥发性固体(s VS)含量提高至原泥的10倍左右,总固体解离度(TSDD)和挥发性固体解离度(VSDD)分别为31.7%和51.9%,同时污泥的黏度由927.8 m Pa·s降低至550.4 m Pa·s,污泥流动性显著增强。热水解处理可有效提高污泥厌氧消化反应效率,沼气产量和有机分解率均提高1倍,化学需氧量(COD)消减率由33%上升至44%,但热水解厌氧消化后污泥NH+4-N浓度为传统厌氧消化的2倍。此外热水解能有效改善污泥脱水性能,不添加任何药剂时,热水解污泥经板框压滤机脱水后含水率可降至33.29%。     

城市污泥热解中试系统集成一体化研究及运行效果评估

为了促进城市污泥热解工艺的工程化应用,组建了污泥热解系统、热解产物分离回收利用系统、废气净化排放系统于一体较完整的热解中试装置,在实现污泥有效处置的同时也实现了高值能源回收利用。中试工况优化,较好工况为：热解时间30-40 min,热解终温450-500℃,在此条件下,干化污泥（含水率5%）减量率为50%;热值为33.8 MJ/kg的热解油产率为17.1%左右。通过对中试运行效果的评估,得出热解油和热解气两者能量或污泥炭自身能量可供干化污泥热解本身所需能量,从而为推动污水污泥热解工艺的工程化利用提供了支持。     

催化剂掺混对污泥快速热解产气的影响

将干污泥(DS)与3种催化体系(CaO、焦炭、CaO-焦炭)掺混,经机械化学预处理后制得热解混合样品,考察催化剂掺混对DS快速热解产气的影响。研究表明,CaO可以提高DS热解综合产气效果,促进热解气相产物中的CH4和CO2向H2和CO转化,当CaO和DS质量比为1.00∶1.00时,热解气相产物中H2、CO体积分数之和、气体产率、产气低位热值及H2产量均达到最大值,分别为77.04%、0.412 m3/kg、62.75kJ/kg和6.88 mol/kg;焦炭可以改善DS热解气相产物品质,当焦炭和DS质量比为1.00∶1.00时,热解气相产物中H2体积分数和氢占比(H2与CO的体积比)最优,分别为38.90%和1.23;CaO-焦炭体系可以明显提高DS热解液相产物质量分数,当CaO、焦炭和DS质量比为0.50∶0.50∶1.00时,热解液相产物的质量分数达到最大值50.17%。研究结果为剩余污泥的资源化利用提供数据支持。     

脱硫石膏耦合微波对生产燃料乙醇厌氧消化污泥脱水性能的影响

为使污泥脱水后资源化农用,利用微波在不同功率(800、640和560 W)和时间(60、120和180 s)条件下,耦合脱硫石膏(2、4、6和8 g·L~(-1))对燃料乙醇厌氧消化污泥(ADSFE)脱水性能改善进行研究,探讨其脱水效果及相关机理。结果表明,最佳条件是脱硫石膏(6 g·L~(-1))耦合微波(640 W,120 s)处理。在最佳处理条件下,污泥比阻(SRF)下降至1.05×10~(12)m·kg~(-1),与原污泥相比降低了87.5%,与单独加入脱硫石膏相比降低了77.80%,与单独微波调理相比降低了75.60%。此外,扫描电镜(SEM)表明耦合调理后的ADSFE形成致密且具有较大孔径的絮体,易实现固液分离;热重(TGDTG)曲线显示,脱水起始温度和热重峰明显前移。因此,脱硫石膏与微波协同作用调理ADSFE时,脱水性能明显改善并优于单独调理的效果。同时,处理后污泥有机质含量满足有机肥制备原料要求。     

基于污泥蛋白质溶出的酶-热碱联合水解中试研究

为探究剩余污泥酶-热碱联合水解生产蛋白质工艺工业化利用的可能性,建立了1 m3·d-1的剩余污泥(含水率80%)的中试水解系统。通过对酶解时间、复合添加量及碱解温度等关键工艺因素优化,获得了中试规模污泥联合水解的最佳工艺条件;通过酶和热碱水解动力学研究,明确了联合水解过程的限速步骤。结果表明:在日处理量为1 m3剩余污泥(含水80%)的中试水解过程中,酶解时间为1.5 h、复合酶投加量为1%、污泥浓度为30 g·L-1、碱解时间1.5 h、碱解温度80℃时,蛋白质溶出效果最佳,上清液中蛋白质浓度为2 160 mg·L-1;污泥酶解过程符合米氏方程,碱解过程符合零级动力学方程,二者的水解速率分别为0.709 mg·(L·min)-1和11.046mg·(L·min)-1;与碱解相比,酶解是剩余污泥联合水解的限速步骤。研究结果可为污泥联合水解工艺产蛋白质的产业化应用提供必要的技术参数。     

污泥转移SBR工艺处理低浓度生活污水

污泥转移SBR工艺是一种通过内部污泥回流实现污泥在不同SBR隔室间转移,从而增加污泥利用效率,提高系统除污效能的新工艺。以设计规模为240 m3/d、处理低浓度生活污水的工艺系统为对象,研究了新工艺在不同泥转移量(污泥回流比)下的除污性能,并与系统以传统SBR方式运行的情况进行了对比。结果表明,新工艺可以有效提高SBR反应器的容积利用率;采用30%的污泥回流比进行污泥转移,新工艺的处理能力比传统SBR工艺提高近1/2,除磷效率从46%提升至85%。出水各项水质指标均能达到国家排放标准的要求。     

低温热水解对污泥触变性及脱水性能的影响

污泥经过热水解预处理后,其流变和理化性质发生了不可逆的变化。为实现后续污泥处理处置过程的最优化,分别采用触变动力学系数(K)和离心脱水泥饼的总固体含量(TS)作为污泥触变性及脱水性能的评价指标,系统研究低温热水解(60～90℃)对于污泥触变性及脱水性的影响。结果表明,热水解48 h后,污泥的触变性增大,脱水性能提高,且热水解温度的升高与触变性的增大和脱水性能的提高呈对数关系。污泥脱水性的提高与触变性的增强呈良好的线性关系,触变动力学系数有望成为比较污泥脱水性能的新工具,从流变学角度提出了评价污泥脱水性能的新方法。     

基于生命周期能值分析的秸秆能源化利用方式的对比评价

在生命周期的理论框架下,采用能值分析方法对2种秸秆能源化利用方式(秸秆直燃发电与秸秆燃料乙醇)的能值消耗、环境影响和经济效益进行了对比评价。结果表明:在秸秆直燃发电系统中,种植阶段能值投入占总能值投入的61.92%,远大于收储运输阶段和生产阶段;在秸秆燃料乙醇系统中,种植阶段和生产阶段所占比例较大,分别为45.26%和45.78%;秸秆直燃发电系统的CO2排放指标略小于秸秆燃料乙醇系统,远小于燃煤发电系统,因此,发展秸秆直燃发电和秸秆燃料乙醇对减少温室气体排放具有积极的意义;与秸秆燃料乙醇系统相比,秸秆直燃发电系统具有较高的能值产出率、可再生性和环境可持续性,较低的能值转换率和环境负载率,说明秸秆直燃发电系统综合效益优于秸秆燃料乙醇;秸秆直燃发电系统与秸秆燃料乙醇系统的可持续性指标均小于1,都不具有长期的可持续性。     

热碱-EDTA耦合法强化污泥破解及效果分析

采用热碱-EDTA耦合法进一步提升热碱法破解污泥的效果,以期减少碱量和热能的消耗。选用影响污泥破解效果的pH、温度和EDTA投加量等因素设计L_(16)(4~5)的正交实验,在得出最佳污泥破解条件下,对比考察了热碱法和热碱-EDTA耦合法破解污泥的效果。结果表明,热碱-EDTA耦合法相比热碱破解法,破解后SCOD、TN、TP、多糖和蛋白质溶出量分别提高了14.7%、5.6%、9.9%、3.6%和25.9%,污泥残渣中VS的含量(21.93%)也小于热碱破解法(29.68%),破解液中分子质量小于400 Da的小分子物质占比(40.68%)大于热碱破解的对应结果 (32.34%)。通过污泥粒径测定和SEM观察发现,热碱-EDTA耦合法破解的污泥粒径分布峰值响应小于热碱破解,污泥固体分散性优于热碱破解。通过分析可知,热碱-EDTA耦合法可以提高中低温条件下热碱破解的有机物溶出率和有机物水解性能,降低污泥残渣中VS的相对含量,热碱-EDTA耦合法相比热碱法强化了污泥的破解效果。     

热水解预处理对剩余污泥可生物降解性的影响

针对剩余污泥可生物降解性差的问题,以热水解作为预处理手段,研究了其对剩余污泥可生化性的提高作用。热水解在175℃,0.6~0.8 MPa条件下进行30 min。结果表明,剩余污泥经热水解后,水解率可达48%,挥发性脂肪酸浓度提高7~8倍,COD当量平均7 800 mg·L~(-1),生化产甲烷潜力提高43%左右。厌氧消化实验中,组合有热水解预处理的温度两相工艺和中温单相工艺容积产甲烷率为0.760和0.719 L·(L·d)-1,甲烷产率为0.288 L·g-1和0.255 L·g-1,均显著高于传统中温单相工艺的0.376 L·(L·d)-1和0.138 L·g-1。组合工艺的挥发性有机物去除率为48.64%和46.51%,比传统工艺高8%~11%。比甲烷产率提高约50%,表明这些被转化的有机物较传统工艺中被转化者产能更多。工艺对比发现,虽然热水解联合温度两相工艺效率最高,但热水解联合中温单相工艺几乎同样高效且工艺更简单实用。     

电渗透脱水对污泥热干燥特性的影响

以污水厂机械脱水后的污泥作为研究对象,提出了采用电渗透-热干燥结合进行深度脱水的方法。通过对原泥以及电渗透脱水至不同含水率(67%、71%和76%)的污泥在热干燥过程中含水率和干燥速率的测定,分析电渗透脱水对污泥热干燥特性的改善规律。结果表明,经电渗透脱水至含水率为67%和71%的污泥在热干燥过程中的传热传质速率及干燥速率有明显提高,且干燥温度越高,电渗透后污泥的干燥速率与原泥的干燥速率差距越大。相同电压梯度及相同温度下电渗透至67%后进行热干燥耗能最少。实际应用中应结合能耗分析选择合适的电渗透程度及干燥温度,以达到最优效果。     

叶腊石耦合微波改善燃料乙醇厌氧消化污泥脱水性能

利用金刚石生产废物叶腊石耦合微波对燃料乙醇厌氧消化污泥(FEADS)进行处理,探讨该处理方法对FEADS脱水性能的改善效果及机理。结果表明:含水率为97.65%的FEADS,投加叶腊石粉(2g/L)后沉降性能大幅提高,20 min时沉降比(SV)由70.2%减小为54.3%;经叶腊石粉(2g/L)耦合微波(640W、2min)处理后脱水性能大幅提高,污泥比阻(SRF)由1.21×10~(13)m/kg减小为7.23×10~(12) m/kg,可压缩系数由1.33减小为0.63;扫描电镜表明,叶腊石耦合微波处理后FEADS水分容易通过;热重曲线中失重峰明显滞后,显示叶腊石耦合微波处理改善了FEADS的脱水性能。     

CTAB改性斜发沸石对剩余污泥的调理作用

实验利用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性斜发沸石,并将其应用于剩余污泥的调理。以污泥比阻为参数,考察了表面活性剂浓度、反应温度及反应时间对CTAB改性沸石调理剩余污泥效果的影响。正交实验结果表明,改性沸石的最佳条件为CTAB浓度30 mmol/L,反应温度30℃,反应时间12 h。相较于原沸石,经改性沸石调理的污泥其脱水性能和沉降性能都有较大提高.当改性沸石投加量为90%(干污泥重)时,污泥净生产率达到最大值1.95 kg/(m~2·h),过滤时间缩短至最小值121 s,滤饼含水率也相应地由87.8%(原污泥)降低至59.5%。强化机理的研究表明,改性沸石主要是通过静电中和与吸附架桥作用,以及在污泥絮体中构建坚硬骨架来强化污泥调理效果的。     

脱水污泥热调质的特性

热调质方法是污泥深度脱水的有效办法之一。研究结果表明,污泥热调质过程中反应温度和反应时间对污泥热调质效果影响较大,搅拌速度影响较小。当反应温度从160℃升至180℃,反应时间从30 min增至60 min时,污泥溶液中挥发性悬浮固体(VSS)急剧溶解,释放出细胞里的结合水,表明污泥细胞破壁的温度条件为160～180℃,时间条件为45～60 min。热调质后污泥的比阻变化较大。随着反应温度的不断提高,比阻不断减小,污泥的脱水性能越来越好。实验确定了污泥热调质的最佳反应条件为:反应温度180℃,反应时间60 min,搅拌转速30 r/min。在此条件下,压滤后泥饼含水率约50%,滤液中COD浓度可达19 000 mg/L,有利于后续污泥的消化。     

食用菌废菌棒热解的产物分布与机理解析

我国食用菌废菌棒产生量大,利用率低,对环境污染严重,需要妥善处理。为制备高品质能源,在500～800℃温度范围内快速热解废菌棒,分析产物特征,解析热解机理。热解温度从500℃上升到800℃时,废菌棒的热解气质量分数从18.44%上升到50.45%,焦油的质量分数从49.06%下降到23.72%,生物炭的质量分数维持在30%左右,废菌棒的质量减量化率超过2/3;同时,热解气中H_2、CO、CH_4含量均有上升,CO_2含量下降;焦油组分向更稳定的苯系物转变;生物炭炭化效果增强。研究结果表明,700℃为最佳热解温度,经过120 s即可反应完全。高温可以破坏羟基的结构,使其发生脱氢反应,碳氢键较早断裂,伯碳和仲碳大量裂解并迁移至焦油和热解气中,羰基在高温下迅速断链。     

添加餐厨油脂对高含固污泥热水解及厌氧消化的影响

针对高含固污泥热水解传热差的问题,通过向剩余污泥中添加餐厨油脂协同污泥热水解以达到加速热水解过程的目的,探究了热水解时间和油脂添加量对污泥有机物水解及中温(35±1)℃厌氧消化性能的影响。结果表明:油脂与污泥协同热水解可有效促进污泥中不溶态有机物的水解,当热水解温度为165℃、水解时间为90 min时,油脂与污泥的质量比为0.4∶1时,有机物水解效果最佳;添加油脂能提高热水解速率,当油脂与污泥的质量比分别为0.2∶1、 0.4∶1、 0.6∶1时,污泥中不溶态有机物的水解速率分别提高了23.30%、 43.63%和62.98%;油脂的添加可提高甲烷产量和产甲烷速率,但会延长延滞期,综合考虑热水解与厌氧消化的性能,建议预处理时间为90 min、油脂与污泥的质量比为0.2∶1为最佳条件。添加餐厨油脂可加速高含固污泥的热水解过程,有助于实现污泥的高效处理。     

混合酶强化剩余污泥微生物燃料电池性能

为了提高剩余污泥为燃料的微生物燃料电池(SMFC)产电性能以及污泥减量化效果,在不同的温度(40、45和50℃)研究单室无膜微生物燃料电池中酶对SMFC产电特性的强化效果.加入单一酶(蛋白酶或α-淀粉酶)的结果表明,随着温度的上升,SMFC功率密度均上升,但40℃时强化效果最明显,与加入失活酶的对照组相比分别增加198％和130％.在40℃下,混合酶比(蛋白酶浓度:淀粉酶浓度)为2∶3时,SMFC最大功率密度为776 mW/m2.随着混合酶中淀粉酶的比例提高,SMFC库伦效率逐渐增加,当混合酶比为4∶1时,CE(库伦效率)可达18.3％,同时TCOD、TSS和VSS去除率分别为70.3％、66.7％和80.4％.因此,温度相对较低时,外加酶强化效果更明显;与单种酶相比,混合酶对SMFC产电性能和污泥减量化的强化效果更显著.