矿化垃圾对污泥厌氧消化产甲烷的影响

在序批式厌氧反应器中探究了矿化垃圾对污泥厌氧消化产甲烷的影响。实验结果表明,矿化垃圾能够提高甲烷的产量并且提高甲烷的体积分数。当矿化垃圾投加量由0增加到5 g·L~(-1)时,甲烷的产量也由168.9 m L·(g VSS)-1(挥发性悬浮固体)增加到218.6 m L·(g VSS)-1,体积分数由60%增加至70%。然而继续提高矿化垃圾的投加量至7 g·L~(-1)对污泥厌氧消化造成一定的抑制作用。矿化垃圾的存在能够提高污泥中溶解性化学需氧量(SCOD)的溶出,挥发性脂肪酸的积累进而为产甲烷菌提供了充足的消化底物,从而提高了甲烷的产量。     

渗滤液添加量对餐饮垃圾厌氧消化的影响机制

系统地研究了渗滤液添加量对于餐饮垃圾厌氧消化产气过程的影响,结果分析表明,餐饮垃圾与渗滤液联合厌氧消化,可以有效地缓解酸抑制现象,增强厌氧消化系统的稳定性,提高沼气产率。当餐饮垃圾负荷为40 g·L~(-1),渗滤液与水的比例为1.227∶1,将厌氧消化原液的氨氮调节至2 000 mg·L~(-1)时,厌氧消化效果最好。沼气产率可达到840 m L·g~(-1)(以TS计),甲烷产率可达到375 m L·g~(-1),累积沼气产量达到理论值的94.32%,累积甲烷产量达到理论值的74.77%。     

城市生活垃圾焚烧厂渗滤液产甲烷潜力

为研究城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的产甲烷潜力及其影响因素,在常规水质分析的基础上,采用瑞典AMPTSⅡ系统进行中温((37±1)℃)厌氧消化实验,探究稀释倍数和污泥投加量对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和可生物降解性的影响。结果表明:城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率(以CH4/CODadd计)高于326.0 mL·g~(-1)(理论甲烷产率为350 mL·g~(-1)),可生物降解性高于93.1%;城市生活垃圾焚烧厂渗滤液是一种高COD、高NH3-N的有机废水,但可生化性较好;无论污泥投加量还是稀释倍数对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和可生物降解性影响都很小,但稀释倍数的增加可明显降低污泥驯化时间和厌氧消化时间。在工程应用中,采用生化出水回流稀释城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的方法,可降低厌氧反应器启动时间和厌氧消化时间,提高城市生活垃圾焚烧厂渗滤液处理效率。     

进料频率对餐厨垃圾与剩余污泥中温共发酵系统稳定性的影响

考察系统负荷(以COD计)为11.36 g·(L·d)~(-1)时,6种不同进料频率下,餐厨垃圾和剩余污泥中温厌氧共发酵过程中产气量、气体组分、SCOD、pH和挥发性脂肪酸(VFAs)的变化,旨在明确进料频率对系统稳定性的影响,同时结合单一VFA的产甲烷动力学特性,探明系统不稳定的原因。结果表明,进料频率较高时,进料周期内系统的气体组分、SCOD和pH无明显变化,产气量呈线性增长,且基本无VFA积累。随着进料频率降低,进料初期过快的水解酸化导致SCOD和VFAs浓度呈现明显的先升高后逐渐降低的趋势,从而导致pH和甲烷含量波动明显。当进料频率为1次·d~(-1)时,系统中pH降至7.5,甲烷含量降至45.4%,丙酸占总有机酸的比例最高可达87.9%。相比乙酸而言,丙酸在甲烷化过程中存在的延滞期(1.21 h)及较低的甲烷化速率(5.01 mL·h~(-1))可能是导致存在丙酸积累的低频进料系统中稳定性较差的原因之一。     

餐厨垃圾生化产甲烷潜力的数学模拟

为资源化回收利用餐厨垃圾,采用BMP实验对其产甲烷潜力进行了研究,测定了不同厌氧消化时间内的沼气产量及COD、VFA浓度,并在此基础上对餐厨垃圾产甲烷潜力进行了数学模拟。结果表明,混合液COD浓度变化曲线呈逐渐下降的趋势,VFA出现短暂积累,应调控厌氧消化系统的碱度。餐厨垃圾经40 d厌氧消化后,实际生物化学产沼气及产甲烷潜力分别可达559.1、349.7 m L·g~(-1)VS,第20天后累积产气量增加不显著。数学模拟结果表明,餐厨垃圾最初7 d的平均水解常数为0.244 d~(-1),模拟产沼气及甲烷潜力分别可达578.36和363.72 m L·g~(-1)VS,实际产沼气及甲烷潜力分别占模拟产沼气及甲烷潜力的96.7%、96.1%,采用固体停留时间为25~30 d进行厌氧消化较为合理。     

沼液回流对秸秆与污泥混合中温厌氧消化的影响

为了提高秸秆与市政污泥混合厌氧消化的消化产率,以秸秆污泥混合物作为底物,在批次实验中研究不同沼液回流对中温(35℃)混合厌氧消化过程的影响。实验采用0%、20%、30%、40%、50%和60%等6种不同的沼液回流量,分析不同沼液回流量下产气量、甲烷含量、发酵过程氨氮含量、sCOD、总挥发酸(VFAs)的变化情况。结果表明:50%的沼液回流产气量和甲烷产量均最大,分别是1 645 m L和797.5 mL,TS和VS去除率达到17.5%和47.8%,单位VS甲烷产量为613.45 mL·g-1,较未加沼液的发酵瓶提高了37.7%,且无VFAs积累。过高的沼液回流量提升了厌氧反应的氨氮浓度,对厌氧产气过程产生了抑制。50%沼液回流量可以作为秸秆污泥混合厌氧消化最佳回流量。     

多壁碳纳米管短期作用对厌氧颗粒污泥的影响

研究了不同质量浓度(1、20和100 mg·L~(-1))多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotubes,MWCNTs)短期(7 d)作用对厌氧污泥系统的影响。结果表明:1、20和100 mg·L~(-1)的MWCNTs反应器出水中的COD、pH、VFA与对照组变化规律一致;其中,100 mg·L~(-1)的MWCNTs可以诱导更快的底物利用率。不同质量浓度MWCNTs反应器的产气量和甲烷体积分数与对照组之间相比无显著差异(P0.05)。运用修正Gompertz方程拟合甲烷产量曲线以及计算最大比产甲烷速率(U_(max,CH_4))和最大比COD去除速率(U_(max,COD))表明厌氧产甲烷菌产气特性没有受到MWCNTs的影响。实验研究结果为以后研究碳纳米管在厌氧废水处理中的影响提供了提供新的思路和方法。     

2种启动方式下CSTR厌氧甲烷发酵系统的运行特性比较

厌氧产甲烷菌生长缓慢,对生境环境尤为敏感,其富集难且慢,所以厌氧反应器的快速启动一直是热点研究问题。为摸清连续流搅拌槽式反应器(CSTR)处理糖蜜废水的适宜启动条件和调控方法,比较了两种启动方式下CSTR厌氧甲烷发酵系统的运行特性。结果显示,以啤酒废水污水处理车间的剩余污泥为种泥,在HRT为18 h、温度35℃条件下,进水COD为4 000 mg·L~(-1)时直接启动CSTR厌氧反应器,系统因挥发酸积累,产甲烷菌群活性受限,难以富集培养,经过近103d的运行,系统未形成高效的厌氧甲烷发酵微生物菌群结构体系;而当采用保持HRT18 h不变,进水COD阶段性提升至4000 mg·L~(-1)的启动方式时,产甲烷菌群活性较高,能在较短时间内得到有效富集和培养,CSTR能成功培养具有完整甲烷发酵功能的微生物菌,COD去除率可在65 d内达到56%,反应器成功启动。     

联合NaOH和Ca(OH)_2强化剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸

以剩余污泥为研究对象,在序批式厌氧反应器中探究了Na OH和Ca(OH)_2联合作用对污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFA)的影响。结果表明,相较于Na OH单独发酵,Na OH和Ca(OH)_2的联合作用能够进一步促进VFA的积累,且Na OH和Ca(OH)_2的质量比例为50∶50时,VFA的最大积累量为286 mg COD·g-1VSS。机理研究表明,Na OH和Ca(OH)_2联合作用能够促进污泥溶解过程,并且溶解性COD(SCOD)的最大含量为3 650 mg·L~(-1),同时Na OH和Ca(OH)_2联合作用能够促进胞外聚合物内部有机物向外部的转移。Na OH和Ca(OH)_2联合作用能够进一步遏制产甲烷古菌的活性,甲烷的最大积累量为165 m L,远小于Na OH单独影响下甲烷的积累量。研究结果对指导污泥厌氧发酵回收能源物质具有一定的指导意义。     

pH对生物表面活性剂脂肽强化剩余污泥厌氧水解酸化的影响

近年来,污泥厌氧发酵作为一种新型的污泥处理方式受到广泛关注。通过厌氧发酵,一方面污泥得以减量化,另一方面,得到能源物质短链挥发性脂肪酸(SCFA)。然而,厌氧反应中水解步骤是限制污泥厌氧发酵的关键步骤。因此,提出利用脂肽强化污泥厌氧发酵生产SCFA的方法,并探讨了pH对脂肽强化污泥水解酸化的影响。实验结果表明,碱性环境有助于进一步提高脂肽作用下污泥厌氧水解酸化速率,且最佳pH为10,此时最大SCFA积累量为286.4 mg·g~(-1)。研究表明,碱性环境能够进一步强化污泥中有机物(蛋白质和多糖)的溶出,且抑制甲烷的积累。     

有机负荷对酒糟厌氧消化降解及甲烷产率的影响

为了探究有机负荷对酒糟中温厌氧消化运行的稳定性及产气性能的影响,启动了有机负荷分别为1.6、4.8和6.4 kg·(m3·d)-1的厌氧反应器R1、R2和R3,并以半连续方式运行100 d。单因素方差分析(ANOVA)的结果表明,3个反应器在60~90 d的VS降解率无显著性差异(p=0.190.05),分别为(66.9±3.2)%、(68.1±2.7)%和(66.1±1.5)%,但产气率随着有机负荷的提高而升高,分别为(0.48±0.07)、(0.61±0.06)、(0.71±0.06)m3·kg-1,对应的甲烷比例为56.9%、60.9%和59.6%。虽然提高有机负荷促进了有机碳源利用效率,提高了甲烷比例和产量,但其稳定运行存在一定困难,R3在90 d后产气急剧下降,丙酸大量积累,产酸菌和产甲烷菌间的动态平衡受到破坏。因而,适宜的有机负荷是确保酒糟良好的厌氧消化稳定性能和产气性能的关键因素。     

不同碳氮比对干法厌氧消化产沼气特性及细菌群落多样性的影响

为研究不同初始C/N值的混合物料对甘蔗叶干法厌氧消化过程中理化参数以及产沼气特性的影响及产气最佳的C/N值厌氧消化过程中细菌群落结构多样性,研究采用牛粪与甘蔗叶以及啤酒厂滤泥这3种有机固废物混合并加入自行研究设计的发酵罐里进行厌氧消化,并采用Nested-PCR(巢式PCR)技术扩增消化过程中细菌的16S r DNA V3区域,并通过DGGE方法分析初始C/N值为15.02厌氧消化过程细菌群落的多样性。实验结果表明,初始C/N值为15.02的混合物料产甲烷最佳,最高累计产气量为1 748.63 m L·kg~(-1),甲烷最高含量为59.26%,最高日产甲烷量为13.58 m L·kg~(-1);通过研究最佳C/N值为15.02的细菌多样性,可知在厌氧消化过程中细菌数量和群落结构丰富多样,样品间的细菌群落结构差异性相对较大,样品间存在与产沼气相关的共有的优势细菌。     

中药渣不同有机负荷厌氧发酵工艺参数分析

以人参、赤芍和桂皮等混合中药渣为发酵原料,采用全混式厌氧反应器,在中温(35±1)℃,通过半连续厌氧发酵工艺,研究其发酵过程中不同有机负荷,沼气日产气量、甲烷含量、p H值、挥发性有机酸(VFA)和总无机碳(TIC)等参数变化相互关系。结果表明:厌氧消化过程呈现5个阶段,即发酵启动期、增长期、稳定期、超负荷期和恢复期;反应器高效稳定运行可承受的中药渣最大有机负荷为8.0 g TS·(L·d)-1,系统p H值稳定在7.0左右,沼气日产气量8.38 L,容积产气率为1.68 L·(d·L)-1,原料产沼气能力262 m L·(TS g·d)-1,VS去除率为20.69%。有机负荷为10.0 g TS·(L·d)-1时超负荷运行,沼气产量急剧下降,系统运行稳定性被破坏。因此,在中药渣厌氧消化过程中一定要控制有机负荷在最佳数值,实时监测反应器运行过程中的各参数变化,及时做出调整,保证工程的高效稳定运行。     

长链脂肪酸对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响

为研究中温条件下长链脂肪酸(LCFA)的含量及代谢对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响,考察了LCFA添加量分别为0、0.6、1.2、1.8、2.4、3和3.6 g·L~(-1)条件下产沼气量、累积甲烷产量以及代谢中间产物挥发性脂肪酸/乙醇的浓度和组成。结果表明:在中温餐厨垃圾厌氧产甲烷的过程中,虽然LCFA也能够被微生物代谢转化生成甲烷,但LCFA的存在会对产甲烷过程造成一定程度的抑制作用;当其含量较低时抑制作用较为微弱,当其含量较高(2.4 g·L~(-1))时,甲烷产量及产甲烷速率都会受到较大影响;特别是当LCFA含量高于3.6 g·L~(-1)时,体系出现较强的抑制现象。通过实验累积值与理论甲烷产率的对比可以发现,LCFA含量越高的反应器中实验累积值/理论值的比值越低,表明有机物的转化效率越低。通过对厌氧过程中间产物的检测可知,LCFA含量越多的反应器中初期累积的挥发性脂肪酸浓度越高,当反应体系的LCFA浓度超过2.4 g·L~(-1)时,累积的乙酸和丙酸浓度较高,丙酸降解过程和乙酸代谢产甲烷的过程受到一定程度的延滞和抑制作用,降解速率低于正常水平,厌氧发酵的能力和效率受到影响。     

不同厌氧消化反应装置的玉米秸秆产沼气比较

为了探究适合农作物秸秆进行厌氧消化产沼气的反应装置,选用单相反应装置连续搅拌反应釜(continuously stirred tank reactor,CSTR)和两相反应装置渗滤床(leach bed)上流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket,UASB)作为玉米秸秆厌氧消化的反应器,比较了玉米秸秆在这2种反应装置中的厌氧消化产气特性。研究结果显示,在水力停留时间为30 d、半连续的进料方式下,CSTR反应装置中有机负荷率(以原料VS计)为3.0 g·(L·d)-1时的VS甲烷产量为223 m L·g-1,而在相同的水力停留时间、批式进料方式下,L-UASB反应装置的VS甲烷产量为169 m L·g-1,前者原料中挥发性有机固体含量减少了53.7%,后者减少了43.5%,因此研究结果表明农作物秸秆的厌氧消化产气特性受反应装置影响较大。     

零价铁强化城市污泥与垃圾焚烧厂渗滤液协同厌氧消化

针对城市污泥(初沉污泥、剩余污泥)和垃圾焚烧厂渗滤液2种市政废物的协同厌氧消化产气量不足的问题,采用投加零价铁的方式,探究零价铁对厌氧消化过程中产酸和产甲烷阶段的强化作用,并研究消化前后COD、VSS、氨氮以及上清液离子的变化。以初沉污泥与剩余污泥体积比4∶1、渗滤液添加量为15%的基质作为底物,投加不同浓度零价铁进行厌氧消化。结果表明:零价铁能有效提升协同厌氧消化系统中总挥发性脂肪酸产量、促进丙酸分解、进一步降解复杂有机物;当零价铁投入量为4 g·L~(-1)时,累计产甲烷量最高达189.65 mL·g~(-1)(以VSS计),相比对照组提升了30.1%,其产气速率符合一次函数和Scholl Canyon模型指数衰减规律;在25 g·L~(-1)和40 g·L~(-1)的高投加量零价铁条件下,产气高峰提前,但累计甲烷产量低于对照组;随着零价铁的投加量增加,COD降解率呈下降趋势,VSS降解率提升,氨氮变化不大;此外,消化液上清液中,正磷酸盐、硫酸根浓度明显减少,这与亚铁离子的混凝沉淀作用相关,同时也是削弱零价铁强化作用的原因之一。研究结果可为城市污泥和垃圾焚烧厂渗滤液协同厌氧消化提供参考。     

餐厨垃圾湿式厌氧消化最优有机负荷及失稳指标

为探究餐厨垃圾湿式厌氧消化最佳有机负荷及失稳预警指标,在(36±1)?C单相连续搅拌条件下进行有机负荷(OLR)梯度实验。通过理论及数学分析确定90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化的最佳OLR和失稳指标。当OLR(以VS计)为2.94 g·(L·d)-1时,挥发性固体去除率、甲烷产率、容积沼气产率分别为78%、0.58 L·g-1VS、2.99 L·(L·d)-1,此时厌氧反应器达到最佳运行状态。一定浓度的游离氨(FAN)会抑制微生物活性,触发挥发性脂肪酸(VFA)的积累,造成容积沼气产率降低,第36天,当OLR增至3.21 g·(L·d)-1时,FAN浓度升至区域峰值207 mg·L-1,但随后骤降35.9%(39 d),分别造成VFA和挥发性脂肪酸浓度与碳酸氢盐碱度的比值(VFA/TA)从第37天的1 897 mg·L-1、0.22升高至第47天的4 755 mg·L-1、0.73,系统进入抑制稳定状态,最终导致容积沼气产率从第47天的2.66 L·(L·d)-1降至第48天的1.88 L·(L·d)-1,系统恶化。协同分析表明,当VFA和VFA/TA分别达到2 500 mg·L-1和0.35并出现持续上升的现象时,能提前7~8 d对90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化系统的失稳提出预警。     

浮萍与剩余污泥厌氧消化产沼气实验

为了提高浮萍厌氧消化产沼气能力,对比浮萍和剩余污泥的单独以及混合厌氧消化过程的产气情况,得到当两种底物混合厌氧消化时,具有互补优势,缩短了产甲烷过程的酸化期,累积产气量实际值比计算值提高11%。此外,研究底物的预处理以及底物与接种物比例对厌氧过程的影响,结果表明,浮萍经热碱预处理后比未处理组甲烷产量增加了8%,且厌氧消化产沼气时间缩短;当底物与接种物比例为1∶1时,整个反应过程的pH维持在6.00以上,利于产甲烷过程,体系中积累的挥发性脂肪酸(VFAS)最多,且获得的总沼气产量和总甲烷产量最大,分别为3 309 m L和1 883 m L,比最低的1∶2.5组分别高出151 m L和304 m L。     

利用逐级提高进料浓度的方法启动完全混合反应器处理鸡粪

为了改进完全混合反应器(continuous stirring tank reactor,CSTR)厌氧消化处理鸡粪的启动效果,通过逐级提高进料鸡粪浓度的方法在CSTR中进行中温(36?C)厌氧消化的启动实验,实验分为2个步骤:污泥适应性驯化和消化能力提升,即通过间歇添加2%浓度鸡粪的方法驯化活性污泥;利用逐级提高进料鸡粪浓度(2.1%、3.2%和5.2%)的方法提高污泥消化能力。结果表明:通过逐级提升进料鸡粪浓度的方法能够驯化出处理一定浓度鸡粪的活性污泥,当进料鸡粪浓度达到5.2%时,CSTR进料有机负荷(organic loading rate,OLR)、总固体含量(total solid,TS)去除率和产沼气量分别达到1.5 g·(L·d)~(-1)、60%和1 L·(L·d)~(-1),甲烷体积分数稳定在(65±3)%左右,总氨氮浓度最高达到1 200 mg·L~(-1),没有出现氨抑制的现象,污泥活性随进料鸡粪浓度提升而逐步得到驯化,从而成功启动反应器正常运行。为CSTR厌氧消化处理高氮基质启动提供了新的方法,具有重要的理论和实践意义。     

共接种瘤胃微生物和厌氧污泥的水稻秸秆中试厌氧消化系统性能评估

针对富含木质纤维素底物利用效率低的问题,通过在中试厌氧消化系统中共接种瘤胃微生物和厌氧污泥来改善水稻秸秆中木质纤维素的水解,采用逐步提升底物有机负荷(OLR)的方式,评估了接种后水稻秸秆的厌氧消化效率。结果表明,在反应体系底物有机负荷达到4.26 g·(L·d)-1(以VS计)时,系统表现出最佳的厌氧消化性能,此时沼气产率为528 mL·g-1 (以VS计),甲烷产率为287 mL·g-1,容积沼气生产强度达到2.20 L·(L·d)-1。在反应器有机负荷从1.05 g·(L·d)-1提升到4.26 g·(L·d)-1的运行过程中,系统的纤维素降解率稳定在(71±2)%,半纤维素降解率稳定在(92±4)%,木质素降解率稳定在(15±3)%。这种稳定性表明反应器的连续运行成功地形成了高效的木质纤维素降解体系,结果可为实际规模化应用提供参考。