热碱处理污泥协同餐厨垃圾两相厌氧消化的特性

以热碱处理后的污泥和餐厨垃圾为原料,采用中温两相厌氧消化工艺,研究不同配比的污泥与餐厨垃圾的基质转化规律、产甲烷性能及系统稳定性等特性。结果表明:溶解性多糖及蛋白质在产酸阶段被大量消耗,二者去除率最高分别可达97.2%和70.4%,而餐厨垃圾比例占优的实验组,固态蛋白质溶出速率大于溶解性蛋白质水解速率。热碱污泥与餐厨垃圾混合厌氧消化的产气性能及稳定性明显得到提升,其中混合比例为2∶3的混合组产甲烷性能最佳,甲烷产率达261.6 mL/gVS,比单独餐厨垃圾消化组提升了29.6%,产甲烷过程中8 d实现了80%的甲烷产量,VS去除率最高达45.7%,产甲烷阶段VFAs/碱度小于0.2,系统稳定未出现酸化现象。     

半连续泔脚垃圾与猪粪混合厌氧消化研究

在中温(35℃)条件下,采用逐渐提高有机负荷的半连续进料方式,研究泔脚垃圾厌氧消化规律。在1gVS/(L.d)、1.25 gVS/(L.d)和1.5 gVS/(L.d)的有机负荷下,厌氧消化系统能够稳定运行,实现水解酸化阶段和产甲烷阶段的动态平衡,甲烷产率与日产气量的变化规律一致,pH、VFA、氨氮浓度分别保持在7.2和360mg/L1、500 mg/L左右。当有机负荷为1.5 gVS/(L.d),每克VS的甲烷产率和甲烷百分数出现最大值,分别为1.40 L/g7、1.37%,此时厌氧消化系统处于最佳运行状态。     

发酵液回流对餐厨垃圾厌氧消化的影响

针对厌氧发酵液回流可提高厌氧系统性能,而不适的回流比例又会造成系统酸化的现象,采用单相连续反应器研究了发酵液回流及不同回流比对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响。结果表明:在1 gVS/L的有机负荷下进行三种比例(10%、30%、50%)的发酵液回流使系统日平均产气量比不回流阶段分别提高0.7%、13.0%、4.9%,且对气体甲烷含量无显著影响。回流使VFA降解更充分,也使系统缓冲能力得到调节,但在较高的回流比(50%)下会造成Na+积累从而抑制系统产气性能。     

餐厨垃圾与秸秆混合中温和高温厌氧消化对比

餐厨垃圾与秸秆混合厌氧消化可有效改善两者单独厌氧消化易出现的挥发性脂肪酸积累和木质纤维素难以降解等问题,并回收生物质能.在中温(35℃)和高温(55℃)条件下,对餐厨垃圾与秸秆混合厌氧消化进行了序批式试验研究.结果表明,进料的挥发性固体(VS)浓度为3 kg·m~(-3),中温条件下,物料进料比(VS/VS)为9∶1时,单位有机负荷累积甲烷产量达到最高,为272.0 mL·g~(-1);高温条件下,进料比为5∶5时,单位有机负荷累积甲烷产量达到最高,为402.3 mL·g~(-1),分别显著高于两温度条件下餐厨垃圾单独厌氧消化的结果(中温218.6 mL·g~(-1),高温322.0 mL·g~(-1)).高温条件下物料中的碳流向甲烷的比例高于中温,且两物料混合消化促进碳流向甲烷.高温下木质纤维素总降解率为34.7%~45.8%,高于中温的12.6%~42.2%.利用高通量测序技术检测细菌与古菌的16S rRNA基因序列信息和真菌的内转录间隔(ITS)序列信息,结果表明,高温下木质纤维素降解细菌和放线菌数量明显高于中温条件,可解释高温下木质纤维素总降解率更高的原因.     

生物炭缓解餐厨垃圾厌氧消化酸化的效果及机制

研究了在高有机负荷(30 g VS/L,VS为挥发性固体含量)下生物炭缓解餐厨垃圾厌氧消化酸化,促进产甲烷的效应及机制。结果表明:碱性多孔生物炭在最优添加量下(1 g/g VS),反应20 d时,累积产甲烷量达到312.40 mL/(g·VS),与对照组相比提升了101.7%,同时产甲烷停滞期缩短62%。并在酸化最严重时挥发性脂肪酸(VFA)含量降低1151.28 mg/L。研究结果表明:生物炭的多孔结构是促进挥发性脂肪酸分解的关键因素,碱度和营养物质可以起到促进作用。高通量测序结果表明:最佳添加量下甲烷丝菌属(Methanothrix)、拟杆菌(Bacteroidales)、梭菌(Clostridiales)的相对丰度分别由26.12%、43.08%和9.95%提高到46.05%、56.25%和12.20%。生物炭缓解餐厨垃圾消化酸化的机制是为微生物提供反应场所,增强了微生物间的电子传递,提高了厌氧微生物的呼吸速率。     

不同储存条件下餐厨垃圾的变化特征及其厌氧消化产气潜力

餐厨垃圾在储存、运输过程中容易腐败变质,对其资源化利用有一定影响。考察了不同条件下储存时餐厨垃圾pH和细菌总数的变化规律,研究了室温以及5℃条件下,不同储存时间的餐厨垃圾的厌氧发酵产气潜力。结果表明:随储存温度的降低,餐厨垃圾pH值的下降趋势有所减缓,在5℃条件下,8 h内可使餐厨垃圾的pH维持在6.0以上;15℃下餐厨垃圾储存8 h以内,细菌总数小于1.0×10~6cfu/g。室温(30℃)新鲜垃圾的累积产气量最高,达到1 422 mL。在5℃下储存4 h内的餐厨垃圾,其厌氧发酵累积产气量与新鲜餐厨垃圾的产气结果相当,而在5℃下储存8 h时,产气量与新鲜垃圾相比下降了3%,之后,随着储存时间的延长,累积产气量逐渐下降。     

污泥与餐厨垃圾共消化系统启动策略

考察并对比分析了接种和不接种厌氧消化污泥时污泥与餐厨垃圾共消化系统的启动情况。结果表明:接种消化污泥的共消化系统从第13天开始稳定运行,对应的沼气平均日产量为32.8 L/d,甲烷含量达56%;而不接种消化污泥的系统未能成功启动,沼气平均日产量仅有0.4 L/d,甲烷含量占35%;运行结束时不接种消化污泥系统中短链脂肪酸(SCFAs)浓度高达6 703.8 mg/L,远高于接种消化污泥系统的34.9 mg/L;接种消化污泥的共消化系统pH为7.07～7.27,而不接种消化污泥系统的pH<6.50。因此,pH偏低是导致不接种消化污泥系统产气量少的主要原因,为了快速且成功启动污泥与餐厨垃圾共消化系统,有必要接种厌氧消化污泥。     

餐厨垃圾渗滤液强化城市污泥消化作用研究

针对城市污水厂污泥热值低、C/N比低,厌氧消化效率低的问题,结合餐厨垃圾渗滤液中有机物含量高、C/N比高的特点,研究了城市污泥、餐厨垃圾渗滤液共消化过程.结果表明:垃圾渗滤液的添加促进了污泥厌氧消化甲烷气的产生,添加生、熟垃圾渗滤液的消化污泥累计产甲烷量分别为542 mL、2102 mL,是未添加渗滤液(参照样)的污泥消化产气量的1.2倍、4.6倍,甲烷单位产量分别为261(参照样)、675.8、971.0L·kg-1(以VS计);同污泥单独厌氧消化相比,添加生、熟垃圾渗滤液能强化污泥VS/TS的去除,其去除率分别为15.3%和26.3%;通过共消化,污泥上清液的SCOD去除率均高于90%,出水COD也基本一致,并未因垃圾渗滤液的添加而发生大的波动.污泥与餐厨垃圾渗滤液的共消化能够促进有机物的去除,强化甲烷气的产生,实现了污泥与渗滤液的稳定化、无害化和资源化.     

椰子壳生物炭促进餐厨垃圾厌氧消化的响应面优化实验

主要研究了椰子壳生物炭添加对餐厨垃圾厌氧消化的影响,选取污泥接种量、初始pH值和生物炭添加量为主要影响因素,运用最陡爬坡实验确定参数水平,然后运用响应面法,以甲烷产率作为厌氧消化过程响应指标,优化椰子壳生物炭促进餐厨垃圾厌氧消化的工艺条件。结果表明:根据实验数据建立的二次多项式数学模型具有高度显著性(P<0.0001),决定系数R~2=0.9844,说明实验值和预测值之间具有很好的拟合度。通过数值优化得到最优条件分别为污泥接种20.98%,初始pH=7.05,生物炭添加量为22.14 g/L。在该条件下,餐厨垃圾甲烷产率的预测值为331.66 L/kg,实验值为326.15 L/kg,二者相对偏差为1.69%。     

餐厨垃圾厌氧发酵启动特性与产甲烷效率

通过开展批次餐厨垃圾中温厌氧发酵实验,考察VS接种比、TOC/TN对餐厨垃圾干式厌氧发酵启动和产气效率的影响。结果表明:VS接种比是干式厌氧发酵处理的重要参数。当VS接种比<1.5,厌氧发酵系统处于酸化状态时,不产生甲烷。随着VS接种比的提高,TOC/TN的增加,餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷效率、TS削减量、TOC削减量显著提高,厌氧发酵周期缩短,但VS的削减量受VS接种比、TOC/TN的影响较小。整个实验过程中,在VS接种比为2.5,TOC/TN为30条件下,餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷效率达到360.62 mL/g(TS)、194.96 mL/g(VS)、99.15 mL/g(TOC),TS削减量、VS削减量、TOC削减量分别达到48.33%、87.47%、59.25%。     

餐厨垃圾厌氧发酵影响因素研究

用L9(34)正交试验法研究了温度、含固率、接种率和pH对餐厨垃圾厌氧发酵产沼气量的影响,确定了考察因子的主次以及最优工艺条件,并针对影响较为显著的因素(温度、接种率和pH)进行了单因素验证试验。实验结果表明:在温度为55℃、pH值为7、接种率为30％、含固率为8％时,厌氧发酵产沼气的产率最大为633.8 mL/gVS...     

预处理及物料配比对有机垃圾厌氧发酵的影响

针对我国推行垃圾分类政策后产生的大量有机垃圾难以有效消纳的问题,开展了厨余、果蔬与园林垃圾连续式厌氧发酵实验,并通过超声与碱热预处理技术改善产甲烷性能,并以厨余垃圾单独厌氧发酵作为对照实验组。根据进料有机负荷（OLR）,将反应周期分为低有机负荷[OLR=1,2 g/（L·d）]和高有机负荷[OLR=4,6 g/（L·d）]2个阶段。结果表明:在低有机负荷阶段,反应体系均表现出较强的稳定性。其中,厨余垃圾实验组的有机质（VS）去除率和甲烷产率最高,分别可达到90.3%,460 mL/g。并且超声与碱热预处理可以使混合物料甲烷产率分别提高7%~8%和3%~7%;在高有机负荷阶段,厨余垃圾实验组稳定性明显降低,具体表现为pH值降低至6.70,挥发性脂肪酸（VFA）和氨氮（TAN）积累浓度分别达到1230,1519 mg/L,且VS去除率与甲烷产率分别降低了2.8%、11%。此时混合物料反应体系表现出较强的抗冲击负荷的能力。与厨余垃圾相比,混合物料的甲烷产率有所提高,可达到420 mL/g。其中,超声预处理后甲烷产率可进一步提高3%,而碱热预处理后甲烷产率降低了4%。     

多因素共同作用对中温条件下污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产H2的影响

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产H₂既可减少环境污染,又可制备清洁能源,是一种理想的有机固废处理处置技术。通过4因素5水平正交设计的批式实验及产氢动力学,探究餐厨垃圾C/N、混合体系C/N、含水率、初始pH值4个主要因素共同作用对中温条件下污泥餐厨垃圾联合厌氧发酵产H₂的影响。极差与方差分析结果表明：4个主要因素对联合厌氧发酵产H₂结果影响较明显,而餐厨垃圾C/N和混合体系C/N的交互作用对产H₂结果的影响不显著。不考虑交互作用,以比氢气产量为产H₂效能主要表征指标,最终确定餐厨垃圾C/N为20,联合发酵体系C/N为10,初始pH值为7,含水率为90%时,产H₂效能最佳,此时的累积产氢量为1499.6 mL,比氢气产量为140.96 mL H₂/g DS,最大产氢速率为21.73 mL H₂/h,最大H₂浓度为55.79%。     

废铁屑对剩余污泥厌氧消化特性的影响

为探明废铁屑（RSI）对中温厌氧消化特性的影响,利用RSI为外源添加剂研究其投加对剩余污泥厌氧消化水解酸化、产气效率以及污泥表面形态的影响.结果表明:①剩余污泥酸化水解产物VFAs的主要成分是乙酸,其含量随RSI投加量的增加呈先升后降的趋势.②RSI投加量适中（不超过20 g/L）时可促进乙、丁酸型发酵,抑制丙酸型发酵,进而提高剩余污泥厌氧消化效率.③当RSI投加量分别为0、1、5、10、20和30 g/L时,累积甲烷产率分别为135.4、141.9、159.2、178.9、209.3和180.7 mL/g（以VS计）,甲烷含量分别为51.2%~56.4%、53.9%~58.6%、58.1%~62.5%、59.5%~68.3%、61.1%~71.2%和51.9%~61.4%.RSI最佳投加量为20 g/L,与空白组相比,累积甲烷产率和甲烷含量分别提升了54.6%和23.0%.④结合扫描电镜-X射线能谱（SEM-EDX）分析方法发现,在厌氧消化过程中微生物可促进RSI的溶解,且随RSI投加量的增加,消化污泥表面的铁元素含量也随之增加.⑤RSI的投加会提高蛋白酶和纤维素酶的活性,但若投加量过高则会产生负面效应.研究显示,外源添加剂RSI投加量适中（不超过20 g/L）时可促进剩余污泥厌氧消化效率.      

不同负荷餐饮垃圾与城市厌氧污泥混合厌氧消化研究

本实验研究了不同有机负荷下,餐饮垃圾与消化污泥不同方式混合中温厌氧消化的过程。实验结果表明,1#-4#的酸化点均可逆,1#的酸化低值点为4.11,3#的为6.04,通过加入氢氧化钠溶液有效控制系统的酸化过程,防止出现酸抑制现象,使得各有机负荷均能进入正常的产甲烷阶段。1#-4#的单位生物气产量分别为0.18 L/gVs、0.85L/gVs、0.69L/gVs和0.44L/gVs,甲烷含量分别为56%、69%、57%和66%。混合厌氧消化后的剩余物比原消化污泥具有更好的生物降解能力。各负荷氨氮浓度在消化过程中的变化趋势一致,最高含量达1 183.28 mg/L。     

厨余垃圾半连续干式厌氧发酵的影响因素研究

探究了半连续干式厌氧发酵过程中有机负荷（organic loading rate,OLR）、搅拌速率和物料停留时间对甲烷产量的影响;并采用结构方程模型探究调控因素与厌氧体系中间产物和甲烷产量的动态变化。结果表明:提高OLR至5.5 g VS/（L·d）时,产甲烷效果最佳,平均日甲烷产量达到3084.40 mL/（L·d）。提高搅拌速率和物料停留时间可促进甲烷产生,但过低或过高的停留时间会导致NH₄+-N和VFAs积累并抑制厌氧产甲烷过程;综合考虑,搅拌速率为20 r/min,停留时间为1 d最有利于甲烷的生成。结构方程模型结果显示:在厨余垃圾半连续干式厌氧发酵过程中,搅拌速率和物料停留时间对甲烷产量的影响大于OLR,其标准总效应分别为0.435、0.370和-0.04,这主要是由于提高搅拌速率有效缓解了干式厌氧发酵中VFAs对甲烷产量的抑制效应。     

接种不同菌源的餐厨垃圾发酵代谢途径及产己酸效能分析

采用活性污泥、颗粒污泥、酒曲以及酒糟接种餐厨垃圾进行发酵产有机酸,比较了4种菌源在批次发酵条件下的溶出、水解和酸化效率。在此基础上,探究了不同电子供体对碳链增长产己酸的影响。结果表明:利用活性污泥接种餐厨垃圾发酵可产生高光学活性L-乳酸（L-乳酸浓度为22.2 g/L,光学活性为82.3%）;颗粒污泥接种餐厨垃圾发酵可产生浓度为4.2 g COD/L的己酸,具有较强产己酸能力。以酒曲和酒糟作为接种菌源时,丁酸浓度分别为21.6 g COD/L（酒曲）和20.4 g COD/L（酒糟）,丁酸是碳链增长的重要电子受体,利用酒曲和酒糟接种餐厨垃圾发酵具有很强的产己酸潜力;外加电子供体后,酒糟组己酸浓度达到8.8 g COD/L（以乳酸为电子供体）,酒曲组己酸浓度可达到10.4 g COD/L（以乙醇为电子供体）。微生物群落分析发现,优势菌群链球菌属（Streptococcus）分别占酒曲组和酒糟组总菌属丰度的80%以及55%,与高浓度己酸的产生有着较强相关性。     

Kitchen waste valorization through a mild-temperature pretreatment to enhance biogas production and fermentability: Kinetics study in mesophilic and thermophilic regimen

Biowaste valorization through anaerobic digestion is an attractive option to achieve both climate protection goals and renewable energy production. In this paper, a complete set of batch trials was carried out on kitchen waste to investigate the effects of mild thermal pretreatment, temperature regimen and substrate/inoculum ratio. Thermal pretreatment was effective in the solubilisation of macromolecular fractions, particularly carbohydrates. The ability of the theoretical methodologies in estimating hydrogen and methane yields of complex substrates was evaluated by comparing the experimental results with the theoretical values. Despite the single batch configuration, a significant initial hydrogen production was observed, prior to methane yield. Main pretreatment effect was the gain in hydrogen production; the extent was highly variable according to the other parameters values. High hydrogen yields, up to 113 mL H2/g VSfed, were related to the prompt transformation of soluble sugars. Thermophilic regimen resulted, as expected, in faster digestions (up to 78 mL CH₄/gVS/day) and sorted out pH inhibition. The relatively low methane yields (342–398 mL CH₄/g VS_fed) were the result of the consistent lignocellulosic content and low lipid content. Thermal pretreatment proved to be a promising option for the enhancement of hydrogen production in food waste dark fermentation.     

厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性

为探析厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性,在餐厨垃圾厌氧消化反应器中引入负荷扰动以诱导不同的运行状态,理化分析和高通量测序相结合用于研究各个状态下的状态参数响应及微生物群落动态.结果表明,均衡的群落结构保证了反应器的稳定运行,稳定状态下反应器的甲烷产率和挥发性固体（VS）去除率分别高达（0.50±0.01）LCH₄/gVS和（89.58±0.08）%.高负荷下产酸细菌（柔膜菌门、放线菌门）大量增殖,诱导互养脂肪酸降解菌（梭菌纲）的相对丰度剧增,然而与之互营的氢型产甲烷菌的丰度和活性却下降了.产甲烷菌与互养脂肪酸降解菌的失衡导致它们不能有效的互养合作,从而引起挥发性脂肪酸（VFA）积累和过程失稳.积累的VFA和氨使比乙酸产甲烷活性（SAMA）和比产甲烷活性（SMA）分别下降60.12%和72.51%,进一步加剧了过程失稳.扰动停止后,尽管反应器恢复了原有运行条件和性能,但微生物群落达到了新的平衡.