餐厨垃圾和秸秆混合连续高温甲烷发酵研究

以餐厨垃圾和玉米秸秆(按TS1:1混合)为原料,开展了200d的连续高温发酵和40d批次产甲烷潜能与动力学实验,进料TS浓度8%,以水力停留时间15,10,8,5d的梯度变化逐级增加容积负荷.连续实验发现,在水利停留时间为5d时达到了系统酸化的极限负荷16gVS/(L·d),通过及时停止进料和投碱控制pH值,一周内有机酸浓度由4.73g/L降低到1.02g/L.当OLR为10gVS/(L·d)时,TS去除率和甲烷转化率分别为55.6%和64.5%.批次实验发现,餐厨垃圾、秸秆和混合原料的产甲烷潜能分别为448,221,268mLCH_4/gVS,最大产甲烷速率常数(K)为63,45,41mLCH_4/(g VS·d).通过连续和批次实验分别获得了混合原料高温甲烷发酵的工艺参数和动力学特征,为餐厨垃圾和秸秆能源化利用提供了一个有效途径.     

用生活污水在常温下培养厌氧颗粒污泥的研究

用COD为300mg/L左右的生活污水在常温下(>17·C)启动5L升流式厌氧污泥床(UASB)反应器.接种消化污泥5.6keSS/m3,初始有机容积负荷为0.6kgCOD/(m3·d),水力停留时间为8h.稳定后逐步增加有机容积负荷.一个月后即有颗粒污泥出现,50d后反应器达到稳定的处理效果.运行145d后,污泥中大于0.5mm的颗粒污泥占总重量的73.5％,最大粒径可达3mm,比重为1.07SVI在20左右,污泥中产甲烷菌主要是索氏甲烷丝菌.用颗粒化后的反应器处理生活污水时,水力停留时间可短至6～4h,当水温不低于17℃时,出水COD均低于100mg/L,可达到排放要求。      

微压流化式复合生物反应器处理含酚废水效能的研究

通过连续动态试验,对新型微压流化式复合生物反应器(MP-FHBR)处理模拟苯酚废水的效能进行研究.结果表明,MP-FHBR的COD容积负荷可达4.86kg/(m3·d)、苯酚容积负荷可达1.96kg/(m3·d),出水COD低于200mg/L、出水苯酚浓度低于1mg/L,COD和苯酚去除率分别达到90%和99%以上.当苯酚容积负荷达到2.04kg/(m3·d),苯酚在反应器中逐渐累积,反应器内微生物的TTC-比脱氢酶活性下降.当MP-FHBR进水苯酚浓度为800mg/L时,最佳水力停留时间为9～10h.水力负荷对反应器沉淀池的泥水分离效果影响较大,限制了反应器的进水量,所以MP-FHBR主要适用于处理较高浓度的含酚废水.     

固定化甲烷八叠球菌及处理高浓度有机废水研究

为了克服PVA包埋固定化甲烷八叠球菌存在的缺点 ,采用吸附和包埋结合法对甲烷八叠球菌进行了固定化 ,并用UASB反应器以高浓度人工废水和豆制品废水为底物对固定化甲烷八叠球菌特性进行研究 .用人工废水运转的结果表明 ,最高容积负荷为 14 7kg(COD) (m3·d) ,最高COD去除率为 94 3 % ,最低水力停留时间 (HRT)为 16 4h ,甲烷含量为 65 %～73 % .用豆制品废水运转的结果表明 ,最高COD负荷 17 6kg (m3·d) ,平均容积负荷 8 2kg(COD) (m3·d) ,最低为 13 7h ,最高产气率 7L (d·L) ,平均产气率固定化为非固定化的 15 2倍 ,最高COD去除率达到了 87% .     

HRT对餐厨垃圾与秸秆混合高温厌氧发酵的影响

以餐厨垃圾和秸秆(按TS比1:1混合)为原料,水力停留时间(HRT)逐级递减至5,3,1.5,1,0.5d,对应有机负荷(OLR)依次为8.0,6.66,3.33,5.0,5.0g VS/(L?d),开展了55d的连续高温发酵试验,并对微生物组成进行分析.实验发现,当HRT由5d缩短到1d的过程中,反应器运行稳定,OLR,挥发性固体(VS)去除率,产气率和容积产气率均维持在较高水平.当HRT降至0.5d时,pH值稳定在7.0左右,并未出现VFA累积,但反应器几乎停止产气,VS去除率仅为5.77%,微生物发生冲刷流失.高通量测试结果表明,当HRT为0.5d时,体系内嗜氢产甲烷菌的比例增加,嗜乙酸产甲烷菌降至0.6%,而Clostridiales等能够与产甲烷菌共生的水解酸化细菌的比例增加了近1倍,推测乙酸氧化菌与嗜氢产甲烷菌共生是乙酸产甲烷的主要途径.     

浸没式厌氧膜生物反应器处理垃圾渗滤液的连续运行性能

厌氧消化是垃圾渗滤液处理的重要技术,常规厌氧工艺在处理过程中存在微生物易流失和出水水质较差等问题。采用厌氧膜生物反应器在中温条件下处理垃圾渗滤液,考察了废水降解性能和膜过滤性能。连续100 d的反应器运行实验表明:在水力停留时间为10 d,COD容积负荷平均为5.63 kg/(m3·d)的条件下,系统运行稳定,平均COD去除率达到92%,膜出水总挥发性脂肪酸浓度低于200 mg/L,pH稳定在7.95左右。在膜通量为6 L/(m2·h)下,连续62 d内的膜压增长缓慢,未出现明显的膜污染。批次产甲烷试验结果表明:渗滤液产甲烷潜能达到305 mL/g TS,与连续运行实验296 mL/g TS的产气效果接近,沼气中甲烷浓度可高达70%~80%。产气达到90%和95%的潜能分别用时2.5,3.1 d,说明反应器有进一步缩短水力停留时间的可能性。反应器驯化的厌氧活性污泥对乙酸有较好的耐受性,在乙酸浓度为10000 mg/L时,产气迟滞期仅为1.4 d。综合来看,长期运行厌氧膜生物反应器处理垃圾渗滤液具有较好的COD去除效果、运行稳定性和膜过滤性。     

水力负荷对矿化垃圾反应器处理渗滤液效果的影响

构建3个微曝气(0.1 L/min)矿化垃圾反应器进行渗滤液处理,研究较长时期内不同水力负荷对矿化垃圾处理渗滤液效果的影响。结果表明:随着水力负荷的增加,反应器对渗滤液中有机污染物和氮污染物的降解能力降低。在试验运行稳定阶段,水力负荷为28,42,56 L/(m3·d)时,COD平均去除率分别为88%、66%、56%;NH+4-N平均去除率分别为94%、90%、71%;TN平均去除率分别为52%、50%、45%。当水力负荷42 L/(m3·d)时出现NO-2-N累积现象,且水力负荷越大NO-2-N累积越严重。建议微曝气矿化垃圾反应器处理渗滤液过程中水力负荷不宜大于42 L/(m3·d)。     

La~(3+)对产氢产甲烷厌氧反应器作用的研究

通过3个阶段的实验,第一阶段采用IC厌氧反应器做为产氢反应器的启动过程中,确定了葡萄糖进水COD为2 000 mg/L时,最佳水力停留时间为6 h。COD去除率达到34%,氢气产量达到8 L/d。第二阶段产氢产甲烷反应器的启动,产氢反应器COD去除率为31%～34%,氢气产量7.5～8 L/d,产甲烷反应器的COD去除率为83%～86%。最大比产甲烷活性493～504 m L/(g·d)。实现了同时产氢和产甲烷,达到了能源的最大产出,提高了废水处理效果,具有重要的现实意义。第三阶段稀土元素对产氢产甲烷反应器的促进作用表现在对产甲烷菌的促进,当La3+浓度为0.3 mg/L时,此时产甲烷反应器COD去除率达到最大值92%,比产甲烷活性达到520 m L/(g·d);对产氢反应器的作用不大。稀土元素进一步提高了废水处理效果和产甲烷量,将其用在废水处理中是可行并且有效的。     

生物膜-活性污泥复合工艺处理养猪废水的中试启动及运行

采用生物膜-活性污泥复合工艺处理养猪废水,研究了该工艺的启动过程,分析比较了不同水力停留时间对污染物的去除情况。研究表明:随着水力停留时间的减少,各污染物的去除效果都有一定程度的降低,而氨氮容积去除负荷从(0.086±0.008)kg/(m3·d)增加到(0.170±0.038)kg/(m3·d),最高可达0.22 kg/(m3·d)。本工艺的最佳进水容积负荷为0.07⁰.12 kg/(m3·d),此时NH+4-N和COD的去除率分别为(94.18±2.78)%和(73.83±9.13)%。稳定运行期间出水NH+4-N和COD基本都能满足GB 18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》的要求。     

两阶段ASBR处理厨房垃圾的实验研究

应用两阶段ASBR技术对厨房垃圾进行实验室规模的处理研究。结果表明:总COD的去除率为77 6%,而总TS的去除率为72 21%,系统的产CH4率以TS和容积负荷计分别为212mL g和0 67L (L·d)。同时,研究发现适宜的pH值水解相为4～5,甲烷相为7～8;适宜的HRT水解相为5d,甲烷相为13 3d;适宜的固体浓度水解相TS为8%,甲烷相TS为7%;适宜的负荷(以TS计)水解相为16g (L·d),甲烷相为5 23g (L·d)。      

污泥停留时间对餐厨垃圾与剩余污泥中温厌氧混合发酵系统的影响

采用连续搅拌釜式反应器(CSTR)成功启动了餐厨垃圾与剩余污泥混合发酵平行系统,重点探究了不同污泥停留时间(SRT)缩减幅度对于餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的影响.结果表明,较大幅度地缩减SRT( 8. 3 d)提升反应器运行负荷,不利于反应器的稳定运行;随着反应器运行负荷的增加,SRT缩减幅度应逐渐降低(5～0. 9 d),能够取得餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的高负荷稳定运行.经过282 d的运行,CSTR混合发酵系统能够在SRT为9. 1 d,进料负荷(以COD计)为(12. 9±1. 5) g·(L·d)~(-1)的条件下稳定运行,相应的甲烷产量为3. 94～4. 25 L·(L·d)~(-1),甲烷产率(以COD计)为288～302 m L·g-1,p H和挥发性脂肪酸(VFA,以COD计)分别稳定在7. 80～7. 83和0. 32～0. 39 g·L-1.此外,还探究了高负荷条件下餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵污泥特性,结果表明,餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统甲烷转化途径以乙酸转化途径为主,具有较高的乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的产甲烷活性和辅酶F420的质量摩尔浓度.     

OLR对ABR沿程格室甲烷发酵特征的影响

为高效处理玉米淀粉生产废水,启动并持续运行了一个四格室厌氧折流板反应器（ABR）,通过分阶段提升进水COD的方法,探讨了有机负荷率（OLR）对ABR运行效能的影响,并采用间歇培养方式考察了OLR对沿程格室中不同营养类型产甲烷菌群活性的影响.结果表明,在OLR分阶段从2.7提高到8.0 kg·m^-3·d^-1的过程中,ABR前两个格室（C1和C2）始终呈现出典型的产酸发酵特征,其污泥的有机挥发酸（VFAs）比产率为0.54~0.76 kg·kg^-1·d^-1（以每天每千克MLVSS产出的1千克有机挥发酸计,下同）,而后两个格室（C3和C4）则表现出典型的产甲烷特征,其污泥的比产甲烷速率达98 L·kg^-1·d^-1（以每天每千克MLVSS产出的1升甲烷计,下同）以上.活性污泥产甲烷活性测试结果表明,当OLR为2.7~8.0 kg·m^-3·d^-1时,C3中的氢营养型产甲烷菌群保持了较高的产甲烷活性,其最大甲烷产量（P_max）和最大比产甲烷速率分别达到了20.4 mL和16.5 mL·g^-1·h^-1（以每小时每克MLVSS产出的1毫升甲烷计,下同）以上.乙酸营养型产甲烷菌群的累计甲烷产量由大到小依次为：C3 > C4 > C1 > C2.经过144 h的培养后,C3中乙酸营养型产甲烷菌群的累计甲烷产量为15.1~15.2 mL,最大比产甲烷速率为10.0~10.8 mL·g^-1·h^-1.     

醋糟高效厌氧消化体系构建

运用高固态厌氧消化模式,通过提高反应体系均质程度和沼液回流等手段,逐步提升物料负荷,对未经预处理的醋糟进行厌氧消化处理,成功构建了醋糟高效厌氧消化体系.结果表明,在反应体系物料负荷达到6.15 g·(L·d)~(-1)时表现出最佳的厌氧消化性能,单位干物料产沼气量为396 m L·g~(-1),单位干物料产甲烷量为211 m L·g~(-1).该物料负荷下半纤维素降解率达到63.66%,是醋糟厌氧消化性能提高的主要原因.纤维素、木质素的降解率分别为21.46%、24.43%,较低的降解效率主要是由于木质素中的苯环结构难以降解,并阻碍纤维素酶的水解作用,对纤维素降解产生屏蔽效应.     

水热/臭氧预处理促进餐厨垃圾中典型废弃油脂厌氧发酵产甲烷

为了缓解餐厨垃圾中大量未降解油脂包覆微生物,对厌氧发酵产生严重抑制的问题,本文采用水热或臭氧预处理有效降解油脂,预处理进行厌氧发酵.扫描电子显微镜和傅里叶变换-红外光谱分析表明,经过水热或臭氧预处理后,厌氧发酵过程油脂降解程度提高.经过臭氧预处理的火锅废油厌氧发酵甲烷产率提升至（854.20±10.28） mL·g^-1（每克有机质干重所产生的甲烷量,以毫升计,下同）,在第20 d达到产甲烷速率峰值（122.06±3.46） mL·g^-1·d^-1,较之未处理组达到甲烷峰值速率的时间缩短4 d,甲烷产率提升17.4%.总体能量转化效率由未经预处理的64.88%提升到臭氧预处理后的76.18%,说明臭氧或水热预处理可以促进油脂的降解,并且提高产甲烷菌对底物的利用从而提高发酵产甲烷的效率,从而在一定程度上缓解目前工业生产中存在的油脂难以降解以及包裹厌氧微生物的问题.     

零价铁对厌氧消化过程中氨氮抑制解除的影响

氨氮抑制是影响高含固有机固体废弃物厌氧消化产甲烷效率的重要因素.本研究通过实验室批量实验,考察了微米级零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化的影响以及对高氨氮抑制解除的影响.结果表明,投加4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化过程中的产甲烷速率、迟滞时间和产甲烷潜势等动力学特征均未有影响.但是,在高氨氮抑制的厌氧消化过程中, 4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)的零价铁投加可使厌氧消化受氨氮抑制的产甲烷迟滞时间由对照组的18.61 d分别缩短为17.22 d和16.18 d,最大产甲烷速率(以VS计)由对照组的6.34 mL·(d·g)~(-1)提升为7.84 mL·(d·g)~(-1)和7.39 mL·(d·g)~(-1).零价铁并未通过化学反应对厌氧消化的pH缓冲体系产生直接影响,而是使氨氮抑制后的产甲烷优势古菌Methanosarcina的相对丰度(27 d)由对照组的30.71%提升到53.50%和60.30%.本研究证明了零价铁并不能提升污泥产甲烷潜势,而只是在受抑制影响的厌氧消化过程中,刺激产甲烷微生物的代谢活性,强化如氨氮抑制影响的快速解除.     

连续流好氧颗粒污泥系统处理低COD/N实际生活污水的工艺优化

在连续流合建式反应器中接种成熟好氧颗粒污泥处理低碳氮比(COD/N)的实际生活污水,研究了曝气量和水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)对连续流好氧颗粒污泥系统脱氮除磷和颗粒污泥稳定性的影响.结果表明,当曝气量为300 m L·min-1(表观气速为1.2 cm·s-1)、HRT为7.5 h时,反应器对化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、总氮(total nitrogen,TN)和总磷(total phosphorus,TP)去除率达到最高,分别为76.34%、51.23%和53.70%.整个系统在此条件下能够稳定运行,污泥浓度(mixed liquor suspended solids,MLSS)为2 000 mg·L-1左右,污泥体积指数(sludge volume index,SVI)保持在50 m L·g-1以下,好氧颗粒污泥形态完整,沉降性能良好.低COD/N的实际生活污水促进了好氧颗粒污泥胞外多聚物(extracellular polymeric substance,EPS)的增长,蛋白质(protein,PN)和多聚糖(polysaccharide,PS)的比值高达17.9,相对于PS,PN对颗粒污泥的稳定性有更大的促进作用.     

阶梯曝气对城市污水好氧颗粒污泥系统的影响

为实现低C/N城市污水的同步脱氮除磷,采用SBR反应器以厌氧/好氧(A/O)为运行方式,在保持总曝气量900 L不变的条件下调整曝气策略[将均匀曝气2. 81 L·(h·L)-1改为先高强度4. 22 L·(h·L)-1后低强度1. 88 L·(h·L)-1的"高/低曝气"和先低强度1. 88 L·(h·L)-1后高强度4. 22 L·(h·L)-1的"低/高曝气"].试验考察了不同曝气策略下系统的脱氮除磷性能及污泥特性.结果表明,高/低曝气下系统的脱氮除磷效果最佳,出水NH_4+-N、NO_2--N、NO_3--N和TP浓度分别为0、0. 15、8. 12和0. 04 mg·L~(-1),总氮(TN)和总磷(TP)去除率分别为78. 33%和99. 19%,同步硝化内源反硝化(SNED)作用明显,SNED率为77. 08%.且相比于均匀曝气,系统硝化速率及反硝化速率均增加,反硝化速率(以N/VSS计)达到整个运行过程中的最大值,为14. 33 mg·(g·h)-1,同时颗粒污泥密实度、沉降性能及稳定性提高,污泥容积指数(SVI)为23. 49 m L·g~(-1).调整曝气策略为低/高曝气后,系统脱氮除磷性能变差,TN和TP去除率均降至最低,分别为51. 26%和58. 32%,但此时系统硝化性能最佳,氨氧化速率和硝酸盐生成速率均达到整个运行过程中的最大值,分别为14. 92 mg·(g·h)-1和7. 50 mg·(g·h)-1,同时颗粒污泥中丝状菌大量繁殖、结构松散、沉降性及稳定性均变差,SVI升至40. 76 m L·g~(-1).故采取高/低阶梯曝气策略有利于AGS系统高效脱氮除磷及提高稳定性.     

纳米零价铁强化微生物电催化-厌氧膜生物组合反应器抗膜污染能力及其调控机制

膜污染是厌氧膜生物反应器（anaerobic membrane bioreactor,AnMBR）产业化应用面临的最大挑战.本研究构建新型微生物电催化（bio-electrochemical systems,BES）-AnMBR组合反应器,以探究纳米零价铁（nano-zero-valent iron,nZVI）投加对BES-AnMBR组合系统膜污染削减和甲烷产生等性能的影响.结果表明,BES-AnMBR组合系统运行稳定,COD去除率一直维持在95%左右.nZVI投加量（以VS计）为0.1 g ·g^-1时,运行性能最佳,跨膜压差（transmembrane pressure,TMP）较对照组降低28.1%,膜通量亦有轻微增加;甲烷产量为81.3 mL ·g^-1（以COD_removed计）,较对照组提高了12.1%.胞外聚合物（extracellular polymeric substance,EPS）变化和膜阻过滤分析表明,nZVI可以加强EPS分解,促进膜表面无机和有机富铁结垢层形成,改善膜污染分布特征,从而显著缓解膜污染.本研究将丰富传统AnMBR的基础理论,为污泥处理与资源化利用提供了新视角.     

可见光驱动微生物光电化学池处理剩余污泥同步产氢

氢气是一种理想的清洁能源.太阳能驱动的微生物光电化学池(Microbial photoelectrochemical cell, MPEC)因可同时实现废物处理与自发产氢而受到人们的关注.本文以剩余污泥为底物,构建了一种由无定型硫化钼改性硅纳米线(MoS_3/SiNWs)光阴极和生物阳极组成的MPEC系统,研究了3组MPEC在不同的酸性阴极液pH和外加电压条件下的产氢及污泥减量效果.研究结果表明,MPEC在阴极液pH为1和3的条件下均能在无外加电压下自发产氢;pH=1的MPEC-1实验中平均产氢速率为(0.66±0.02) mL·h~(-1),约是pH=3的MPEC-2实验平均产氢速率的1.5倍,但阴极过酸的条件限制了其实际应用; pH为3、外加0.2 V电压的MPEC-3与MPEC-2相比,产氢周期由15 h增加到40 h,平均产氢速率由(0.44±0.05) mL·h~(-1)提高到(0.52±0.04) mL·h~(-1),污泥TCOD、SCOD、TSS、VSS的降解率分别可达53.96%、70.18%、38.21%和61.76%.可见本文构建的MPEC系统是一种有前景的利用太阳能进行废物处理和资源化的新技术.     

亚热带河口陆基养殖塘底泥甲烷产生动力学研究

河口区陆基围垦养殖塘是重要的温室气体排放源,但其底泥甲烷产生动力学特征目前尚未厘清.本研究对我国东南沿海亚热带闽江河口、木兰溪河口和九龙江河口的6个南美白对虾（Penaeus vannamei）养殖塘底泥进行了为期60 d的室内厌氧培养,并对甲烷累积产量曲线利用一阶动力学模型及改进的岡珀茨模型进行拟合和分析.结果表明,所有河口陆基养殖塘底泥产甲烷过程是一个动态变化过程,可分为延滞、产生和稳定3个阶段.延滞期发生在培养初期1~4 d,产生期主要集中在4~25 d,在培养25 d后,所有养殖塘底泥的甲烷累积产量曲线趋于平衡.盐度和孔隙水DOC浓度均能够影响养殖塘底泥甲烷产生动力学拟合参数.随着养殖塘底泥盐度的增加,甲烷最大产生潜力由5961 ng·g^-1减少至559 ng·g^-1,甲烷最大产生速率由674 ng·g^-1·d^-1减少至84 ng·g^-1·d^-1.研究表明,一阶动力学模型更适合低盐养殖塘底泥甲烷产生动力学过程的拟合,而改进的岡珀茨模型更适合高盐养殖塘底泥甲烷产生动力学过程的拟合.选择近海养殖塘进行南美白对虾养殖及在甲烷产生期来临之前清除底泥可极大程度地减少养殖塘底泥温室气体CH₄的产生潜力.