高温条件下初始pH值对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH4的影响

污泥-餐厨垃圾厌氧消化产氢产CH₄可将城市有机废弃物转化为可再生能源H₂、CH₄,对实现碳减排发挥着重要作用。通过批式试验探究高温条件下(55±1℃),不同初始pH值对污泥和餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH₄的影响。研究结果表明:适度地增加产氢余物的碱度会提高产CH₄效能,而过低的初始pH则抑制了产氢余物产CH₄效能。初始pH=8时,CH₄最高浓度(79.08%)、累积产甲烷量(101 mL/g DS)和最大CH₄生产速率(12.21 mL/d)均达到最大。不同初始pH下,总糖和总蛋白质的降解量跟累积产甲烷量呈正相关,其中总蛋白的降解量及降解率均高于总糖。初始pH=8时,总糖和总蛋白质的降解量及降解率最高,分别为6078 mg/L、55.70%和4710 mg/L、69.67%。不同初始pH值下,产氢余物厌氧消化后的pH都趋于7.5左右。     

不同湿热预处理条件对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响

采用湿热水解技术处理餐厨垃圾,研究不同湿热预处理温度与时间下餐厨垃圾w(VS)(VS为挥发性固体)、ρ(CODs_Cr)(CODs为溶解性化学需氧量)、ρ(TOC)、ρ(TN)等指标的变化,以评价湿热预处理对餐厨垃圾厌氧产氢效能的影响. 在此基础上,结合厌氧产氢动力学分析,确定厌氧发酵产氢的最佳湿热预处理条件. 结果表明:湿热预处理温度、时间对餐厨垃圾可浮油脱出量、w(VS)具有显著影响. 餐厨垃圾湿热预处理后ρ(CODs_Cr)、ρ(TOC)、ρ(TN)变化情况与w(VS)呈负相关. 餐厨垃圾经90℃湿热预处理30min后,可浮油脱出量为37.5mL/kg,w(VS)/w(TS)为95.12%,最大比产氢量达242.1mL/g,最大产氢速率为12.46mL/h,累积产氢率达0.88mol/mol,厌氧产氢启动时间为12.85h. 说明对餐厨垃圾进行适度的湿热预处理可有效提高有机物溶解性与生物可利用效率,进而提高厌氧发酵累积产氢量与产氢速率. 综合能耗、产出等因素,湿热预处理温度90℃,处理时长30min,为餐厨垃圾厌氧发酵产氢的最佳湿热预处理条件.      

湿热预处理对餐厨废弃物厌氧产氢发酵类型的影响

通过批试验分析湿热预处理前后餐厨废弃物CODs(溶解性化学需氧量)、CODt(总化学需氧量)、粗蛋白浓度、碳氮比(C/N)等指标及代谢产物的变化,研究湿热预处理对餐厨废弃物厌氧发酵类型和产氢效能的影响。采用Gompertz动力学模型分析经湿热预处理后厌氧发酵系统启动速度、累积产氢量、产氢速率的变化。结果表明,餐厨废弃物经150℃湿热预处理30 min后,可浮油脱出量高达97.5 mL/kg,CODs和C/N变化显著;VFAs(挥发性有机酸)和乙醇浓度分析表明,湿热预处理可使餐厨废弃物厌氧发酵产氢的产酸类型从丙酸型发酵转变为丁酸型发酵。在微生物的作用下,湿热预处理时间为30 min时,经90℃处理后餐厨废弃物中的丁酸等VFAs进一步降解转化为乙酸、CO2和H2,比产氢量最高为242.1 mL/g(以VSS计)。湿热预处理可以改变餐厨废弃物中碳水化合物、蛋白质和脂肪的理化性质,影响其厌氧发酵产氢产酸类型,达到改善餐厨废弃物厌氧发酵产氢效能的目的。     

不同来源底物对厌氧发酵产氢余物产甲烷影响

通过批式试验将不同来源的污泥与餐厨垃圾进行联合厌氧发酵,研究不同产氢程度的污泥-餐厨垃圾在不同污泥接种量下的产甲烷能力,以寻求产氢余物产沼的最佳条件及有机质转化规律。结果表明:污泥-餐厨垃圾产氢余物的产氢程度与体系产甲烷能力呈正相关,即产氢多余物>产氢少余物>不产氢底物;接种量增大后,体系产甲烷效能降低且各体系间的差异逐渐缩小。30%接种量下的产氢多余物体系产甲烷能力最佳,平均产甲烷速率为0.54 mL/（g·d）,在第27天甲烷占比达到峰值87.04%,有最大累积产甲烷量1659 mL;主要原因是该体系挥发酸降解量大（17565 mg COD/L）,占TCOD降解量（35384 mg/L）的50%。     

污泥与不同pH值渗滤液联合厌氧发酵产氢分析

以污泥与垃圾焚烧厂渗滤液为原料,通过小瓶批式试验,考察了垃圾渗滤液的添加量以及渗滤液初始pH对联合厌氧消化产氢的影响。结果表明:未添加污泥的渗滤液本身也可以在厌氧发酵过程中产氢。而污泥与垃圾渗滤液联合厌氧发酵,当渗滤液初始pH为5.20时,添加90%的渗滤液体系产氢量最大,为201.58 mL,最大产氢速率也最高,为9.56 mL/h;当初始渗滤液pH为4.47时,最大产氢量出现在渗滤液添加剂量为60%的样品,为57.73 mL,随后减小,但最大产氢速率在添加40%的渗滤液达到峰值,为5.11 mL/h。     

中温条件下污泥接种量对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷的影响

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷可有效发挥产氢余物的资源化潜力。研究了中温条件下不同污泥接种量对污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物的影响,分析其产气产甲烷能力及反应前后体系糖类、蛋白质、挥发性脂肪酸（TVFA）、pH及氨氮（NH₃-N）的变化情况,以寻求最佳接种量与相应体系指标变化规律。结果表明:中温条件下,过低或过高的接种量下产氢余物产甲烷效果均不佳。30%接种量的体系产甲烷能力最优,甲烷百分比增速最快,并有最大累积产甲烷量171.1 mL/gDS;有机物均得到了明显的消耗,总糖降解了39.01%,总蛋白质降解了28.09%,其中糖类物质降解以可溶糖为主,不溶蛋白质与可溶蛋白质的降解量相当,反应后体系pH升高。     

污泥厌氧发酵产氢的影响因素

污水生物处理过程中产生大量剩余污泥, 通常采用厌氧发酵处理并获取甲烷气体. 产氢产酸是污泥厌氧消化过程中的一个中间阶段. 本研究考察了原污泥和经碱处理的污泥在不同初始pH(3.0～12.5)条件下的产氢效果, 以及污泥性质和污泥浓度等对产氢效果的影响. 结果表明, 当初始pH为11.0时污泥发酵的产氢率达到最大值.采用原污泥发酵产氢时, 在初始pH为11.0的条件下发酵产氢获得的最大产氢率为8.1 mL/g, 而经碱处理的污泥在同样初始pH的条件下发酵产氢可将其产氢率提高一倍左右, 达到16.9 mL/g. 污泥经碱处理后厌氧发酵4d无甲烷产生, 且可有效地降低氢气消耗的速率. 另外, 污泥的VSS/SS值过低时会大大降低污泥的产氢率, 而污泥浓度对产氢率无明显影响.     

蒸汽爆破对污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化的促进效果

鉴于蒸汽爆破（简称"汽爆"）预处理对污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化的影响还鲜有报道,为探讨汽爆预处理对污泥和餐厨垃圾联合中温厌氧消化的促进效果及经济可行性,利用小型发酵罐在35℃下开展了未预处理污泥和餐厨垃圾联合消化、汽爆污泥单独消化、汽爆污泥和餐厨垃圾联合消化的试验,并进行能耗分析.结果表明,未预处理污泥与餐厨垃圾联合消化阶段,VS（挥发性固体）去除率为33.9%,沼气产率为311.0 mL/g（以投料VS计）;汽爆污泥单独消化阶段,VS去除率和沼气产率均略高于未预处理污泥与餐厨垃圾联合消化阶段,但反应器ρ（NH₄+-N）过高,影响产气稳定性,沼气φ（CH₄）较低.汽爆污泥与餐厨垃圾联合消化阶段,VS去除率和沼气产率分别达到49.5%和420.5 mL/g,显著优于未预处理联合消化阶段.能耗分析表明,预处理的升温过程使汽爆预处理整体能耗偏高,但若能有效回收70%的热量,则汽爆预处理可提高污泥-餐厨垃圾联合中温厌氧消化工艺3.34 kW·h/t（以污泥量计）的能量产率.研究显示,汽爆预处理可提高污泥和餐厨垃圾联合中温厌氧消化工艺35.2%的沼气产率,但由于预处理能耗较高,预处理过程中热能的有效回收是汽爆预处理应用于污泥和餐厨垃圾联合中温厌氧消化经济可行的关键.      

餐厨垃圾暗-光耦联发酵制氢研究

文章以餐厨垃圾为底物进行暗-光耦联发酵两步法制氢研究.探讨物料比、起始pH对暗发酵产氢的影响;温度、起始pH对光合发酵产氢的影响,得到如下结论.在暗发酵阶段,以餐厨垃圾为底物,在合适条件下产氢量可达25.18 mL/gVS.在光合发酵阶段,以暗发酵液为底物,在合适条件下产氢量可达34.62 mL/gVS.以餐厨垃圾为底物,两步联合制氢可达59.80 mL/gVS,为仅暗发酵产氢量的2.37倍.     

餐厨垃圾与污泥、秸秆不同配比联合厌氧发酵对产气性能的影响

为分析不同配比的餐厨垃圾与污泥、秸秆联合发酵对产气性能的影响,采用产甲烷潜力试验（BMP）研究了餐厨垃圾与污泥、秸秆不同配比联合发酵的产气性能,并采用修正的Gompertz模型对产甲烷潜力进行模拟.结果表明:物料配比与物料种类对联合发酵的产气性能有显著影响,餐厨垃圾+污泥配比为1:2时,产气性能优于1:1、2:1两组,产气量为286 mL/g[以VS（挥发性固体）计,下同];餐厨垃圾+秸秆配比为1:1时,产气性能优于1:2、2:1两组,产气量为347 mL/g;餐厨垃圾+污泥+秸秆配比为1:1:1时,产气性能优于1:2:1、2:1:1两组,产气量为373 mL/g.两种物料配比中,餐厨垃圾+秸秆的产气性能优于餐厨垃圾+污泥;餐厨垃圾+污泥+秸秆3种物料混合后物料种类变丰富,元素配比更均衡,联合发酵的产气性能优于两种物料联合发酵,其最优配比为1:1:1,C/N值为13,接近最优C/N值（15~20）.研究显示,不同配比物料产气性能差异性较大,可为大中型沼气工程在获得不同物料的情况下选择最优的进料配比提供理论指导,以解决其在设计与投资收益评估方面所面临的物料选择问题.      

厨余垃圾与污泥厌氧发酵产甲烷的协同作用

以剩余污泥和厨余垃圾混合进行共发酵,评估其厌氧发酵协同效果,基于挥发性固体悬浮物(VSS)设置剩余污泥和厨余垃圾比例为1∶0,4∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶4,0∶1的生化甲烷潜势(BMP)实验,通过厌氧发酵前后pH值、COD、总氮、氨氮、硝酸盐氮等参数的变化,甲烷产量,碳的迁移、转化和微生物群落结构变化评价协同...     

KOH和NH3·H2O联合固态预处理对青稞秸秆厌氧发酵特性的影响

为提高青稞秸秆的综合利用率,选用KOH和NH₃·H₂O作为青稞秸秆固态预处理试剂进行中温批式厌氧发酵产甲烷试验研究,并通过Box-Behnken响应面法来考察不同含量的KOH、NH₃·H₂O及预处理时间对青稞秸秆累积甲烷产量的交互影响. 结果表明:各因素对青稞秸秆累积甲烷产量的影响程度表现为NH₃·H₂O含量>KOH含量>预处理时间;通过响应面模型验证试验得到最优预处理条件为KOH含量5.13%、NH₃·H₂O含量3.35%、预处理时间13.87 h,该条件下累积甲烷产量实测值为282.34 mL/g(以VS计),与预测值(286.4 mL/g)非常接近,相对误差小于5%,证明验证模型有效. KOH和NH₃·H₂O联合预处理能够显著提高青稞秸秆厌氧发酵产甲烷能力(P<0.05),累积甲烷产量较7% KOH和5% NH₃·H₂O单一预处理及未处理分别提高了7.59%、20.82%和70.78%;二者联合预处理还能够有效降解木质素(降解率为29.21%),提高发酵液营养价值;同时,可减少回收预处理试剂的成本,降低对环境的污染. 研究显示,Box-Behnken响应面法能较好地优化青稞秸秆厌氧发酵的预处理条件,KOH和NH₃·H₂O联合预处理是高效生产生物甲烷和环境友好的木质纤维素类废弃物的处理方法.      

外加铁对城市污泥厌氧消化产甲烷的作用

为提高城市污泥厌氧消化产甲烷效率,除适量添加餐厨垃圾以提高有机质外,还在污泥中加入了机械加工企业产生的废铁屑,中温（39±1） ℃下厌氧消化30 d,同时与加入等量纯铁粉对比,考察废铁屑和纯铁粉的产甲烷效率。结果表明:废铁屑组和纯铁粉组的累积产甲烷量分别达到340.33,336.52 mL/g,分别比不外加任何铁元素的空白组提高了54%、52%;上述两组在厌氧消化第10天产生的挥发性有机酸达到最大,分别为11051,10800 mg/L,比空白组高出16%、12%。消化第1天,废铁屑组和纯铁粉组的H₂组分比空白组提高了24%、12%;到第25天时,两组的CH₄组分分别比空白组提高了35%、30%。表明废铁屑中多孔的FeOOH导致微生物絮体松散,使得废铁屑厌氧消化的产甲烷效果优于铁粉。     

活性污泥及其与秸秆共基质的厌氧消化特性

为分析秸秆对污泥厌氧消化特性的影响,在中温[（35±1）℃]条件下,研究了活性污泥单基质及其与秸秆共基质在SRT（固体停留时间）分别为10和15 d,以及C/N（质量比）分别为5.5:1、10.0:1的情况下,厌氧消化产沼气量及其组分、ρ（NH₄+-N）、ρ（TP）、ρ（COD_Cr）及ρ（VFA）[以ρ（乙酸）计,其中VFA为挥发性短链脂肪酸]的变化特性.结果表明:活性污泥-秸秆共基质厌氧消化在SRT为10、15 d时,累积沼气产量为5 818.0、9 026.0 mL,比活性污泥单基质的沼气产量（4 930.0、7 760.0 mL）分别提高了15.3%、14.0%;共基质所产沼气中φ（CH₄）最高为69.3%,比活性污泥单基质高出15.4%.此外,在SRT为10和15 d时,活性污泥-秸秆共基质厌氧消化COD_Cr去除率分别为25.0%和28.0%,优于单基质的10.2%和13.1%;共基质平均ρ（NH₄+-N）分别为278.5和254.9 mg/L,单基质平均ρ（NH₄+-N）分别为215.6和213.5 mg/L;活性污泥-秸秆共基质平均ρ（TP）分别为168.6和175.9 mg/L,高于活性污泥单基质的129.2和152.2 mg/L.共基质有利于厌氧消化液中有机物的提高,从而增加ρ（VFA）、提高甲烷产量.研究显示,共基质可优化厌氧消化底物的C/N,促进厌氧消化反应,提高产气量.      

含厨余垃圾的混合污水污泥热解性能及逸出气体分析

为解决厨余垃圾进入市政管网导致的污泥处理问题,利用厨余垃圾制备初沉污泥(PS),与污水处理的残余污泥(RS)混合制备了不同厨余垃圾比例的混合污水污泥(MSS)。采用TG-FTIR评估了含厨余垃圾的混合污水污泥的热解性能及逸出气体特性。质量损失可分为3个阶段:初步脱水阶段、主要分解阶段及连续轻微分解阶段。PS含量的增加导致反应速率提高和热解特性参数CPI增加,反应时间缩短,从而提高了污水污泥的热解性能。不同温度下PS和RS之间的相互作用存在差异,低温区(<300℃)基本不存在相互作用,中温区(300~550℃)为相互促进,高温区(550~850℃)为相互抑制。FTIR主要检测出CH₄、CO₂、H₂O、CO、CO、SO₂ 6种气态产物及官能团,表明CO₂是主要的气态产物,且随着PS含量的增加,逸出气体及官能团的产生均增加。相互作用不仅体现在质量损失过程中,也体现在产物演化过程中,PS50RS50呈现最明显的相互促进效果,可认为是最适合的比例。随着温度增加,产物普遍在500~600℃内达到最大值,可认为是最佳的热解温度。     

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。     

餐厨垃圾两相厌氧消化特性试验研究

研究了餐厨垃圾两相厌氧消化特性。以北京化工大学餐厨垃圾为原料,分别以不同有机负荷(10、30、50和70 gVS/L)、接种量(5、10、15和20 gVS/L)、酸化时间(3、5、7和9 d)考察其对酸化效果的影响,并对酸化出料进行甲烷化产气实验。结果表明,餐厨垃圾最优酸化条件为有机负荷30 gVS/L,酸化时间5 d,接种量15 gVS/L。在此条件下,单位负荷产酸率为561.0 mg乙酸/gVS,酸化末端产物主要为乙酸和丁酸,单位负荷累积产气量达到826.7 mL/gVS,比乙醇型最佳条件单位负荷累积产气量763.8 mL/gVS高8.2%,比丁酸型最低单位负荷累积产气量70.6 mL/gVS高1 070.3%。有机负荷、酸化时间、接种量依次对餐厨垃圾酸化有重要的影响,并且餐厨垃圾酸化效果和产气性能具有一致性。研究结果可为城市生活垃圾厌氧消化提供设计和运行依据。