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。     

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。     

卧式厌氧消化反应器处理高含固污泥的特性研究

采用容积为200L的卧式厌氧消化反应器(以下简称卧式反应器),对高含固污泥(总固体(TS)≥10%(质量分数))的厌氧消化特性进行研究。通过序批运行、低负荷半连续运行、提负荷半连续运行逐步提高污泥TS从10.09%至12.58%,并对污泥颗粒的运动轨迹进行了计算机流体力学(CFD)模拟。结果表明,序批运行阶段污泥水解酸化特征显著;在低负荷半连续运行阶段,沼气产率平稳上升,在提负荷半连续运行阶段,沼气产率稳定在(0.359 2±0.011 0)m~3/(m~3·d),挥发性固体(VS)降解率稳定在22.05%±0.52%,高含固污泥在卧式反应器中厌氧消化产气性和稳定性良好。CFD模拟结果显示,污泥颗粒在卧式反应器中得到充分混合,卧式反应器运行稳定后,污泥厌氧消化剩余能量可达2.42MJ/(m~3·d),经济效益明显,具备良好的应用前景。     

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。     

推流式反应器厌氧消化浮萍和猪粪混合物

使用带隔板的推流式反应器(体积约为4 m3),对浮萍与猪粪(干重比1:1,湿重比7:1)的混合物、猪粪进行为期50 d的中温厌氧消化产气性能比较研究,结果表明,在有机负荷为3.5 g(VS)/(L·d)时,浮萍与猪粪(干重比1:1,湿重比7:1)混合物的VS产气率为0.31 L/g,COD转化率为63.2％,反应器容积产气率为1.00 m3/(m3·d)；猪粪的VS产气率为0.28 L/g,COD转化率为57.1％,反应器容积产气率为0.71m3/(m3·d).进料COD和SS的平均浓度分别为19.19 g/L和14.28 g/L,推流式反应器对其平均去除率分别为59.7％和68.7％.由此说明,带隔板的推流式厌氧反应器对浮萍和猪粪的混合物有较好的厌氧消化能力,浮萍与猪粪混合物的厌氧消化性能优于猪粪.     

城市生物质废物中温单级厌氧消化中试研究

建立了城市生物质废物中温单级厌氧消化中试反应器,对城市生物质废物厌氧消化过程系统稳定性、产甲烷性能及有机物的去除效果进行解析.反应器稳定运行410 d,共经历2.4、3.6、4.8、6.0 kg VS/(m3·d)4个负荷,反应器pH稳定在7.2 ～7.6之间,有机酸浓度＜500 mg/L.在负荷6.0 kg VS/(m3·d)时反应器平均容积产气率4.25m3/(m3·d),有机物去除率为63.2％;另外,实验结果表明,厌氧消化过程对蛋白质、脂肪、纤维素及多糖类物质的去除效果有明显差异,其中脂肪类物质去除率为98.2％,产沼气贡献率为38.8％.实现了针对我国城市生物质废物的高负荷高效厌氧消化,为我国城市生物质废物厌氧消化规模化处理提供了基础数据.     

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。     

进料浓度对鸡粪连续中温厌氧消化的影响

针对高固体鸡粪厌氧消化运行困难问题,利用完全混合式厌氧反应器(CSTR),通过逐级提高进料总固体浓度(TS)的方法,研究不同进料TS((5.20±0.56)%、(7.24±0.36)%、(9.30±0.26)%和(6.22±0.26)%)的鸡粪连续中温厌氧消化效果。实验结果表明,进料TS由(5.20±0.56)%提高为(9.30±0.26)%,挥发性固体(VS)产气率由(0.64±0.05) L·g~(-1)下降为0.07 L·g~(-1),有机物去除率明显减少,挥发性脂肪酸(VFAs)由(0.53±0.02) g·L~(-1)累积至(1.62±0.02) g·L~(-1),总氨氮浓度(TAN)和游离氨浓度(FA)分别由(1.06±0.11) g·L~(-1)和(0.07±0.02) g·L~(-1)累积至3.40 g·L~(-1)和0.68 g·L~(-1),消化过程受到氨抑制。采用Boltzmann模型对不同氨氮浓度下VS产甲烷率和VS去除率进行模拟,拟合结果表明,TAN升高所引发的FA持续累积导致高固体鸡粪厌氧消化氨抑制逐步形成,与VS产甲烷率相比,VS去除率对氨氮的抑制响应具有滞后性。降低进料TS至(6.22±0.26)%,氨抑制得到有效缓解,但反应器处于"抑制稳定状态"。因此,为保证反应器长期高效平稳运行,建议鸡粪连续中温厌氧消化的进料浓度不超过7.24%。研究为高固体鸡粪厌氧消化的工程化应用提供参考。     

剩余污泥热水解厌氧消化中试研究

针对糖纸厂污水活性污泥法处理后剩余污泥进行热水解厌氧消化中试研究,结果表明,热水解预处理工艺能够有效改善污泥性质,SCOD与VFA分别提高5.2和7.6倍,在厌氧消化过程中随着水力停留时间(HRT)缩短,消化罐有机负荷和比沼气产率提高,在2.5 kg VS/(m3·d)、HRT=12 d条件下达到28.1Nm3/t.整个厌氧消化过程中无过度酸化现象发生,沼气甲烷含量稳定,平均达到60％.     

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%。     

不同条件下厨余与污泥共发酵效率及能耗分析

从甲烷产率、系统稳定性,以及产、耗能的角度系统分析了温度及有机负荷率(OLR)对厨余垃圾和剩余污泥共发酵过程的影响。结果表明,甲烷产率随负荷增加呈现先增加后减小的趋势,且高温系统甲烷产率显著高于中温系统,最大甲烷产率分别为407.92 mL·(g VS)~(-1)及357.86 mL·(g VS)~(-1)。在负荷提升过程中,中、高温系统均出现了以丁酸为主的有机酸积累,但当OLR增至15.93(g VS)·(L·d)~(-1)后,高温系统仍能实现稳定运行。通过能耗分析可知,当负荷高于5.05(g VS)·(L·d)~(-1)后,共发酵系统逐渐由耗能状态转变为产能状态,在高负荷运行条件下,高温发酵系统净产能显著高于中温系统,且具有甲烷产率高、稳定强的优势,所以在厨余垃圾和剩余污泥共发酵过程中更加具有应用前景。     

常温下沼气循环AnMBR处理丙酮和异丙醇混合废水

研究了沼气循环厌氧膜生物反应器(MCAn MBR)在常温下(24.4~31.5℃)处理丙酮、异丙酮混合废水的运行性能。结果表明,MCAn MBR在处理丙酮、异丙醇废水时能获得较好的效果,容积负荷提升快,有机物去除率高,气体产率高,并且运行十分稳定。工艺考察阶段,缩短HRT保持进水COD为37 000 mg·L~(-1),容积负荷为7.2~14.8 kg·(m~3·d)~(-1)(以COD计),平均去除率为91.18%。稳定运行阶段,HRT=60 h,容积负荷为14.92 kg·(m~3·d)~(-1)(以COD计),平均去除率为98.12%,气体产率为0.244~0.323 L·g~(-1)(以COD计)。膜截留与沼气循环装置大大强化了MCAn MBR在高MLSS下的混合和传质效能,使其能在高容积负荷下稳定运行。     

强化循环厌氧反应器(SCAR)处理碱减量废水的启动特性

强化循环厌氧反应器(SCAR)接种厌氧颗粒污泥后启动,在固定外回流比R=0.5、HRT=24 h条件下,研究SCAR处理碱减量废水的运行特性。经过6阶段60 d的启动运行,反应器对COD的去除率稳定在42%左右,反应器出水VFA浓度基本维持在约300 mg·L~(-1),反应器沿高度方向对污染物降解出现了较明显的功能区划。反应器2号取样口污泥脱氢酶活性最高、3号取样口浓度最低,脱氢酶活性最高为5.16 mg·(g·h)-1(以VSS计),系统污泥辅酶F420浓度基本为逐渐增加趋势,启动完成时辅酶F420浓度最高稳定在0.016 7μmol·g-1(以VSS计)。SCAR对碱减量废水中不同分子量有机物贡献的COD和UV254表现出不同的去除规律,实验条件下SCAR无法实现对苯系物的彻底降解。     

IC厌氧反应器处理垃圾渗滤液

在(35±1)℃条件下,采用IC厌氧反应器对天津大港垃圾焚烧厂垃圾渗滤液进行处理,研究了COD的去除效果、容积负荷、沼气产量和污泥的颗粒化,分析了循环比、上升流速对反应器的影响.结果表明,厌氧反应器经60 d的启动运行后,达到300 m3/d的设计水量,进水容积负荷达到17.7 kg COD/(m3·d),水力停留时间3.7d,COD去除率高于80％,出水挥发酸(VFA)低于l 500 mg/L,平均每去除1 kg COD产沼气0.42 m3,适宜的上升流速和循环比为2.0 ～5.0 m/h、8∶1 ～20∶1.启动结束后,厌氧消化污泥明显出现颗粒化,颗粒污泥的沉降速度达到了67.5 ～ 96.0 m/h,0.3～1.0 mm的颗粒污泥量占有74％.     

pH控制下果蔬垃圾酸化反应器中微生物优势菌群识别

以污水处理厂厌氧消化池污泥作为接种物,考察中温,pH为4.0±1,有机负荷13 g·(L·d)~(-1),水力停留时间3 d的酸化反应器处理果蔬垃圾的运行情况,并通过16S rRNA高通量测序技术及厌氧滚管分离技术识别反应器内优势菌群。结果表明,在pH为4的全混流反应器(CSTR)运行过程中,发酵产物以乳酸为主。反应器稳定运行期,乳酸杆菌属(Lactobacillus)的相对丰度达81.9%,为反应器中优势菌属。经厌氧滚管技术分离筛选获得的菌株EL1为乳酸杆菌,其发酵类型为异型发酵。     

BLR厌氧反应器处理垃圾焚烧厂渗滤液工程运行效能

采用1 100 m3BLR(biogas-lift reactor)厌氧反应器对垃圾焚烧厂渗滤液进行工程化处置,接种污泥为消化污泥,正常运行温度控制在(33±2)℃,启动负荷为1 kg COD/(m3·d),120 d后容积负荷达到10 kg/(m3·d)并稳定运行,出水COD浓度为4 500~6 500 mg/L,COD去除率为88%~92%,出水VFA含量为200~600 mg/L,p H值稳定在7.4~7.7,出水SS含量为1 000 mg/L左右,并可观察到沉降性较好的颗粒化污泥。反应器运行初期将VFA/ALK控制在1.6以内,系统并未因VFA积累而酸化崩溃,运行后期VFA/ALK值小于0.3,系统稳定运行。运行过程中进水氨氮浓度从400 mg/L升高到2 200 mg/L,未发现氨氮对厌氧生物处理的明显抑制现象。垃圾渗滤液中平均每去除1 kg COD产生沼气量为0.32 m3。     

强化循环厌氧反应器处理印染废水的中试启动研究

应用自主研制的强化循环厌氧反应器(SCAR)中试规模处理实际印染废水,研究反应器的启动特性。反应器接种厌氧颗粒污泥后启动运行83 d,形成连续内循环并实现了对印染废水处理的高效稳定运行。在进水COD浓度1 000~3 650 mg/L、系统容积负荷0.7~6.4 kg/(m3·d)条件下,废水COD和色度平均去除率分别达到55%和73%。反应器内较高浓度的NH+4-N保证了系统pH的稳定性,350~600 mg/L的NH+4-N浓度没有对强化循环厌氧反应器产生抑制作用,系统内也没有出现VFA(以乙酸计)积累。启动过程中,厌氧颗粒污泥的粒径增大、沉降性能变好。启动实验完成时,反应器内微生物的脱氢酶活性(以TF计)和辅酶F420浓度分别为3.4973 mg/(g·h)和0.1872μmol/g。     

褐铁矿与固体含量对牛粪秸秆混合厌氧干式发酵的影响

干式厌氧发酵是处理农业废弃物的有效途径之一,其中总固体(TS)含量和外源添加剂是影响有机质产甲烷过程的重要影响因素。以牛粪与水稻秸秆为例,研究了不同的褐铁矿添加量以及TS含量对牛粪秸秆混合厌氧干式发酵产甲烷过程的影响,并对沼渣特性进行表征。结果表明:固定TS含量25%时,添加1%褐铁矿(基于底物TS含量)显著促进产甲烷过程,产气量比对照组增加了21 mL·g~(-1)(以VS计);对照组(无褐铁矿)和添加1%褐铁矿时,纤维素降解均随TS含量升高而降低;TS含量40%时,添加1%褐铁矿对产甲烷过程具有抑制作用,甲烷产率相比于对照组(TS含量25%)降低了71%。可见只有当TS含量25%时,添加适量褐铁矿才能有效促进牛粪秸秆混合厌氧发酵产甲烷过程。研究可为优化农业废弃物甲烷化提供参考。     

污泥停留时间对厌氧膜生物反应器处理餐厨废水效能的影响

采用中试厌氧膜生物反应器(AnMBR)处理高浓度餐厨废水,多维分析污泥停留时间(SRT为50、30和20 d)对其运行效能的影响。结果显示,An MBR在各SRT工况下均展现出较好的稳定性,消化罐pH维持在7.2(7.8之间,膜出水COD去除率达到96%以上。缩短SRT虽然能够有效提高有机负荷,但是过低的SRT会显著降低COD转化率。An MBR在SRT 30 d工况下可获得最佳处理效能,有机负荷达到(8.7±1.3)kg COD·(m~3·d)~(-1),沼气生产强度达到(4.5±0.8)m~3·(m~3·d)~(-1),COD转化率为(82.1±7.3)%。厌氧消化液中胶体态和溶解性大分子有机质的累积是导致膜过滤效能下降的主要原因,控制SRT 30 d有效削减了其积累量,从而提高了膜通量并减缓了膜污染趋势。Ca~(2+)会沉积在污泥混合液中,其浓度随着SRT缩短显著降低。此外,SRT缩短会降低长链脂肪酸(LCFA)的转化率;但是未降解的LCFA很可能与Ca~(2+)形成沉淀,会减轻游离LCFA对微生物活性的抑制作用,进而有助于AnMBR的稳定运行。     

瘤胃液用于玉米秸秆产酸的影响因素

以瘤胃液为接种物对秸秆进行批式实验,研究了发酵时间、发酵温度与接种比对秸秆发酵产酸的影响。发酵3 d后,发酵液的pH、VFA浓度、SCOD浓度与产气量基本达到稳定值,分别为6.66±0.02、(6 321±45)mg·L~(-1)、(10 523±273)mg·L~(-1)与(1 351±41)m L,反应基本结束;相比其他温度,在39℃时,VS转化率与VFA产率达到最大值,分别为(46.7±2.3)%与(291±4)mg·g-1(以VS计),发酵液的最终pH也达到最小值7.19±0.03;随着接种比从0.47减小到0.09,VFA产量从(5 704±46)mg·L~(-1)升高到(9 633±143)mg·L~(-1),但是VS转化率、最终pH与VFA产率分别从(58.5±0.8)%、6.54±0.00与(603±5)mg·L~(-1)下降到(26.6±3.4)%、5.44±0.04与(204±3)mg·L~(-1),其中0.16为极限接种比,当接种比低于该值时,总产气量不再增加。