污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程底物指标变化

将污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物进一步产甲烷,产甲烷量比污泥与餐厨垃圾单独或直接联合厌氧发酵产甲烷大.研究污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程中产甲烷量与底物指标变化的关系,实验结果表明,整个消化过程中,累积产甲烷量为613 L,最大产气速率和产甲烷速率分别为2.12 L/(kg·d)和1.46 L/(kg·d),最大甲烷含量为72.5％,消化系统的pH在总挥发性脂肪酸(TVFA)以及氨氮、CO32-和HCO3-等碱度的共同作用下基本维持在适宜产甲烷的范围内,在不同的消化阶段,厌氧发酵产甲烷过程起主要作用的物质不同,先后顺序依次为糖类、蛋白质和TVFA,并且累积产甲烷量与COD、总糖、总蛋白质的显著相关性大小依次为:COD＞总糖＞总蛋白质,COD去除率高达79.54％.     

产甲烷菌耐酸培养及其以餐厨为底物的产气特性

采用逐步提高厌氧发酵体系内丁酸盐浓度的方式,对产甲烷菌进行了适应性耐酸培养,随后将培养后的污泥接种餐厨垃圾进行高固态厌氧发酵,研究其以餐厨垃圾为底物的产甲烷特性。结果表明,进行耐丁酸培养的各个组的沼气及甲烷产量、最终VFAs浓度、SCOD浓度基本和丁酸钠添加量呈正相关。其中丁酸钠添加量为8 g·L-1的组的甲烷产量和沼气产量相对稳定且较大,最终分别为229 m L和830 m L。其脱氢酶活性也相对较大,为126.74 TFμg·(m L·h)-1;培养后污泥的TS、VS较培养前提高量最大,分别提高了64.13%和67.31%,相比培养后的对照组也提高了44.05%和66.07%。而产甲烷实验研究表明,经8 g·L-1的丁酸钠培养后的污泥的产气情况最好,其累积甲烷、沼气产率及甲烷含量最大,分别为101.8 m L·g~(-1)TS、228.0 m L·g~(-1)TS和44.7%,是对照组的3.2、1.3和2.4倍。     

固相餐厨垃圾厌氧发酵特性

为了研究固相餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷特性,对固相餐厨垃圾进行批式厌氧发酵实验,主要考察了pH、VFA、COD以及纤维素酶活的变化情况,并运用修正Gompertz模型对其产气模型进行动力学拟合.实验结果表明,缓冲溶液的添加可明显促进厌氧发酵产甲烷.在添加缓冲溶液条件下,污泥与餐厨垃圾比例为2∶1,1∶1,2∶3和1∶2时,餐厨垃圾都能很好地进行厌氧发酵产甲烷,最大产甲烷产量分别为594.66、449.74、392.93和333.36 mL/g TS.采用修正Gompertz模型分别对2∶1、1∶1、2∶3和1∶2实验组产甲烷曲线进行拟合,得到产甲烷潜力分别为567.57、437.89、381.12和305.60 mL/g TS,最大产甲烷速率分别为89.38、59.81、47.26和25.80 mL/(d·g VS).对厌氧发酵过程中纤维素酶活的变化进行了研究,结果表明,CMC酶活性在提高餐厨垃圾厌氧发酵过程中纤维素的降解起重要作用.     

餐厨垃圾高温厌氧消化

在中试规模下,研究餐厨垃圾高温厌氧消化试验,通过监测餐厨垃圾厌氧消化过程中产气量、气体组成等产气情况和消化液中pH值、SCOD、NH4+-N、VFAs等化学指标含量变化,确定餐厨垃圾厌氧消化的最大有机负荷,并分析餐厨垃圾高温厌氧消化技术的可行性,结果表明,在工程上餐厨垃圾单独进行高温厌氧消化产甲烷具有技术可行性,但难以保证系统长时间安全稳定运行;餐厨垃圾厌氧消化正常运行时最大有机负荷可达2.551 kg VS/(m3.d);当系统有机负荷为2.551 kg VS/(m3.d)时,每天每千克VS最高可产生甲烷量0.622 m3;氨氮对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷影响明显;餐厨垃圾中固有Na+含量对厌氧消化产甲烷影响不明显。     

城市餐厨垃圾前处理的工艺优化

为提高餐厨垃圾资源化,利用自动化分选设备组合处理餐厨垃圾,考察餐厨垃圾快速减量化和资源化的可行性,对自动化分选前后餐厨垃圾成分进行分析,发现分选前其总量为243.05 t·d~(-1),TS为12.69%,VS为93.26%,分选后总量为242.00 t·d~(-1),TS为10.97%,VS为91.93%,其有机物含量稳定,利于厌氧发酵处理的工艺控制;对分选后餐厨垃圾进行厌氧发酵处理,考察其pH和NH_4~+-N变化,发现反应初期pH值出现弱酸性,NH_4~+-N浓度较低;随着反应进行,pH稳定在7.6~7.8,NH_4~+-N浓度约为1 200 mg·L~(-1)左右。最后对厌氧发酵产气量进行考察发现,反应前期受到pH、NH_4~+-N以及温度等反应条件影响,产气量和甲烷含量较低;随着实验趋于稳定,产气量为22 000 m3·d~(-1)左右,甲烷含量范围在65%~72%。结果表明,使用新型餐厨垃圾预处理设备,其分选效率较高,能提高后续厌氧发酵产气量和甲烷含量,较大程度实现餐厨垃圾资源化。     

连续式两相厌氧消化的产气潜能

为了考察连续式两相厌氧消化过程及产酸相、产甲烷相最佳水力停留时间和产气潜能,并与序批式单相厌氧消化实验比较,采用生活垃圾、粪便、餐厨垃圾、污泥混合物料为消化原料,进行中温连续式两相厌氧消化和序批式单相厌氧消化实验。结果表明,单相厌氧消化产气潜能为242 m~3·t~(-1)TS,两相厌氧消化产气潜能达到380m~3·t~(-1)TS以上,提高了57.6%。两相厌氧消化最佳水力停留时间为14d,比单相厌氧消化的水力停留时间缩短了一半,并且连续式两相厌氧消化过程比单相厌氧消化具有更高的运行稳定性。     

餐厨油脂与低热值污泥联合厌氧消化产气

低热值污泥单独厌氧消化产气率低,通过投加高有机质含量的餐厨油脂,与污泥形成联合厌氧消化体系,进行了低热值污泥与餐厨油脂联合中温厌氧消化实验,结果发现:1)当油脂的投配量为50%(G/S(Greases/Sludge)=1,以VS计)和66.7%(G/S=2)时,相较于污泥单独厌氧消化(160.29 m L CH_4·(g~(-1)VS))),产甲烷能力分别提升至724.52 m L CH_4·(g~(-1)VS))和809.33 m L CH_4·(g~(-1)VS);2)调节初始pH,使(G/S=1和G/S=2)2个工况的初始产甲烷能力得到一定程度的恢复,但对于工况G/S=4,油脂的负荷已经远远超过了共消化系统的承受能力,初始产甲烷能力难以得到恢复;3)污泥与餐厨油脂之间相互促进、协同作用,两者联合厌氧消化可有效提高系统甲烷产率。     

青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合高温厌氧消化研究

在中试规模下,研究青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合(质量比1∶1)高温厌氧消化实验,通过监测厌氧消化过程中产气量、气体组成等产气情况和消化液中pH值、SCOD、NH3-H、VFAs含量和组分等化学指标变化,确定混合厌氧消化的最大有机负荷,并分析混合高温厌氧消化技术的可行性,结果表明,(1)青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合高温厌氧消化产甲烷具有技术可行性;(2)混合厌氧消化的最大有机负荷可达4.069 kg VS/(m3.d);(3)当系统最大有机负荷时,每天每千克VS最高可产生甲烷量0.346 m3;(4)混合厌氧消化可削减氨氮对餐厨垃圾单独厌氧消化产沼气的影响。     

餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产沼气协同效应

在(35±0.2)℃温度下,以餐厨垃圾和剩余污泥为原料,设置餐厨垃圾和剩余污泥混合比例(VS)分别为1∶0、2∶1、1∶1、1∶2和0∶1,研究其单独消化与混合消化的系统性能、产甲烷潜力及脱氢酶活性和F420浓度变化。结果表明,混合消化提高了系统稳定性,与餐厨垃圾单独消化相比,添加剩余污泥能调节pH、氨氮浓度和VFA浓度,缩短产气周期;与剩余污泥单独消化相比,添加餐厨垃圾能显著提高沼气产量。混合比例为1∶1组混合消化产甲烷潜力最佳,消化作用的协同效应最为明显,沼气和甲烷产量分别达358.2 mL/g VS和224.1 mL/g VS,较餐厨垃圾和污泥单独消化估计值分别提高了23.09%和36.80%。1∶1混合消化组脱氢酶活性最高达437.33 TFμg/(mL·h),比餐厨垃圾和剩余污泥单独消化分别提高93.60%和40.69%,辅酶F420浓度最高为1.718μmol/L,分别提高17.3%和100.7%。     

进出料频率对牛粪两相厌氧发酵特性的影响

以牛粪为发酵原料,在中温(35±2)℃的条件下,采用自行设计的两相厌氧发酵中试装置,在水力停留时间确定的前提下,酸化原料分别以每天、间隔1 d和间隔2 d 3种不同进出料频率加入产甲烷罐,观察挥发性固体(VS)产气率和甲烷含量的变化情况。实验结果表明:保持产酸相与产甲烷相水力停留时间(HRT)分别为3 d和17 d,每天进出料产气效果最佳,原料VS产气率和甲烷含量最大值分别为0.29 m3/(kg·VS)和58.36%。     

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷条件优化研究

研究了21、37和47 d产甲烷物料代替新鲜污泥接种于污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物的厌氧发酵产甲烷情况,发现接种47 d产甲烷物料的消化系统在最佳接种量50%条件下的产甲烷效能显著优于接种新鲜污泥的消化系统,不仅提高了产甲烷率,还大大缩短了消化时间。并且3种消化系统产甲烷率和比产甲烷率均为47 d37 d21 d,分别为3.78、3.88、6.15 mL/g和0.172、0.277、0.559 mL/(g·d),完成产甲烷过程的消化时间为47 d37 d21 d。在一定的消化时间范围内,产甲烷菌被驯化时间越长,接种于产氢余物中的产甲烷效能越好。     

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。     

氧化铁对不同有机负荷下餐厨垃圾厌氧消化产气的影响

进行了餐厨垃圾(FW)和接种污泥(Ⅰ)基于不同VS比(分别为FW/I=1,FW/I=3,FW/I=5)下的中温厌氧消化实验,对比了不同有机负荷下未添加氧化铁和添加氧化铁对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响。结果表明,在FW/I=1时,餐厨垃圾厌氧消化体系的产气情况主要由接种污泥决定,添加氧化铁仅能在较小的程度上促进体系产甲烷能力提升;而在FW/I=3时,添加氧化铁可以帮助餐厨垃圾厌氧消化体系从低速产甲烷过程快速进入高速产甲烷,快速降解有机质实现稳定化;而对于FW/I=5时添加氧化铁可以解除由于有机负荷过高造成的酸抑制并恢复体系的产甲烷能力。因此,在实际应用厌氧消化技术处理餐厨垃圾中可以通过添加氧化铁来提高其有机负荷(OLR),提高处理效率,保证餐厨垃圾厌氧消化的正常运行和促进甲烷的产生。     

不同来源污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵产氢效果研究

在相同接种配比(接种污泥占餐厨垃圾的质量分数为30%)条件下,研究了4种不同来源污泥(压滤污泥、厌氧污泥、曝气污泥和河底淤泥)添加或不添加缓冲剂时对餐厨垃圾厌氧发酵产氢效果的影响.结果发现,在不添加缓冲剂时.4种污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵平均产氢量依次为厌氧污泥>河底淤泥>压滤污泥>曝气污泥,接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量最高,达10.11mL(以每克挥发性固体(VS)计,下同);而添加缓冲剂时.4种污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵平均产氢量依次为厌氧污泥>曝气污泥>压滤污泥>河底淤泥,接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量也最高,为33.72 mL,且体系pH得以缓冲.     

热处理时间对餐厨垃圾高温干式厌氧发酵的影响

餐厨垃圾中有机物大部分以大分子的形式存在,对其进行热处理,破坏大分子有机物的存在形式,将会影响其干式厌氧发酵的过程。实验对餐厨垃圾进行了热处理(100℃),处理后将其在含固率(TS)20%、接种率25%的条件下进行高温55℃厌氧发酵。实验结果表明,热处理后,餐厨垃圾的理化性质发生显著变化,累计产气量、TS和VS的去除率均增大。当热处理时间为15 min时,餐厨垃圾的SCOD值最高,为59.49 g/L,比未处理时提高了3.3倍。同样该条件下,累计产气量也最高,为2 782.8 m L,与未处理相比累积产气量提高58.30%,第二产气高峰比未处理提前3天。各发酵瓶发酵前后TS、VS去除率的变化趋势与累计产气量的变化基本一致,累计产气量越大,TS、VS的去除率越大。     

脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷及其影响因素研究

油脂降解缓慢是影响餐厨垃圾厌氧发酵的重要原因。应用脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷,探究了脂肪酶投加量、温度和pH对产甲烷的影响。结果表明,脂肪酶能够促进餐厨垃圾厌氧发酵的水解和酸化,为产甲烷菌提供物质基质,还能提高脱氢酶的活性。脂肪酶最佳投加量为0.4g/L,最适温度为35℃,最适pH为7.0。     

耐酸厌氧消化污泥处理餐厨垃圾

采用耐酸驯化的厌氧消化污泥处理餐厨垃圾，在酸性条件下（pH=4．5），对实验装置容积负荷从1．0kgVS／（m3·d）分9次逐级增加到5．0kgVS／（m3·d）的过程进行了跟踪监测，并较深入地研究了驯化污泥代谢活性和处理效果。实验结果表明，pH4．5的耐酸厌氧消化污泥，最佳投加负荷约为4．5kgVS／（m3·d），此负荷下容积产气率，CH4含量平均值均达最大，分别为1．68m3／（m3·d），75．0％。耐酸厌氧消化装置持续增料运行46d，产甲烷菌仍能保持较高的活性，其COD去除率范围为40．4％-75．0％，仍能保持pH7．2时处理效果的65．0％-91．8％，表明在低pH、低碱度下实现稳定的产甲烷过程是可行的。     

不同碱剂对污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷的影响

为了使污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷后的沼渣得到有效利用,研究了以Ca(OH)_2代替NaOH作为碱剂调节产氢余物与污泥混合物初始pH进行厌氧发酵产甲烷情况。结果表明,以NaOH和Ca(OH)_2作为碱剂的消化系统厌氧发酵产甲烷的最佳接种量均为50%,且产甲烷率和比产甲烷速率相差不大,分别为60.48mL/(g·DS)、2.16mL/(g·DS·d)和58.68mL/(g·DS)、2.35mL/(g·DS·d),两种消化系统的COD、总糖和总蛋白质的降解率分别为63.0%、25.7%、47.1%和56.7%、23.6%、45.7%。以Ca(OH)_2代替NaOH作为碱剂调节反应物初始pH进行厌氧发酵产甲烷是可行的。     

预处理沼液与餐厨废弃物的厌氧产气发酵特性

为了实现对餐厨废弃物能源化的梯度利用,将沼液进行水浴加热、超声波和曝气等预处理后与餐厨废弃物混合,在中温(35±1)℃条件下进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵实验。考察了不同预处理沼液对产氢率、产氢相缓冲能力、产氢过程可溶性代谢产物成分以及其进行产甲烷发酵的潜力。结果表明,未经处理的沼液与餐厨废弃物混合发酵的产氢率很低,并且相分离不彻底有甲烷产生;各预处理组的产氢率均明显高于未处理组,并很少或几乎没有甲烷产生,其中超声波处理组产氢率最高为52.3 m L·g~(-1)VS。水浴加热和超声波处理组的产氢流出液经产甲烷发酵,可以获得与餐厨废弃物直接进行产甲烷发酵相当的甲烷产率。这表明,将餐厨废弃物进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵可获得更高的能源化效率。     

油脂含量和有机负荷对餐厨垃圾干式厌氧消化的影响

为了研究进料油脂含量(5%~25%)和有机负荷(40~60 kg VS/m3)对餐厨垃圾中温干式厌氧消化的共同影响,采用软件Design-Expert 8.0.6设计进料参数,以容积产甲烷率作为响应值,对14组序批式实验的结果进行回归分析,并建立容积产甲烷率与油脂含量和有机负荷间的回归方程。结果表明,当有机负荷为40 kg VS/m3时,甲烷产率随油脂含量的增加而增大;当有机负荷为50 kg VS/m3时,甲烷产率随油脂含量的增加先增大后减小;当有机负荷为60 kg VS/m3时甲烷产率随油脂含量的增加而减小。序批式实验中进料的最佳油脂含量和有机负荷分别为18.7%和42.9 kg VS/m3,对应响应面的理论容积产甲烷率最大值为32.74 L CH4/L。研究结论可以应用到实际工程中,为餐厨垃圾干式厌氧消化技术的推广提供一定的理论基础。