剩余活性污泥和厨余垃圾续批式混合中温消化试验研究

将加碱水解和未水解剩余活性污泥与厨余垃圾混合后进行序批式中温厌氧消化,对生化产甲烷势(BMP)进行了测定.剩余活性污泥的水解通过添加NaOH进行,合理的NaOH投量为40 mmol/L,在25 ℃和35 ℃下经过6 h的水解后SCOD水解率分别提高27.4%和31.1%.厨余垃圾、25℃和35℃下水解污泥的最终甲烷产量分别为607、284、312 mL/g(VS),两种水解污泥比未水解污泥分别高出43%、57.6%,水解污泥和厨余垃圾混合消化的可降解能力要优于未水解污泥和厨余垃圾的混合进料.     

餐厨垃圾高温中试两相厌氧发酵的稳定性

为了考察在高负荷条件下餐厨垃圾厌氧发酵的稳定性,采用餐厨垃圾为发酵原料,以某污水处理厂脱水污泥为接种污泥,在中试规模条件下,采用产酸相中温(35℃,0.33 m3)产甲烷相高温(55℃,1.6 m3)进行连续式发酵。结果表明,餐厨垃圾厌氧发酵的产酸相有机负荷可达29.27 kg VS·(m~3·d)~(-1),产甲烷相有机负荷为6.04 kg VS·(m3·d)-1,容积产气率平均为5.61 m3·(m~3·d)~(-1),原料产气率平均达0.913 m3·(kg VS·d)-1,甲烷浓度平均为73.07%,总菌数为2.41×109个·m L-1,产甲烷菌最高为7.08×108个·m L-1,产甲烷菌数占总菌数的29.4%。两相厌氧发酵工艺可实现餐厨垃圾高负荷条件下的稳定运行。     

共接种瘤胃微生物和厌氧污泥的水稻秸秆中试厌氧消化系统性能评估

针对富含木质纤维素底物利用效率低的问题,通过在中试厌氧消化系统中共接种瘤胃微生物和厌氧污泥来改善水稻秸秆中木质纤维素的水解,采用逐步提升底物有机负荷(OLR)的方式,评估了接种后水稻秸秆的厌氧消化效率。结果表明,在反应体系底物有机负荷达到4.26 g·(L·d)-1(以VS计)时,系统表现出最佳的厌氧消化性能,此时沼气产率为528 mL·g-1 (以VS计),甲烷产率为287 mL·g-1,容积沼气生产强度达到2.20 L·(L·d)-1。在反应器有机负荷从1.05 g·(L·d)-1提升到4.26 g·(L·d)-1的运行过程中,系统的纤维素降解率稳定在(71±2)%,半纤维素降解率稳定在(92±4)%,木质素降解率稳定在(15±3)%。这种稳定性表明反应器的连续运行成功地形成了高效的木质纤维素降解体系,结果可为实际规模化应用提供参考。     

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。     

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%。     

进料频率对餐厨垃圾与剩余污泥中温共发酵系统稳定性的影响

考察系统负荷(以COD计)为11.36 g·(L·d)~(-1)时,6种不同进料频率下,餐厨垃圾和剩余污泥中温厌氧共发酵过程中产气量、气体组分、SCOD、pH和挥发性脂肪酸(VFAs)的变化,旨在明确进料频率对系统稳定性的影响,同时结合单一VFA的产甲烷动力学特性,探明系统不稳定的原因。结果表明,进料频率较高时,进料周期内系统的气体组分、SCOD和pH无明显变化,产气量呈线性增长,且基本无VFA积累。随着进料频率降低,进料初期过快的水解酸化导致SCOD和VFAs浓度呈现明显的先升高后逐渐降低的趋势,从而导致pH和甲烷含量波动明显。当进料频率为1次·d~(-1)时,系统中pH降至7.5,甲烷含量降至45.4%,丙酸占总有机酸的比例最高可达87.9%。相比乙酸而言,丙酸在甲烷化过程中存在的延滞期(1.21 h)及较低的甲烷化速率(5.01 mL·h~(-1))可能是导致存在丙酸积累的低频进料系统中稳定性较差的原因之一。     

利用米曲霉发酵餐厨垃圾产水解酶促进污泥厌氧消化

将米曲霉接种到餐厨垃圾中生产水解酶,并利用此生物酶强化污泥厌氧消化。对比分析了富含水解酶的餐厨垃圾(实验组)、中温灭活富含水解酶的餐厨垃圾(对照组A)和未发酵餐厨垃圾(对照组B)分别与剩余污泥厌氧共消化情况;考察了实验组对污泥厌氧体系的促进效果;并运用3种模型对反应体系中底物的产甲烷潜力进行了拟合。结果显示,实验组甲烷含量最高可达71.51%;挥发性固体单位累计甲烷产量为(308.46±19.47) mL·g~(-1),相比对照组A和对照组B显著提高(P0.05),分别是对照组A和对照组B的1.56倍和1.31倍。修正的Gompertz模型优于一级动力学模型和Cone模型,能够很好地预测厌氧消化体系的最大甲烷产量,更适宜于拟合富酶餐厨与剩余污泥厌氧共消化体系。     

微量金属元素及其配合物对厨余垃圾甲烷发酵的影响

生物可利用的微量金属元素不仅能够保证污染物以最大的速率转化，而且还可以使某些特殊的转化得以发生，并提高微生物对有毒污染物质的耐受能力。在研究厨余垃圾总固体浓度(total solid, TS)、接种量和C/N比对厨余垃圾厌氧发酵影响的基础上，重点探讨微量金属元素钴及其配合物丝氨酸对厨余垃圾厌氧发酵甲烷产量及关键酶含量的影响。结果表明，当TS为0.5%、接种污泥量为100 mL/L和C/N比为20∶1时，厨余垃圾厌氧发酵的甲烷产率较高，为367 mL/g COD；添加2 μmol/L的微量金属元素钴-配合物丝氨酸时，甲烷产率则提高到432 mL/g COD，相应地，辅酶M的含量由空白实验的41.21 μmol/g VSS提高到54.64 μmol/g VSS，辅酶F₄₂₀的含量由0.31 μmol/g VSS提高到0.48 μmol/g VSS。     

热水解预处理对剩余污泥可生物降解性的影响

针对剩余污泥可生物降解性差的问题,以热水解作为预处理手段,研究了其对剩余污泥可生化性的提高作用。热水解在175℃,0.6~0.8 MPa条件下进行30 min。结果表明,剩余污泥经热水解后,水解率可达48%,挥发性脂肪酸浓度提高7~8倍,COD当量平均7 800 mg·L~(-1),生化产甲烷潜力提高43%左右。厌氧消化实验中,组合有热水解预处理的温度两相工艺和中温单相工艺容积产甲烷率为0.760和0.719 L·(L·d)-1,甲烷产率为0.288 L·g-1和0.255 L·g-1,均显著高于传统中温单相工艺的0.376 L·(L·d)-1和0.138 L·g-1。组合工艺的挥发性有机物去除率为48.64%和46.51%,比传统工艺高8%~11%。比甲烷产率提高约50%,表明这些被转化的有机物较传统工艺中被转化者产能更多。工艺对比发现,虽然热水解联合温度两相工艺效率最高,但热水解联合中温单相工艺几乎同样高效且工艺更简单实用。     

挥发性脂肪酸对厌氧干式发酵产甲烷的影响

为了提高中温干式厌氧间歇发酵效率,研究了发酵过程中间产物———挥发性脂肪酸对产甲烷的影响。实验分2批进行,第1批在牛粪发酵过程中分别添加乙酸、丙酸和丁酸,第2批发酵添加易产生挥发酸的厨余垃圾混合发酵。结果显示,添加单一挥发酸的发酵过程中,添加丙酸的产甲烷速度较慢,因为丙酸降解生成乙酸的速度较慢,减慢了甲烷的形成;混合发酵过程厨余垃圾产甲烷速度比牛粪快,发酵过程产生2个产气高峰;牛粪和厨余垃圾固体物质含量比在11∶1到5∶1范围内较好,比牛粪单独发酵产气多,产酸高但不酸败,产生的挥发酸主要是乙酸和丙酸,其中比例为7∶1混合发酵的产甲烷速率最大,为4.89 mL/(g VS·d)。实验表明,牛粪厌氧干式发酵过程添加一定量的厨余垃圾可加快挥发酸的产生并提高挥发酸产量,从而提高甲烷的产量,但是总挥发酸长时间超过10 000 mg/L,pH降到不适于产甲烷菌生长的范围时,将抑制甲烷的生成,挥发酸积累导致厌氧发酵酸败。     

蓝藻与污泥混合厌氧发酵产沼气的初步研究

为了实现太湖蓝藻打捞后的快速处置，对厌氧颗粒污泥、消化污泥、剩余污泥与蓝藻混合厌氧发酵产沼气进行了研究。结果表明，蓝藻与污泥混合可以有效促进沼气发酵。在蓝藻与厌氧颗粒污泥物料比为6∶1时，产气效果最佳，沼气产率为73 mL/g VS，平均甲烷含量为69%，最大产气速率为138 mL/d，累计产甲烷量为50 mL CH₄/g干物质，分别是蓝藻与消化污泥、剩余污泥混合发酵时的1.5倍和2.3倍。厌氧颗粒污泥、消化污泥、剩余污泥与蓝藻混合，其VS降解率为11.40%～13.73 %，COD减少了27.97%～46.38%。厌氧发酵对蓝藻藻毒素的含量有较大影响，分别从356、366和244 μg/L降低到检测限5 μg/L 以下。     

厨余垃圾好氧堆肥与污泥厌氧消化一体化处理

利用自行研制的城镇生活垃圾与污水厂污泥一体化处理反应器对厨余垃圾好氧堆肥和污水处理厂污泥厌氧消化进行了实验研究,结果表明,在环境温度8~17.2℃的条件下,垃圾仓温度范围为17.2~50℃,堆肥垃圾含水率由(91.0±1.8)%降为(85.1±5.2)%,p H维持在5.92~7.40之间,VS/TS由0.78±0.06降为0.60±0.12,垃圾蛋白酶活性在第15天后维持在153.5~347.5 U/g DW。污泥仓温度主要范围为25~35℃,排泥含水率由(99.2±0.3)%降为(96.0±1.5)%,p H维持在6.77~6.97之间,VS/TS由0.66±0.07下降为0.44±0.11。污泥仓日均产气量为(44.7±8.6)L,其中甲烷平均体积分数为(61.32±4.68)%,污泥蛋白酶活性在第4天后稳定在0.98~1.78 U/m L之间。一体化反应器实现了厨余垃圾与污水厂污泥在同一反应器中集中处理,并利用垃圾堆肥时产生的热量为污泥浓缩消化提供温度条件。     

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。     

城市生活垃圾和污水处理厂剩余污泥混合发酵的原料配比优化研究

以城市生活垃圾和污水处理厂的剩余污泥为混合原料,研究了混合原料的不同配比对厌氧发酵过程及产气的影响。结果表明:城市生活垃圾与剩余污泥以挥发性固体(VS)质量比为2∶1混合后,厌氧发酵效果最好,累计产气量最高,达到8 721mL,发酵后的总固体(TS)、VS、COD去除率分别达43.65%、35.98%、47.88%;各实验组在发酵过程中的pH、氨氮浓度和碱度均在合理范围内,未对厌氧发酵反应造成影响;以适当配比的城市生活垃圾和剩余污泥为混合原料,进行中温联合厌氧发酵是可行的,联合厌氧发酵可以弥补单一原料的缺陷,在一定程度上改善厌氧发酵效果。     

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。     

3,4,5-三甲氧基苯甲醛生产废水的厌氧可生化性及UASB处理

为了能经济有效地处理山东某一化工厂的3,4,5-三甲氧基苯甲醛生产废水,首先采用间歇式实验对车间生产废水进行厌氧可生化性评价。然后以此为基础,采用单级中温UASB,用二沉池的污泥为接种污泥,保持水力停留时间(HRT)不变,通过逐步提高进水COD的方式,考察在COD容积负荷(OLR)从1.0 g·(L·d)~(-1)逐步升高至10.0 g·(L·d)~(-1)的情况下,反应器处理效果的变化。在140 d的连续实验过程中发现,最优的OLR在6.0 g·(L·d)~(-1)(进水COD6 000 mg·L~(-1)左右),COD去除率能稳定在60.3%,出水pH值稳定在7.4到8.0之间,VFA在500 mg·L~(-1)左右。实验结果表明,UASB处理该制药厂废水是可行的。     

木糖高温厌氧发酵产氢的影响因素及两相产氢-产甲烷的能量转化效率

通过批次实验,考查了木糖高温(55℃)厌氧发酵中初始pH(5.0~10.0)和初始底物浓度(2.5~15 g·L~(-1))对产氢效率、液相产物以及木糖降解率的影响;并进行了两相产氢-产甲烷实验,对比单相产甲烷与两相产氢-产甲烷能量转化效率。结果表明:在初始pH=5.0或初始底物浓度为2.5 g·L~(-1)时无氢气产生,最大产氢率1.31 mol H2·(mol木糖)-1在pH=7.0,底物浓度7.5 g·L~(-1)时获得,同时木糖降解率和累积产氢量分别为97.48%和328.4 mL;其主要代谢副产物为丁酸和乙酸,属于丁酸型发酵。厌氧产氢后末端产物甲烷产率为274.9 mL CH_4·(g COD)-1,两相系统能量转化效率达到63.98%,高于单相产甲烷系统的49.39%。     

城市生活垃圾焚烧厂渗滤液产甲烷潜力

为研究城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的产甲烷潜力及其影响因素,在常规水质分析的基础上,采用瑞典AMPTSⅡ系统进行中温((37±1)℃)厌氧消化实验,探究稀释倍数和污泥投加量对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和可生物降解性的影响。结果表明:城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率(以CH4/CODadd计)高于326.0 mL·g~(-1)(理论甲烷产率为350 mL·g~(-1)),可生物降解性高于93.1%;城市生活垃圾焚烧厂渗滤液是一种高COD、高NH3-N的有机废水,但可生化性较好;无论污泥投加量还是稀释倍数对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和可生物降解性影响都很小,但稀释倍数的增加可明显降低污泥驯化时间和厌氧消化时间。在工程应用中,采用生化出水回流稀释城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的方法,可降低厌氧反应器启动时间和厌氧消化时间,提高城市生活垃圾焚烧厂渗滤液处理效率。     

底物浓度对玉米秸秆乙醇发酵及残渣甲烷发酵的影响

为研究底物浓度对玉米秸秆乙醇发酵过程中乙醇产率和乙醇发酵剩余残渣厌氧发酵产气特性的影响,在中温(37±0.2)℃条件下,利用实验室自制小型厌氧发酵装置,在底物浓度为2%、3%、4%和5%下开展周期为50 d的序批式厌氧发酵实验,探索不同底物浓度下玉米秸秆发酵乙醇产率和乙醇发酵剩余残渣厌氧发酵产气特性。结果表明:底物浓度对玉米秸秆乙醇发酵影响显著,当底物浓度为3%时,玉米秸秆厌氧发酵乙醇产量最大,达到39.04 g;底物浓度过低或过高均不适合后期厌氧发酵产甲烷的进行,当底物浓度为3%时,玉米秸秆乙醇发酵残渣表面纤维结构被破坏最明显,残渣厌氧发酵产甲烷实验最早在3 d出现产气峰值,挥发性固体单位甲烷产量为26.82 mL·g~(-1),并且累积产气量最高,挥发性固体单位累积甲烷产量达到270.01 mL·g~(-1),玉米秸秆乙醇发酵残渣还有较高的产气潜能;通过质量平衡分析得到,底物浓度为3%时,玉米秸秆生物转化过程中TS和VS去除率最高,分别为59.12%和79.07%。该研究可为玉米秸秆乙醇发酵工程提供参考。     

有机负荷影响好氧颗粒污泥特性的研究

好氧颗粒污泥形成后,逐步提高进水有机负荷(OLR)至好氧颗粒污泥解体,分析OLR对系统运行特性、污泥表面特性及胞外蛋白和多糖的影响.进水OLR在4～8 g/(L·d)、污泥负荷(SLR)稳定在0.42～0.77 g/(g·d)、污泥龄为17.8～60.0 d时,好氧颗粒污泥系统处于最优运行阶段.好氧颗粒污泥形成后,随着进水OLR的提高,十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)能够直观地反映出胞外蛋白分泌量逐渐减少,而多糖分泌量呈相反趋势,导致蛋白/多糖(PN/PS,质量比)值从4.8降至0.9左右.当进水OLR从4 g/(L·d)增至12 g/(L·d)时,污泥表面相对疏水性从75.8%降至38.5%,这可能与胞外蛋白分泌量减少及多糖分泌量增加有关.PN/PS值的降低可能是好氧颗粒污泥在高OLR下解体的内在原因.因此,微生物分泌的胞外多聚物(EPS)中较高的PN/PS值利于好氧颗粒污泥的长期稳定运行.