沼液回流对秸秆与污泥混合中温厌氧消化的影响

为了提高秸秆与市政污泥混合厌氧消化的消化产率,以秸秆污泥混合物作为底物,在批次实验中研究不同沼液回流对中温(35℃)混合厌氧消化过程的影响。实验采用0%、20%、30%、40%、50%和60%等6种不同的沼液回流量,分析不同沼液回流量下产气量、甲烷含量、发酵过程氨氮含量、sCOD、总挥发酸(VFAs)的变化情况。结果表明:50%的沼液回流产气量和甲烷产量均最大,分别是1 645 m L和797.5 mL,TS和VS去除率达到17.5%和47.8%,单位VS甲烷产量为613.45 mL·g-1,较未加沼液的发酵瓶提高了37.7%,且无VFAs积累。过高的沼液回流量提升了厌氧反应的氨氮浓度,对厌氧产气过程产生了抑制。50%沼液回流量可以作为秸秆污泥混合厌氧消化最佳回流量。     

藻渣添加对玉米秸秆厌氧发酵特征的影响

厌氧发酵是农业废弃物资源化的有效途径之一.将农业废弃物同其他富含氮元素的有机废物混合发酵能够有效地提高产气效率.以玉米秸秆为例,尝试利用藻渣作为添加剂,提高农业废弃物厌氧发酵的性能.实验主要研究了混合发酵比例对沼气产量、甲烷产量、沼渣沼液特征的影响.当玉米秸秆、藻渣和接种污泥的挥发性固体质量分数为10∶ 2∶2时,沼气产率最高可达421.0 mL/g,甲烷产率为218.7 mL/g.沼渣组分分析表明,纤维素和半纤维素降解效率分别为83.7％和68.4％,和对照相比纤维素的降解效率显著提高.结果表明,藻渣的添加能够有效地促进玉米秸秆厌氧发酵产甲烷过程.     

添加NaOH对水生植物固体厌氧发酵产甲烷的作用

为了提高木质纤维素生物质的甲烷产率,固体厌氧发酵以及预处理技术得到了广泛应用。本研究以水生植物菹草为例,探讨了厌氧固体发酵同步碱处理提高甲烷产率的可行性。采用2种来源的微生物(厌氧污泥和牛粪),初始生物质浓度为20%TS(total solid,总固体重量),考察不同的NaOH添加量(基于反应体系总TS 0%、2.0%、3.5%和5.0%)对菹草厌氧发酵产气和固体水解效率的影响。结果表明,与对照实验组相比,初始NaOH加入量为3.5%时,接种污泥和牛粪的实验组中甲烷总产量分别为787.1 mL和1 165.4 mL,与对照实验组相比(619.1 mL和834.8 mL),分别提高了27.1%和39.6%,而且接种牛粪的实验组中单位挥发性固体(VS)产甲烷率最高,为186.5 mL/g。对发酵后的木质纤维素残渣组分进行分析,结果表明,NaOH有助于促进菹草中纤维素及半纤维素的分解,以及木质素结构的破坏,从而提高了菹草厌氧发酵产气产甲烷效率。     

小麦秸秆预处理对厌氧消化性能的影响研究

针对小麦秸秆厌氧消化水解限速步骤,研究了酸、碱和污泥发酵消化液(以下简称消化液)预处理对小麦秸秆厌氧消化性能的影响。结果表明,酸和消化液预处理可以加速小麦秸秆水解酸化,在厌氧发酵第4天时产气中测得甲烷,早于对照和碱预处理。与对照相比,酸、消化液和碱预处理后小麦秸秆和污泥共消化体系的产气量可分别提高13.7%、12.0%和9.2%,产甲烷量可分别提高7.4%、9.5%和5.2%,但碱预处理会延滞厌氧消化产甲烷阶段。厚壁菌门(Firmicutes)是厌氧消化反应器中最主要的菌门,主要包括己酸菌属(Caproiciproducen s)、乙醇生孢产氢菌属(Hydrogenispora)、瘤胃梭菌属(Ruminiclostridium)、罗伊氏乳杆菌属(Lactobacillus)和Ruminiclostridium_1属等,其中己酸菌属和乙醇生孢产氢菌属可以作为小麦秸秆和污泥共消化的监测指标,在厌氧消化前期反应器中微生物主要为己酸菌属,而后期主要为乙醇生孢产氢菌属。     

热处理对脱水污泥溶解特性及厌氧消化性能的影响

分别对脱水污泥在100、130和170℃条件下进行热处理,研究热处理对脱水污泥溶解特性的影响。此外,在半连续式完全混合反应器中进行厌氧消化实验研究不同热处理污泥的厌氧消化性能。实验结果表明,在100、130和170℃条件下,污泥COD溶解率由处理前的5.23%分别提高至20.08%、22.50%和27.20%,脱水污泥热处理规律和效果与高含水率污泥(总固体含量<5%)基本一致。经130℃2 h和170℃30 min高温热处理后污泥甲烷产率显著提高,较原泥分别提高24.64%和38.61%,沼气中甲烷含量稍有降低。     

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。     

污泥和香蕉秸秆的配比对其厌氧消化特性的影响

城市污水处理厂污泥与香蕉秸秆以不同配比(质量比1∶0、2∶1、3∶1、1∶1、1∶3、1∶2和0∶1)进行中温((35±1)℃)厌氧消化实验,研究了不同配比下的产气特性,并考察了消化过程中消化液的挥发性脂肪酸(VFA)、溶解性化学需氧量(SCOD)、溶解性蛋白质、溶解性多糖以及总固体(TS)和挥发性固体(VS)的变化。结果表明:(1)污泥与香蕉秸秆进行混合厌氧消化可以明显提高系统的产气量。当污泥和香蕉秸秆的配比为1∶2时,累积产气量可达到339.12L/kg,分别比污泥和香蕉秸秆单独消化时提高了17.36%、31.25%。(2)当污泥与香蕉秸秆配比为1∶2时,TS、VS、SCOD、溶解性蛋白质和溶解性多糖的去除率都达到最大,分别为37.50%、22.66%、70.25%、58.71%、85.39%,此厌氧消化系统的稳定性良好。     

响应面法优化香蕉秸秆与猪粪混合厌氧发酵工艺研究

将香蕉秸秆与猪粪混合后厌氧发酵,考察粪秸比(猪粪干物质占发酵原料干物质的质量分数)、厌氧污泥接种量(厌氧污泥占发酵料液的质量分数)和发酵温度对总产气量的影响。在此基础上,通过响应面法对厌氧发酵工艺进行优化,并建立总产气量与粪秸比、厌氧污泥接种量、发酵温度的二次回归模型。研究结果表明,建立的二次多项式数学模型具有高度显著性,模型拟合度、精确度高,数据合理。最佳工艺条件为:粪秸比为35.34%,厌氧污泥接种量为61.40%,发酵温度为40.27℃。在此条件下,总产气量的预测值为15 779.2mL,试验值为15 620.5mL,二者相对偏差为1.01%。可见,所得模型能够较好地优化发酵条件并预测总产气量,可为提高香蕉秸秆与猪粪混合厌氧发酵产气量及提高发酵效率提供一定参考。     

水稻与棉花秸秆不同预处理厌氧发酵产沼气

以猪粪为接种物,以棉花秸秆和水稻秸秆为发酵原料,分别对秸秆进行稀碱法预处理和稀碱法与超声波联合预处理,在发酵温度为(37±1)℃的条件下进行厌氧发酵产沼气的研究。结果表明,以联合预处理的秸秆为发酵原料,厌氧发酵的各项指标均比以稀碱预处理秸秆发酵的效果好,其中累积产气量和沼气中甲烷含量分别提高35.23%和2.4%,发酵后TS、VS含量相对减少2.6%～10.94%,发酵液代谢产物中的有机酸丙酮酸、乙酸和柠檬酸含量相对减少23.9%～25.9%、20.24%～24.53%和41.08%～45.91%。     

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。     

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。     

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。     

工程规模下碱类型对污泥预处理效果及发酵产酸的影响

研究了工程规模下3种碱对剩余污泥热碱预处理效果以及厌氧发酵产酸的影响。结果表明,平均进泥浓度为70 g·L~(-1)时,氢氧化钠的预处理效果要优于混碱(Ca(OH)_2:NaOH=4:1)和过氧化钙,处理后污泥中溶解性化学需氧量(SCOD)的平均浓度是预处理前的8.45倍,水解率达到64.26%。但是,使用过氧化钙进行预处理可以有效提高污泥的发酵产酸效果,产酸效率明显优于混碱和氢氧化钠,总挥发性脂肪酸(TVFAs)的平均浓度为7.93 g·L~(-1),产酸率(以COD计)为273.93 mg·g~(-1)VSS,且总酸中乙酸比例达到60.35%;发酵后平均TSS和VSS分别下降了24.42%和47.62%;同时,氨氮(NH_4~+-N)和总磷(TP)浓度最低,其平均浓度分别为286.33 mg·L~(-1)和17.42 mg·L~(-1)。此外,混碱组、过氧化钙组和氢氧化钠组污泥厌氧发酵的净利润分别为229.14、257.37和10.49元·t~(-1)(脱水污泥)。实验结果表明,热混碱和热过氧化钙预处理用于污泥厌氧发酵有望得到广泛的应用。     

猪粪与酒糟混合厌氧发酵的产甲烷和三元pH缓冲体系特征

以猪粪和酒糟为发酵原料,考察了5种混合比例(猪粪与酒糟总固体含量(TS)比100:0、95:5、90:10、80:20、50:50)下混合厌氧发酵的产甲烷特性,并研究了其三元pH缓冲体系特征。结果表明,混合比例显著影响猪粪与酒糟混合发酵的甲烷产率(P0.05)。当猪粪与酒糟TS比为95:5时,甲烷产率最大(271 mL·g~(-1)(VSadded)),比纯猪粪厌氧发酵的甲烷产率提高了6.2%。纯猪粪、猪粪与酒糟TS比为95:5的2组累积产甲烷量符合修正Gompertz方程(R~2=0.993 3;R~2=0.989 6),无明显滞后期。酒糟含有的大量硫酸盐影响了甲烷产量。VFAs-氨氮-TIC三元pH缓冲体系特征的研究结果表明,由于酒糟的碱度严重缺失,酒糟添加量过大时,体系偏离合适的pH缓冲区域,体系酸度过高,抑制了厌氧发酵的进行。     

不同预处理方法对脱水污泥厌氧消化的影响

以城市污水厂脱水污泥为对象,研究不同预处理方法(低温水热、HCl、H_2O_2、HCl+低温水热、H_2O_2+低温水热、HCl+低温水热+HAc、H_2O_2+低温水热+HAc)对污泥可溶化率和后续厌氧消化产气的影响。实验结果表明,HCl添加量越大,p H越低;H_2O_2添加量越大,污泥可溶化效果越好。H_2O_2+低温水热+HAc可溶化效果最为显著,经预处理后溶解性化学需氧量(soluble chemical oxygen demand,SCOD)是原泥的13.4倍,溶解性碳水化合物为原泥的4.1倍。可溶化效果与预处理方式均对挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFA)有影响。预处理条件为HCl+低温水热或H_2O_2+低温水热时,污泥自身VFA含量有较大幅度增加。生物化学甲烷势(biochemical methane potential,BMP)实验显示,甲烷产率提高与产气高峰提前呈正相关;添加HAc可有效提高微生物对污泥的代谢,有利于甲烷产率的提高。预处理条件为H_2O_2+低温水热+HAc时的甲烷产率最大,比原泥甲烷产率提高了57.63%,优于已有研究成果。     

污泥预处理强化厌氧水解与产甲烷实验研究

污泥传统厌氧消化因水解瓶颈而导致有机物转化甲烷产率低下.选择适当工况对污泥实施预处理可同时实现对污泥中木质纤维素破稳和污泥微生物细胞破壁,从而释放出较多溶解性COD(SCOD),使有机物水解变得容易进行,最终导致甲烷产率大幅提高.本研究通过热水解(T=150℃,t=30 min)、超声波(P =500 W,t=2 h)、碱解(pH =13,t=2h)和酸解(pH =2,t=2 h)等4种预处理方式对原污泥实施最优工况预处理,分别获得了50.9％、39.1％、31.0％和22.4％的COD溶出率.对预处理后污泥进行传统条件下(SRT =20 d)厌氧消化,分别获得了53.6％、40％、26.8％和24％的甲烷产率(mL/g VSS)增量.同时,预处理后污泥中木质纤维素类物质降解率亦大大增加.缩短SRT(10 d)会导致传统厌氧消化甲烷产率急剧减少,但是,污泥预处理却非常有利于甲烷产率的提高,因此可通过外在预处理方式来逾越内在厌氧水解的瓶颈.     

热碱-EDTA耦合法强化污泥破解及效果分析

采用热碱-EDTA耦合法进一步提升热碱法破解污泥的效果,以期减少碱量和热能的消耗。选用影响污泥破解效果的pH、温度和EDTA投加量等因素设计L_(16)(4~5)的正交实验,在得出最佳污泥破解条件下,对比考察了热碱法和热碱-EDTA耦合法破解污泥的效果。结果表明,热碱-EDTA耦合法相比热碱破解法,破解后SCOD、TN、TP、多糖和蛋白质溶出量分别提高了14.7%、5.6%、9.9%、3.6%和25.9%,污泥残渣中VS的含量(21.93%)也小于热碱破解法(29.68%),破解液中分子质量小于400 Da的小分子物质占比(40.68%)大于热碱破解的对应结果 (32.34%)。通过污泥粒径测定和SEM观察发现,热碱-EDTA耦合法破解的污泥粒径分布峰值响应小于热碱破解,污泥固体分散性优于热碱破解。通过分析可知,热碱-EDTA耦合法可以提高中低温条件下热碱破解的有机物溶出率和有机物水解性能,降低污泥残渣中VS的相对含量,热碱-EDTA耦合法相比热碱法强化了污泥的破解效果。     

不同粒径零价铁（ZVI）对污水污泥H_2S和CH_4释放速率的影响

考察了不同粒径零价铁（ZVI）,包括200目普通铁粉（200m-ZVI）、800目超细铁粉（800m-ZVI）和纳米铁粉（nZVI,粒径=20 nm）,对污水污泥的硫化氢和甲烷释放速率的影响。研究发现：（1）在22 d内,添加0.1%的200m-ZVI使污泥的硫化氢释放速率提高48.0%,而添加0.1%的800-ZVI和nZVI,则使污泥的硫化氢释放速率分别降低33.1%和77.1%;（2）不同粒径ZVI均可以提高污泥沼气中的甲烷浓度,且依次为nZVI〉800m-ZVI〉200m-ZVI;（3）在23 d内,添加0.1%的200m-ZVI和nZVI使污泥的甲烷累计产生量分别提高了15.5%和40.6%,而添加0.1%800m-ZVI则使甲烷产生量降低了12.5%。nZVI可以有效控制污泥的硫化氢释放,并显著提升污泥在厌氧发酵过程的产甲烷速率。     

不同粒径零价铁(ZVI)对污水污泥H2S和CH4释放速率的影响

考察了不同粒径零价铁(ZVI),包括200目普通铁粉(200m-ZVI)、800目超细铁粉(800m-ZVI)和纳米铁粉(nZVI,粒径=20 nm),对污水污泥的硫化氢和甲烷释放速率的影响。研究发现:(1)在22 d内,添加0.1%的200m-ZVI使污泥的硫化氢释放速率提高48.0%,而添加0.1%的800-ZVI和nZVI,则使污泥的硫化氢释放速率分别降低33.1%和77.1%;(2)不同粒径ZVI均可以提高污泥沼气中的甲烷浓度,且依次为nZVI>800m-ZVI>200m-ZVI;(3)在23 d内,添加0.1%的200m-ZVI和nZVI使污泥的甲烷累计产生量分别提高了15.5%和40.6%,而添加0.1%800m-ZVI则使甲烷产生量降低了12.5%。nZVI可以有效控制污泥的硫化氢释放,并显著提升污泥在厌氧发酵过程的产甲烷速率。     

基质组分对厨余与污泥共发酵动力学特性的影响

通过厌氧发酵4阶段动力学实验、产甲烷抑制实验及单一VFA的产甲烷动力学实验,探明了厨余和污泥共发酵过程中,典型组分对其潜在的酸积累类型以及甲烷化过程的影响。结果表明,不同基质组分在厌氧发酵过程中的VFA组成比例以及单一VFA的产甲烷化动力学特性,对其产甲烷潜能及速率有着决定性影响。乙酸的甲烷化速率高达44.80 mL·d~(-1),丁酸略慢于乙酸,而丙酸和戊酸的甲烷化速率不足乙酸的1/2,其中丙酸的延滞期长达1.76 d。因此,产酸类型以乙酸为主的污泥、菜类在产甲烷阶段不存在延滞期;而蛋肉类及油的产甲烷速率受到丙酸、戊酸动力学特性的影响相对较慢。通过调整共发酵基质配比不仅能够提高发酵潜能,还能够优化VFA组成比例,实现较高的甲烷产率及甲烷化速率。