餐厨垃圾的高温厌氧消化处理研究

在55℃条件下,研究了餐厨垃圾高温厌氧消化过程中pH、VFA、总磷、产气量以及COD、TS和VS的变化,结果表明：在消化过程中pH先下降后上升,总VFA浓度增大,而其中游离态VFA浓度先增大后减少。消化过程总产气量为43 211 mL,整个过程消耗TS的平均产气率为158.98 mL/g TS,COD去除率为38.76％,总磷去除率达到98.87％,底物TS和VS去除率分别31.71％和50.24％。经过厌氧消化处理,沼渣中不含对人体和许多动物有害的沙门氏菌、痢疾杆菌、大肠杆菌及粪大肠杆菌,而富含有机质、氮、磷和钾等的营养物质和芽孢杆菌、防线菌等有益菌种。     

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。     

餐厨垃圾厌氧共消化研究进展

餐厨垃圾厌氧发酵系统长期运行时极易失衡,且失衡机制错综复杂;而且,目前缺乏对餐厨垃圾厌氧发酵消化性能的有效调控策略,这限制了餐厨垃圾厌氧消化技术的发展和应用。餐厨垃圾与其它基质进行厌氧共消化不仅能解决餐厨垃圾单一消化的性能限制问题,还可以实现废物的互相利用和资源回收。梳理了餐厨垃圾厌氧消化面临的问题及挑战,深入探讨了餐厨垃圾与其它生物质联合厌氧共消化的协同效应及影响因素,总结了提升餐厨垃圾厌氧共消化性能的强化策略,以期为餐厨垃圾厌氧共消化技术研究提供参考。     

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。     

酸化餐厨垃圾厌氧消化产氢研究

分析了餐厨垃圾酸化过程中的pH、挥发性脂肪酸(VFA)产量及含水量等参数的变化,考察了酸化餐厨垃圾厌氧消化过程中的产氢情况,并探讨了调节初始pH对酸化餐厨垃圾产氢的影响.结果表明,餐厨垃圾的酸化是一个前期极为快速的过程,经过1d的酸化,新鲜餐厨垃圾的pH就从6.0左右下降到4.5左右,而后pH缓慢下降,经过5～6 d的酸化,pH下降到4.0以下;餐厨垃圾酸化过程中,产生的VFA主要是异戊酸,其浓度变化与VFA的浓度变化趋势较为一致;酸化时间为1、3、4、5、6d的餐厨垃圾体系产生的氢气的最高体积分数呈递减趋势,产氢量也呈现出相同的变化趋势;初始pH对酸化餐厨垃圾体系的产氢影响是很大的,调节到相同初始pH的不同体系,产氢的结果可以相近.因此,pH是酸化餐厨垃圾厌氧消化产氢过程中必须控制的关键因素之一.     

竹叶与餐厨垃圾厌氧共消化工艺

将黄金竹和毛竹的竹叶分别与餐厨垃圾厌氧共消化,通过分析消化过程中的产气量、pH、COD、NH4+-N和VFAs变化,探讨添加不同竹叶对餐厨垃圾厌氧消化效果的影响。实验结果表明,添加毛竹叶显著增强了餐厨垃圾的厌氧消化能力。毛竹叶+餐厨垃圾组的总产气量是餐厨垃圾对照组单独厌氧消化总产气量的3.28倍,甲烷总产量为10.1 L,COD去除率高达83.0%。而添加黄金竹叶对餐厨垃圾厌氧消化的影响则不明显,可能因为黄金竹叶在消化过程中释放了大量挥发性脂肪酸(VFAs),造成体系酸中毒。     

消化液回流比与有机负荷率对餐厨垃圾厌氧消化的影响

在试验的基础上研究了消化液回流比与有机负荷率(OLR)对餐厨垃圾厌氧消化的影响.试验通过改变OLR、消化液回流比等参数来控制其运行.研究发现,当回流比从零提高到180%时,OLR分别为9.933、14.900 g/(L·d)的厌氧消化系统COD去除率分别从79.45%、80.13%上升到81.98%、83.33%;当OLR为19.866 g/(L·d)时,提高回流比会造成COD去除率的下降.系统在较低负荷运行时,回流比的提高使系统的产气率有明显的增加.研究认为,180%的回流比仅适用于低OLR(9.933、14.900 g/(L·d)),当系统处于高OLR(19.866 g/(L·d))时,高回流比会造成挥发性脂肪酸(VFA)和钠离子的积累,进而影响消化系统的性能.     

不同园林废弃物对污泥和餐厨垃圾厌氧消化的影响

将甘蔗叶、小心叶薯和合欢按不同的物料配比加入到污泥和餐厨垃圾中,考察了3种园林废弃物对污泥和餐厨垃圾厌氧消化处理的影响.实验结果表明,添加小心叶薯、甘蔗叶和合欢可显著提高污泥厌氧消化的沼气总产量以及甲烷总产量.当污泥与甘蔗叶以5:3的湿质量比混合时厌氧消化效果最佳,此时沼气总产量、甲烷总产量分别为污泥对照组的22.4、37.7倍.然而,甘蔗叶对提高餐厨垃圾厌氧消化效果的作用有限,合欢对餐厨垃圾厌氧消化具有明显抑制作用,添加合欢后沼气总产量比餐厨对照组低48％.     

脂肪酶对餐厨垃圾厌氧产气的影响

在序批式厌氧反应器中探究了脂肪酶对餐厨垃圾厌氧消化的影响,结果表明脂肪酶能强化甲烷的积累量,且最佳的脂肪酶投加量为0.4 g·L-1,相应的甲烷积累量为356 mL·g-1 VSS,该数值是空白对照组的1.3倍。进一步机理研究表明脂肪酶能够促进溶解性COD的释放,提高生物脱氢酶的活性而减少长链挥发性脂肪酸的积累,进而提高甲烷的积累量。     

生物炭加速餐厨垃圾厌氧消化的机理

为考察生物炭对餐厨垃圾厌氧消化的影响并探究其影响机理,采用批次实验,以餐厨垃圾为基质,设置污泥空白组、餐厨垃圾对照组和生物炭实验组。检测系统的甲烷日产量、甲烷浓度、渗滤液pH、电导率、挥发性脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）和氨氮浓度,并对生物炭进行了表征（pH、表面元素、表面形态和官能团）。结果表明,生物炭的添加使体系的最大日甲烷产量提高24.09%,并保持较高的pH,乙酸、丙酸、丁酸峰值分别降低了10.46%、9.96%和13.79%。生物炭丰富的孔结构为微生物提供了生长位点;生物炭的表面金属元素（K、Ca、Mg）和官能团（—OH、C≡C、—NH、C＝O（C—O）、 CO 3 2 - ）使其具有较高的碱度,从而提高厌氧消化系统的缓冲能力和产甲烷菌活性,进而提高产甲烷速率。     

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 mL·g-1 (以TS计),甲烷产率可达到375 mL·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%。     

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。     

接种量对餐厨垃圾中温厌氧产甲烷潜能的影响

以接种量作为餐厨垃圾厌氧消化进料负荷的衡量参数,研究不同接种量对餐厨垃圾中温产甲烷潜能的影响,确定餐厨垃圾中温厌氧消化最适接种量。实验设置10%、15%、20%、25%、30%和35%等6种不同的接种量,分析不同接种量之间产气量、甲烷含量、发酵前后总固体（TS）和挥发性固体（VS）、发酵过程中总挥发酸（VFAs）的变化情况。实验结果表明,发酵6 d后,所有发酵瓶罐均无气体产生,35%接种量导致系统酸化;30%和25%接种量时,发酵液维持较高的VFA浓度,在发酵结束后仍有较高浓度的VFA残留,这说明虽然该接种量下系统可以运行,但酸化产生的VFA并未充分转化为甲烷;10%、15%和20%接种量的发酵罐则能够将产生的VFAs利用掉,相比之下,接种量为20%时产气量最大,甲烷含量达到52.88%,TS和VS的去除率也能达到32.11%和38.24%,因此,20%接种量可作为后续实验的最适接种量。     

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·（m3·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·（m3·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·mL-1,产甲烷菌最高为7.08×108个·mL-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。     

餐厨垃圾高温厌氧消化产沼气的试验研究

探究了温度、含固率、pH及接种率对餐厨垃圾厌氧消化产沼量的影响,并设计L9(34)正交试验进行厌氧发酵工艺优化研究。结果表明,在温度为55℃、含固率为8%(质量分数)、pH为7.00、接种率为90%(质量分数)时,厌氧发酵累积产沼量为809.0mL/g(以挥发性固体计);各影响因素对产沼量的影响大小为温度pH接种率含固率。     

餐厨垃圾高温产甲烷的高盐度抑制及恢复性研究

为了研究餐厨垃圾高温(55℃)厌氧消化条件下,高浓度NaCl对产甲烷的抑制及除盐后的产甲烷恢复情况,建立了4组血清瓶实验分别研究在较低NaCl质量浓度(5 g/L,A组)、NaCl质量浓度突然增加(20 g/L,B组)以及在不同的高浓度NaCl抑制时间后采取除盐处理(C、D组)对餐厨垃圾产甲烷的影响。结果表明,当NaCl质量浓度为5 g/L时,高温厌氧消化甲烷产量和浓度在前期逐渐上升,最高分别可以达到27 mL/d和71.3%;当NaCl浓度升高至20 g/L后,甲烷产量在2 d之内迅速下降,之后逐渐降低,甲烷日产量低于1 mL/d,产甲烷抑制作用明显;而在NaCl质量浓度由20 g/L降低至5 g/L之后,甲烷产量又有不同程度的恢复,其中在高浓度NaCl条件下5 d之后降低其浓度的C组实验相比15 d之后才降低浓度的D组实验甲烷产量恢复效果要好;同时甲烷浓度的变化也受到NaCl浓度变化的影响,NaCl浓度增大会导致产气中甲烷浓度降至30%~35%,而减小NaCl浓度之后,甲烷浓度可以恢复至50%~58%。     

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(P<0.05),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。     

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。