污泥性质对微波预处理-厌氧消化的影响及古菌群落结构分析

污泥性质对预处理强化厌氧消化工艺的效果有较大影响.本研究对比了某实际污水厂A~2O工艺和A~2O-MBR工艺产生的剩余污泥在微波预处理-厌氧消化过程中污泥性质的变化与产气效果,并考察了在预处理和厌氧消化过程中污泥的古菌群落结构变化.结果表明,A~2O工艺剩余污泥有机质含量比A~2O-MBR污泥高出16. 4%(分别为66. 4%和50. 0%),SCOD、溶解性蛋白质和多糖分别为后者1. 24、2. 02和4. 84倍,具有更好的可生物降解性.虽然预处理对生物降解性差的A~2O-MBR污泥有机物释放效果更好,但A~2O污泥在微波预处理-厌氧消化后产甲烷量比相应处理后的A~2O-MBR污泥多26. 1%.两种剩余污泥的古菌群落结构差异较大,A~2O-MBR污泥中甲烷丝菌属和甲烷八叠球菌属丰度分别比A~2O污泥多3. 68%和19. 73%.预处理对古菌群落的丰富度和均匀度影响相对较小,但厌氧消化后波动较大.污泥中有机组分不同是引起古菌群落结构变化的重要影响因素.     

CaO对高浓度污泥厌氧消化性能的影响机理及动力学分析

为解决高固体浓度污泥厌氧消化水解速率慢的问题,采用CaO对高固体浓度污泥进行碱解预处理。采用粒径分析及溶解性COD、蛋白质和多糖浓度监测考察碱解预处理前后污泥物理化学特性的变化,评估碱解预处理对高固体浓度污泥厌氧消化产甲烷潜力及有机物降解规律的影响,研究不同碱量下EPS、细胞壁和细胞膜破解程度对厌氧消化性能的影响机理,分析厌氧消化过程的动力学特性。结果显示:CaO碱解预处理高固体浓度污泥后,污泥粒径变化不明显,而溶解性COD、蛋白质和多糖的浓度均有增加;碱解预处理的破解程度随着碱投加量的增加而增加;碱解预处理后,高固体浓度厌氧消化的累积甲烷产率提升了22.9%~34.8%;分析机理低碱量预处理时只能释放EPS中的有机质,从而促进厌氧消化的累积甲烷产率,而高碱量预处理时,EPS内的有机质和胞内聚合物都得到释放,使累积甲烷产率增加。动力学研究结果表明:碱解预处理可以显著提高污泥甲烷产率,加快厌氧消化速率,并明显缩短延滞期。     

热水解预处理改善污泥的厌氧消化性能

先将污泥进行热水解预处理 ,其后测定生物化学甲烷势(BMP)来研究热水解对污泥厌氧消化性能的影响 .结果表明 ,热水解预处理能加速污泥中固体有机物的溶解 ,溶解后的有机物进一步水解生成低分子物质 ,其中挥发性有机酸占溶解性COD(SCOD)的30%～40% ,从而污泥的厌氧消化性能得到明显改善 .最合适的热水解温度和热水解时间为170℃、30min.此条件下 ,污泥厌氧消化时总COD(TCOD)去除率从预处理前的38.11%提高到56.78% ,污泥中TCOD的沼气产率从16.0mL/g提高到250mL/g .     

去除城市生活污泥中有机络合态金属强化其厌氧生物制气

为提高城市生活污泥厌氧消化沼气产率,本文考察了通过金属络合剂EDTA预处理污泥,以去除城市生活污泥中有机络合态金属,强化其厌氧生物制气的效果.结果表明,经EDTA预处理去除金属后的污泥(实验组)较未预处理的污泥(对照组)的有机络合态金属含量减少[(5.09±0.57)%~(1.37±0.20)%,以TS计],溶解性有机质显著提高(SCOD提升627%),暗示该预处理方法能够极大地去除有机络合态金属并强化污泥有机质的溶出.通过测定污泥有机质溶出表观活化能发现,实验组污泥有机质溶出表观活化能比对照组降低36%,表明预处理能够有效降低有机质溶出反应的能量壁垒.污泥厌氧发酵研究发现,在16d的污泥厌氧产酸实验中,实验组VFAs浓度高于对照组,较对照组最大提升42%;在22 d的污泥厌氧产甲烷测试实验(BMP)中,实验组单位有机质累积甲烷产量比对照组增加48%,表明EDTA预处理对提高污泥厌氧消化产沼气具有重要的作用.通过进一步产沼气动力学研究发现,实验组的产沼气限速步骤在产甲烷阶段,而对照组限制于水解阶段,表明经EDTA预处理能有效地破除城市生活污泥厌氧消化过程的水解限速.     

酸-碱预处理促进剩余污泥厌氧消化的研究

为提高剩余污泥的厌氧消化效率,投加酸和碱对污泥进行预处理,对比分析了不同预处理方式（单独碱处理、酸-碱处理和碱-酸处理）对污泥水解酸化的影响,并研究了各种预处理方式对后续厌氧消化产甲烷效率的影响.结果表明,单独碱处理的溶解性化学需氧量（SCOD）溶出量比酸碱联合处理要大16%左右,预处理第8 d,达到5 406.1 mg.L-1.采用先酸（pH 4.0,4d）后碱（pH 10.0,4 d）预处理,在污泥水解酸化过程中,乙酸产量及其占总短链脂肪酸（SCFAs）的质量分数均高于其他预处理方式,其乙酸产量（以COD/VSS计）可达到74.4 mg.g-1,占总SCFAs的60.5%.酸-碱预处理后污泥混合液的C∶N比值为25左右,C∶P比值在35～40之间,这比单独碱处理和碱-酸处理后的C∶N和C∶P比值更有利于后续厌氧消化.通过对比研究发现,酸-碱预处理后,厌氧消化到第15 d,酸-碱预处理污泥的累积甲烷产量（CH4/VSS加入）达到136.1 mL.g-1,分别是空白对照、碱-酸预处理和单独碱预处理方式的2.5、1.7和1.6倍,厌氧消化效率最高.经过8 d酸-碱预处理和15 d的厌氧消化,挥发性悬浮固体（VSS）总去除率达到60.9%,污泥减量效果比其他预处理要好.很显然,酸-碱预处理方式更有利于污泥厌氧消化及污泥减量化.     

餐厨垃圾渗滤液强化城市污泥消化作用研究

针对城市污水厂污泥热值低、C/N比低,厌氧消化效率低的问题,结合餐厨垃圾渗滤液中有机物含量高、C/N比高的特点,研究了城市污泥、餐厨垃圾渗滤液共消化过程.结果表明:垃圾渗滤液的添加促进了污泥厌氧消化甲烷气的产生,添加生、熟垃圾渗滤液的消化污泥累计产甲烷量分别为542 mL、2102 mL,是未添加渗滤液(参照样)的污泥消化产气量的1.2倍、4.6倍,甲烷单位产量分别为261(参照样)、675.8、971.0L·kg-1(以VS计);同污泥单独厌氧消化相比,添加生、熟垃圾渗滤液能强化污泥VS/TS的去除,其去除率分别为15.3%和26.3%;通过共消化,污泥上清液的SCOD去除率均高于90%,出水COD也基本一致,并未因垃圾渗滤液的添加而发生大的波动.污泥与餐厨垃圾渗滤液的共消化能够促进有机物的去除,强化甲烷气的产生,实现了污泥与渗滤液的稳定化、无害化和资源化.     

酸碱-微波耦合预处理对污泥胞外聚合物溶裂与产甲烷行为的影响

对酸碱-微波耦合预处理后不同EPS组分在污泥厌氧消化行为中扮演的角色进行研究，通过产甲烷潜能实验评价其甲烷转化性能。结果表明:酸碱-微波耦合预处理通过溶出胞内有机物和改变EPS的分布来影响污泥产甲烷行为。甲烷累积产量最优预处理条件为pH=10，微波500 W，预处理时间120 s。此时，预处理后溶解型胞外聚合物（S-EPS）中的溶解性化学需氧量（SCOD）浓度达到11460 mg/L，是对照组浓度的184.5%，累积甲烷产量为89.08 mL/g，较对照组增加59.9%。碱处理（pH=10和12）时，S-EPS对累积甲烷产量的贡献率分别达到了16.6%和30.4%，远高于松散结合型胞外聚合物（LB-EPS）与紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）。在48 d的厌氧消化过程中，S-EPS对产甲烷的贡献率在1~4 d内快速升高，随后缓慢持续下降。因此，酸碱-微波耦合预处理通过强化污泥S-EPS中的多糖、蛋白质等有机质的溶出，促进污泥甲烷化。     

碱耦合机械法处理剩余污泥强化厌氧消化

厌氧水解反应是传统污泥厌氧消化的瓶颈,为提高厌氧消化效率和沼气产量。该实验通过对剩余污泥投加碱耦合机械破解的方式对污泥进行预处理,研究SCOD的溶出效果和污泥粒径的变化以及对后续厌氧消化的影响。结果表明:在投加碱调节污泥pH=11后机械破解20 min可以使污泥的SCOD从267 mg/L达到15 824 mg/L,粒径从初始的61.37μm减小到6.06μm。50%的投配比加入到厌氧反应器中进行消化反应后,与对照组相比,污泥稳定时间缩短了8 d,产气率提高70%以上,甲烷含量提高了22%,同时污泥VSS去除率提高了9.73%,厌氧消化效果明显改善,在一定程度上实现了污泥减量与资源化。     

热碱-分步酶水解-厌氧消化工艺处理秸秆畜粪混合物料及其甲烷高值化条件

为获得秸秆畜粪混合物料在厌氧消化过程中的甲烷高值化产出,提出了一种新型“热碱-分步酶水解-厌氧消化”组合工艺。以玉米秸秆和牛粪混合物料作为实验对象,考察物料中纤维素、半纤维素、蛋白质获得高溶出效率的热碱预处理条件;分步投加纤维素酶和蛋白酶的剂量及水解时间;热碱预处理后的混合浆液和热碱-酶水解后的混合水解液厌氧消化甲烷产率及产气周期。结果表明,在80°C和0.5%NaOH碱用量条件下,纤维素、半纤维素和蛋白质的溶出效率(%TS)最高,与未预处理相比(对照组),分别提高24.84%、12.24%和8.92%;分步酶水解的过程和条件为:先投加80U·g-1的纤维素酶水解18h,再投加20U·g-1的蛋白酶水解4h,纤维素和蛋白质的水解效率可分别达到74.08%和74.01%,获得的水解液中糖类提高12~32倍;在厌氧消化阶段,热碱-酶水解后的水解液甲烷产量最高值可达750mL·h-1,产气周期50h,相比于热碱预处理后的底物消化(对照组),产甲烷效率提高了约14倍,产气周期缩了短约17d。热碱-酶水解预处理能有效地解除混合物料厌氧消化过程的水解限速,研究结果可以为开发高效的农业废弃物能源高值化利用技术提供参考依据。     

预处理方式对剩余污泥水解及厌氧产甲烷性能的影响

考察了不同的预处理方式对剩余污泥水解及厌氧消化产甲烷过程的影响。研究结果表明:低温热碱预处理对污泥的水解效果最好,剩余污泥中SCOD及可溶性总糖、蛋白质溶出效果大幅提升,SCOD溶出率达到16.6%;执行三种方式预处理后,后续厌氧消化的效率得到明显改善,剩余污泥经碱处理、低温热水解和低温热碱处理后,厌氧消化的产气量较未预处理污泥分别提高了75.6%、72.9%和83.7%。     

高温预处理强化污泥与餐厨垃圾共消化

污泥和餐厨垃圾共消化具有提高污泥稳定化的作用,为进一步强化污泥与餐厨垃圾共消化效果,提出高温预处理强化污泥与餐厨垃圾中温厌氧共消化的运行策略,并从宏观和微观2个层面探讨了共消化系统的运行机制。结果表明：污泥与餐厨垃圾经过1 d高温预处理后,其SCOD/TCOD从33.9%提高到65%;中温厌氧消化时的甲烷产率和有机物去除率高达0.54 L/g和78.8%(SRT=20 d)、0.76 L/g和56.6%(SRT=15 d),略高于某实际餐厨废弃物及市政污泥协同处理项目一期的0.53 L/g和53.5%,该项目采用150～170℃高温、1 MPa高压热水解进行预处理;采用Illumina MiSeq测序技术得出水解酸化菌属如Porphyromonadaceae、Draconibacteriaceae、Eubacterium和Romboutsia在高温预处理后的共消化系统中得到富集,促进了系统的水解和产酸过程,为系统中产甲烷菌Archaea提供了丰富的基质,强化了污泥与餐厨垃圾共消化产气效果。     

蒸汽爆破对污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化的促进效果

鉴于蒸汽爆破（简称"汽爆"）预处理对污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化的影响还鲜有报道,为探讨汽爆预处理对污泥和餐厨垃圾联合中温厌氧消化的促进效果及经济可行性,利用小型发酵罐在35℃下开展了未预处理污泥和餐厨垃圾联合消化、汽爆污泥单独消化、汽爆污泥和餐厨垃圾联合消化的试验,并进行能耗分析.结果表明,未预处理污泥与餐厨垃圾联合消化阶段,VS（挥发性固体）去除率为33.9%,沼气产率为311.0 mL/g（以投料VS计）;汽爆污泥单独消化阶段,VS去除率和沼气产率均略高于未预处理污泥与餐厨垃圾联合消化阶段,但反应器ρ（NH₄+-N）过高,影响产气稳定性,沼气φ（CH₄）较低.汽爆污泥与餐厨垃圾联合消化阶段,VS去除率和沼气产率分别达到49.5%和420.5 mL/g,显著优于未预处理联合消化阶段.能耗分析表明,预处理的升温过程使汽爆预处理整体能耗偏高,但若能有效回收70%的热量,则汽爆预处理可提高污泥-餐厨垃圾联合中温厌氧消化工艺3.34 kW·h/t（以污泥量计）的能量产率.研究显示,汽爆预处理可提高污泥和餐厨垃圾联合中温厌氧消化工艺35.2%的沼气产率,但由于预处理能耗较高,预处理过程中热能的有效回收是汽爆预处理应用于污泥和餐厨垃圾联合中温厌氧消化经济可行的关键.      

多元混合物料协同促进厌氧消化产甲烷性能试验研究

为评估农牧废弃物多元物料混合厌氧发酵对产甲烷性能的协同促进作用,研究了中温（37±1）℃和固体质量分数为12%时,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合原料的厌氧消化产甲烷性能,最后应用修正的Gompertz方程分析甲烷生产的动力学过程.结果表明：3种物料混合厌氧发酵发生了明显的协同促进作用,协同效应作用值为34.85%~70.39%,贡献效果显著（P<0.05）;当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS混合比例为50：20：30时,甲烷产率、累计甲烷产量和VS降解率达到最大值,分别为286.0mL/g VS、20713mL和65.6%,比单一牛粪、蔬菜废弃物以及玉米秸秆厌氧消化甲烷产量分别提高了32.9%、229.9%和82.0%.修正的Gompertz方程能较好反映物料厌氧消化产甲烷过程,拟合结果的R²均大于0.99,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为50：20：30时具有最大产甲烷速率17.34mL/（d×g）和较短的迟滞时间2.97d.该研究结果可为农牧废弃物多元混合物料厌氧消化产沼气工程提供参考.     

不同类型秸秆对污泥厌氧消化特性及细菌群落结构的影响

为促进污水处理厂污泥及农作物秸秆的资源化利用,探讨不同类型秸秆（玉米、小麦、水稻）对污泥厌氧消化特性、产气效果及细菌群落结构的影响,在中温〔（35±1）℃〕下,研究了污泥与秸秆按不同质量比（1:0、1:0.5、1:1、1:1.5）联合厌氧消化对污泥C/N（碳氮比）和厌氧消化环境中pH、ρ（NH₄+-N）、ρ（VFAs）（VFAs为挥发性脂肪酸）、日均沼气产量及φ（CH₄）、细菌群落的特征变化,以未添加秸秆的污泥厌氧消化为CK（对照）.结果表明:不同类型秸秆的添加对厌氧消化体系的pH、ρ（NH₄+-N）、ρ（VFAs）均产生显著影响,秸秆的加入明显提高了厌氧消化体系的产气量.联合厌氧消化可通过优化厌氧消化底物的C/N,从而增加ρ（VFAs）和φ（CH₄）.其中,污泥与玉米秸秆质量比为1:1.5时对厌氧消化的促进作用最为显著;其沼气日产量为2 303.08 mL,比CK（536.15 mL）提高了3倍以上,而沼气中φ（CH₄）最高为54.49%,比CK（37.07%）提高46.99%.此外,不同类型秸秆的添加也可通过改变细菌群落结构从而促进秸秆降解,增加ρ（VFAs）和提高沼气产量,特别是添加秸秆后,Bacteroidetes会逐渐取代Proteobacteria成为主要的产酸菌种,从而导致ρ（VFAs）增加.研究显示,污泥与秸秆联合厌氧消化可改善污泥营养结构,改变细菌群落结构,提高沼气产量.      

碱浸泡预处理对固体有机物厌氧消化的影响研究

为提高稻草的产气量并确定最理想的NaOH用量,采用不同浓度的NaOH溶液对稻草进行了浸泡预处理,并在完全混合厌氧消化工艺条件下,分析消化过程的pH值、VFA、COD和产气量等随时间的变化情况.结果表明,在经过NaOH溶液的浸泡处理以后,稻草厌氧消化的气体产量提高了38%～119%,其中甲烷含量从46%提高到59%,VS的去除率从38%提高到51%.实验证明,NaOH溶液对稻草的厌氧消化能力具有显著的促进作用,但Na 的存在也对消化造成了一定的阻抑作用.综合考虑实验结果后认为,浓度为6%的NaOH溶液的处理效果最为理想.     

超声联合低温热水解促进剩余污泥破解和厌氧消化的研究

为了探索超声和低温热水解预处理技术对剩余污泥厌氧消化性能的影响,进行了单独超声、单独热水解和二者联合的实验研究.以温度和超声能量为控制参数,研究了不同预处理技术对污泥破解度DD（Disintegration degree of SCOD）和有机质溶出的影响.结果表明：联合预处理技术对DD和有机质浓度的增加效果比超声和热水解单独作用之和分别高4.04%、36.62mg/L. DD和实际输入能量之间存在较高的线性相关性（R²=0.977）,即在本研究条件下,输入能量越高,污泥破解效果越好.超声和热水解联合预处理后污泥厌氧消化产甲烷量较原泥增加了30.2%～55.4%.DD和厌氧消化性能之间存在二次非线性关系（R²=0.821）,且厌氧消化性能最高达到877.76LCH₄/kg VSS去除,该峰值出现在超声能量12000kJ/kg TS和热水解温度80℃联合作用条件下.