预处理破稳污泥木质纤维素并厌氧降解实验研究

剩余污泥中往往含有大量木质纤维素物质,其在厌氧消化过程中难以降解,最终残留于熟污泥中,这也是导致污泥有机物稳定并转化能源效率低下的主要原因之一.针对污泥中木质纤维素的结构稳定性,本实验选择酸、碱、热解及超声波4种预处理方式,采用适宜的条件预处理剩余污泥,在一定程度上破坏污泥中木质纤维素结构,继而进行污泥厌氧消化,获得了较好的木质纤维素降解率.同时,实验筛选出热解为最佳的预处理技术方式.在T=150℃与t=30 min预处理工况下,污泥在厌氧消化后最高可实现52.6%的木质纤维素降解率,主要归功于半纤维素和纤维素的大幅降解.相对未预处理污泥,预处理能有效促进木质纤维素类物质的厌氧消化,从而提高污泥有机质的能源转化率.     

污泥厌氧消化预处理的研究进展

城市污水在污泥厌氧消化时，时间长，且产气量较低。污泥的厌氧消化包括水解、酸化、产乙酸、产甲烷等过程。研究发现，在污泥的厌氧消化中固态物的水解、液化是主要的控制过程。本文介绍了几种预处理方法：机械预处理、超声波预处理、臭氧氧化预处理和加碱预处理。改变污泥的特性，利于后续厌氧消化的处理。     

污泥厌氧消化预处理的研究进展

城市污水在污泥厌氧消化时，时间长，且产气量较低。污泥的厌氧消化包括水解、酸化、产乙酸、产甲烷等过程。研究发现，在污泥的厌氧消化中固态物的水解、液化是主要的控制过程。本文介绍了几种预处理方法：机械预处理、超声波预处理、臭氧氧化顸处理和加碱预处理。改变污泥的特性，利于后续厌氧消化的处理。     

剩余污泥中木质纤维素稳定并转化能源可行性分析

剩余污泥中往往含有大量木质纤维素物质,在厌氧消化过程中难以降解,最终被浓缩于熟污泥中,这就是导致污泥有机物稳定并转化能源效率低下的主要原因之一.本文分析了剩余污泥中木质纤维素的含量与来源;阐述了木质纤维素的结构特点以及对其生物降解的关键技术所在;揭示了污泥常规预处理与木质纤维素预处理存在工艺条件不同的相似技术.文章结合两种预处理技术的特点和工艺条件,从原理、技术等角度分析了通过强化剩余污泥预处理而同时达到破解木质纤维素的技术思路.为此,提出了将污泥细胞破碎与木质纤维素破解耦合的观点,以期将污泥中木质纤维素的稳定与能源转化合二为一,从而构建木质纤维素稳定化、能源化与碳减排三位一体的技术策略     

NZVI对低有机质污泥厌氧消化系统及微生物群落的影响

采用投加不同剂量纳米零价铁（NZVI）（0,0.1,0.3,0.5 g/g VS）的低有机质污泥进行半连续中温厌氧消化试验,研究了反应器在不同NZVI投加量下的产甲烷特性及微生物群落变化。研究表明:NZVI的投加前期对产甲烷具有促进作用,随着反应器中NZVI累积逐渐对产甲烷产生抑制,且投加量越高抑制效果产生越早,抑制作用也越强。投加NZVI反应器未造成酸化或氨抑制,厌氧消化系统稳定性较好,系统上清液中磷酸盐去除率最高达到97.78%。NZVI的投加可以促进Firmicutes、Proteobacteria等水解产酸菌和Methanosarcina等多数氢营养型产甲烷菌的生长,而对严格的乙酸型产甲烷菌Methanosaeta生长有一定抑制作用。     

针铁矿强化剩余污泥与烟草废弃物厌氧发酵的研究

以剩余污泥和烟草废弃物为研究对象,探究了针铁矿对有机物厌氧消化产甲烷的影响.针铁矿投加能提高消化产气率至359.4mL/g,显著高于空白对照组.针铁矿有助于混合气体中甲烷含量的升高并减少CO₂的体积分数.针铁矿利于剩余污泥和烟草废弃物共消化过程有机物溶出,纤维素减量,从而为产甲烷古菌提供充足的消化底物.针铁矿利于酸化代谢过程,在针铁矿投加组中挥发性脂肪酸的最大产量仅为56.2mg/g,显著低于空白组,此外针铁矿促进丙酸的合成.针铁矿促进乙酸降解,在消化第1d,针铁矿投加实验组中乙酸降解率高达65.5%,较高于空白组中的56.6%.酶活性分析表明针铁矿促进水解,酸化及产甲烷过程关键酶.Methanothrix和Methanobacterium是产甲烷阶段重要微生物,454高通量测序表明针铁矿提高Methanothrix和Methanobacterium的相对丰度至59.6%和23.5%,显著高于空白对照组.     

污泥超高温(65℃)厌氧消化系统启动方案

以高温(55℃)厌氧消化反应器的污泥为接种泥,以不同比例的牛粪和脱水污泥为基质,通过产甲烷潜力测试实验,对污泥超高温(65℃)厌氧消化系统的启动策略进行了初步的探讨.实验结果表明:污泥超高温(65℃)厌氧消化系统具有其可行性;65℃条件下,由于水解酸化过程加快,易发生VFAs(尤其是乙酸和丙酸)的累积.同时,与中温(37℃)和高温(55℃)污泥厌氧消化系统相比,超高温(65℃)系统的产气量虽然较低,但所产沼气中CH4含量明显升高,可以达到79.0%.对系统细菌和古菌进行的多样性分析结果表明:超高温(65℃)条件下,反应器中的细菌以Coprothermobacter、Caldicoprobacter、Ruminiclostridium等极端嗜热的蛋白质水解菌和木质纤维素水解菌为主,不同反应器之间细菌种群多样性的差异是由所投加物料的不同造成的;所有反应器的古菌中,嗜热的氢营养型产甲烷菌Methanothermabactor成为绝对优势菌群,占古菌的比例均超过96%.在超高温反应器(65℃)的启动初期,可适当提高投加基质中牛粪的比例,加快对嗜热产甲烷菌(氢利用型产甲烷菌)的富集,同时避免系统中的VFAs的积累,保证反应器顺利启动.     

热水解时间对污泥厌氧消化系统微生物群落结构影响分析

为评估热水解时间对北京市大兴区某污水处理厂污泥厌氧消化系统微生物群落结构的影响,利用Illumina MiSeq高通量测序方法,分析了不同热水解时间（15、30和45 min）对初沉污泥和剩余活性污泥厌氧消化系统中微生物群落结构及其多样性的影响因素.结果表明,消化污泥优势类群主要分布在厚壁菌门（Firmicutes）、阴沟单胞菌门（Cloacimonadota）、绿弯菌门（Chloroflexi）和同力菌门（Synergistota）,相对丰度之和超过60%,相对丰度最高菌属为W5,占比为20.8%~54.5%,表现为少数优势物种的高丰度特征.热水解污泥厌氧消化过程中,高挥发性脂肪酸和氨氮浓度导致嗜乙酸产甲烷菌相对丰度减少,嗜氢产甲烷途径多于嗜乙酸产甲烷途径.环境因子关联分析结果显示,消化进泥可溶蛋白质、消化进泥pH值、消化出泥氨氮和热水解时间是影响微生物群落结构的4个主要环境因子,其中消化出泥氨氮对产甲烷菌属的影响最大,呈负相关关系.热水解时间与Chao指数和Shannon指数均呈负相关,较长热水解时间不利于提高厌氧消化过程微生物菌群丰富度和多样性.     

乙酸常温预处理对木质纤维素厌氧消化的影响

采用3 种稀酸组合(10%乙酸、10%乙酸加0.5%硝酸以及10%乙酸加0.5%磷酸),在常温条件下,对3 种木质纤维素样品(滤纸、中性复印纸和无油墨报纸)进行预处理,分别考察预处理对生物质组成纤维素、半纤维素和木质素的作用.并选取预处理后的无油墨报纸进行厌氧消化实验,研究不同稀酸预处理方式对木质纤维素厌氧消化的影响.结果表明,酸处理组能水解5%±1%纤维素和88%±1%的半纤维素,但是不能水解木质素;乙酸预处理降低了木质纤维素的亲水性和生物可降解性,从而降低了初始厌氧消化效率.添加0.5%的磷酸或0.5%硝酸不会明显改善乙酸对木质纤维素的水解效果.但是,添加磷酸的处理组在厌氧消化初期微生物量较少的情况下,能为微生物生长提供磷元素,有利于厌氧消化的启动;而添加硝酸的处理组不能缓解预处理对木质纤维素基质性质的影响,而且导致了丙酸的大量积累,从而恶化了厌氧消化的效果.     

厌氧折流板反应器酸化及其对微生物种群分布的影响

研究了厌氧折流板反应器(ABR)酸化过程中pH、COD、挥发性脂肪酸(VFA)和微生物表观形态的变化,并基于荧光原位杂交(FISH)定量解析了酸化中厌氧微生物的种群演替过程.结果表明,酸化过程由ABR反应器前端向后端逐渐推进;完全酸化后,各隔室运行效率明显降低,COD去除率仅为30.9%,pH值下降1.0～2.2,出水VFA增长5.1倍.酸化显著影响微生物形态,导致颗粒污泥表层和内部微生物出现畸变甚至死亡,造成颗粒内外传质困难.基于FISH技术的定量研究表明,酸化促进了真细菌的繁殖,抑制了古细菌的生长,导致厌氧消化过程中3种关键菌群的大量减少,其中食丁酸盐产氢产乙酸菌Syntrophomonas spp.减少了30.9%,食丙酸盐产氢产乙酸菌Syntrophobacter wolinii减少了85.5%,耗氢产乙酸菌E.limosum减少了60.0%,产甲烷菌Methanomicrobiales减少了54.3%,微生物种群间物质供需平衡被破坏.     

产氢产乙酸和产甲烷反应对厌氧消化的限速作用

为明晰厌氧消化过程的主要限速步骤,分别以丁酸、乙酸、H₂/CO₂为基质,在37℃和pH 5.00~9.00条件下对厌氧活性污泥进行培养,依据Shelford耐受定律对食丁酸产氢产乙酸菌（SBOB）、乙酸营养型产甲烷菌（ACM）和氢营养型产甲烷菌（HTM）的pH值生态幅及基质转化速率进行分析.结果表明,SBOB、ACM和HTM的pH值生态幅分别为6.19~8.59、5.50~7.74和4.39~9.23,其代谢最适pH值分别为7.39、6.62和6.81.在最适pH值条件下,厌氧活性污泥对丁酸、乙酸、H₂/CO₂的转化速率分别为0.86、1.04和1.09gCOD_equ/（gMLVSS·d）.可见,与产甲烷菌相比,产氢产乙酸菌的pH值生态幅更窄,基质转化速率更慢,对厌氧消化过程具有更为显著的限制作用.     

腐殖酸影响剩余污泥厌氧消化过程实验研究

以实验室培养、几乎不含腐殖质和金属离子的剩余污泥作为研究对象,选择与市政污泥中腐殖酸特征相近的市售腐殖酸为外加填充物,实验研究污泥中所含腐殖质对污泥厌氧消化过程的抑制作用.通过设置腐殖酸不同投加比例(0、5%、10%、15%和20%,以VSS计),探究腐殖酸对厌氧消化不同过程的影响.实验结果表明,腐殖酸抑制厌氧消化生物气产气量.填加15%腐殖酸时对厌氧消化产气量抑制作用最为明显,较未添加腐殖酸对照组产气量下降了35%;但并未对生物气中CH_4体积比产生太大影响,说明抑制影响是对生物气整体性的.腐殖酸亦可抑制厌氧水解过程,投加20%腐殖酸实验组实验结束时残留于上清液中的溶解性多糖、蛋白质浓度分别是对照组的2.2和1.6倍.然而,腐殖酸作为外源电子受体,可以在一定程度上促进酸化过程,其程度在填加20%腐殖酸实验组表现最高,较对照组VFAs提高了11.3%.腐殖酸投加未对系统pH产生明显影响,各实验组pH值均在7.09~7.54间变化.     

金属离子屏蔽腐殖酸对污泥厌氧消化抑制作用实验研究

以实验室培养、几乎不含腐殖质和金属离子的剩余污泥为研究对象,选择与市政污泥中腐殖酸特征相近的市售腐殖酸作为外加填充腐殖质,通过投加外源金属离子实验研究屏蔽腐殖质对污泥厌氧消化过程的抑制作用.结果表明,单独投加Ca2+与Al3+可分别获得65.4%和65.7%的屏蔽抑制率;Ca2++Al3+组合投加效果更佳,可获得高达80.1%的屏蔽抑制率,具有"1+12"的屏蔽抑制效果.然而,过高的金属离子含量(或组合含量)不仅无助于进一步提高屏蔽抑制效果,反而会因抑制微生物活性而导致屏蔽抑制率下降.Ca2+通过阳离子交换产生屏蔽抑制作用,而Al3+主要靠静电作用和网捕卷扫作用产生屏蔽效果.在屏蔽腐殖酸抑制方面,三价金属离子好于二价金属离子的原因是两者的静电作用力大小、作用方式、环境效果不尽相同.     

剩余污泥预处理技术概览

全球气候大会以及中国政府在CO2减排方面的承诺使剩余污泥厌氧消化产生能源这一老生常谈的问题再次受到关注.污泥生物细胞裂解/水解是限制厌氧消化效率的重要瓶颈,而污泥预处理技术可有效提高细胞破裂、水解效果,最大限度地发掘出剩余污泥中的有机能源.目前全球研发的污泥预处理技术多种多样,其中既有具备工程应用经验的超声波、聚焦脉冲...     

A new process to improve short-chain fatty acids and bio-methane generation from waste activated sludge

As an important intermediate product, short-chain fatty acids(SCFAs) can be generated after hydrolysis and acidification from waste activated sludge, and then can be transformed to methane during anaerobic digestion process. In order to obtain more SCFA and methane,most studies in literatures were centered on enhancing the hydrolysis of sludge anaerobic digestion which was proved as un-efficient. Though the alkaline pretreatment in our previous study increased both the hydrolysis and acidification processes, it had a vast chemical cost which was considered uneconomical. In this paper, a low energy consumption pretreatment method, i.e. enhanced the whole three stages of the anaerobic fermentation processes at the same time, was reported, by which hydrolysis and acidification were both enhanced, and the SCFA and methane generation can be significantly improved with a small quantity of chemical input. Firstly, the effect of different pretreated temperatures and pretreatment time on sludge hydrolyzation was compared. It was found that sludge pretreated at 100°C for 60 min can achieve the maximal hydrolyzation. Further, effects of different initial p Hs on acidification of the thermal pretreated sludge were investigated and the highest SCFA was observed at initial p H 9.0with fermentation time of 6 d, the production of which was 348.63 mg COD/g VSS(6.8 times higher than the blank test) and the acetic acid was dominant acid. Then, the mechanisms for this new pretreatment significantly improving SCFA production were discussed. Finally,the effect of this low energy consumption pretreatment on methane generation was investigated.     

废铁屑强化污泥厌氧消化产甲烷可行性分析

有关全球气候变化的《巴黎协定》落槌,预示着污水处理追求碳中和运行的时代已经来临.碳中和狭义理解即能源自给自足,这就要求污水处理厂应最大程度转化污水中有机物或产生的剩余污泥所蕴含的有机能源,并将其生成可再生能源——甲烷.然而,剩余污泥能源转化率较低一直都是限制厌氧消化技术广为应用的瓶颈.在污泥预处理技术之外,向厌氧消化系统中投加废铁屑强化甲烷生产有望成为另一个提高能源转化率的突破口,继而实现"以废促能、变废为宝"的目的.本综述从铁腐蚀析氢现象入手,在描述铁腐蚀析氢原理、析出H2对产CH4过程影响的基础上,对铁在厌氧系统ORP减少方面的作用、对厌氧微生物生理、生化特性的影响、对涉及微生物酶活的影响等进行了全面的介绍.最后,还通过生命周期评估(LCA)评价了基于废铁屑的污泥厌氧消化技术对环境的影响及经济合理性.     

厨余有机垃圾水解酸化动力学分析

水解酸化是厨余有机垃圾厌氧消化产甲烷的限速阶段,如何高效促进水解酸化已经成为生物质厌氧发酵亟待解决的问题。从反应动力学角度出发,利用两相厌氧消化工艺模型,通过计算分析,阐述了提高有机垃圾水解酸化速率的方法和手段。     

中高分子量聚丙烯酰胺对污泥厌氧消化的影响

市政污水处理厂剩余污泥通常通过脱水和进一步厌氧消化实现减量和资源化。阳离子聚丙烯酰胺(cPAM)是脱水过程中常用的絮凝剂,其对后续厌氧消化性能的影响研究仍不深入。研究发现:中高分子量cPAM会抑制厌氧消化过程中有机质的溶出与水解、产酸和产甲烷效率;且中分子量的cPAM抑制效果更强。添加中分子量cPAM的溶解性蛋白质、多糖和短链脂肪酸(SCFAs)的最高产量比对照组分别降低了22.3%、28.4%和38.6%,添加高分子量cPAM的实验组则分别降低了7.4%、19.4%和25.9%;相应地,添加中、高分子量cPAM污泥的30 d甲烷累积产量为(40.4±1.4),(49.8±1.3) mL CH₄/g VSS,比对照组的(61.0±1.4) mL CH₄/g VSS分别降低了33.7%、18.3%。由此建议剩余污泥脱水过程中,要综合考虑cPAM添加量和分子量对后续厌氧消化性能的影响,以达到效益最佳。     

热、热碱处理对污泥溶胞和溶解性有机物的影响

污泥有机物的水解是厌氧消化过程中的限速步骤,预处理可以有效地将污泥固体有机物转化为溶解态有机物,从而提高有机物降解速率和甲烷转化速率.本文研究了热、热碱处理(两种常用的预处理方法)对污泥溶胞释放溶解性有机物的组成、相对分子质量分布和结构的影响.结果表明,热、热碱处理均能大量释放溶解性有机物,相比对照组污泥,溶解性化学需氧量可分别增加21.9倍(热处理)和47.8倍(热碱处理).两种预处理会改变溶解性有机物相对分子质量分布,且含量最多的有机物相对分子质量减小.两种预处理均对污泥溶解性有机物中的主要组分(蛋白质)有水解作用,且热碱处理效果更显著.三维荧光光谱分析表明溶出的有机物中溶解性微生物副产物类物质和胡敏酸类物质难以被两种预处理进一步水解.另外,两种预处理不仅使污泥溶解性物质中出现新的有机结构,还会使原有的有机结构发生变化,甚至消失.