餐厨垃圾与秸秆混合中温和高温厌氧消化对比

餐厨垃圾与秸秆混合厌氧消化可有效改善两者单独厌氧消化易出现的挥发性脂肪酸积累和木质纤维素难以降解等问题,并回收生物质能.在中温(35℃)和高温(55℃)条件下,对餐厨垃圾与秸秆混合厌氧消化进行了序批式试验研究.结果表明,进料的挥发性固体(VS)浓度为3 kg·m~(-3),中温条件下,物料进料比(VS/VS)为9∶1时,单位有机负荷累积甲烷产量达到最高,为272.0 mL·g~(-1);高温条件下,进料比为5∶5时,单位有机负荷累积甲烷产量达到最高,为402.3 mL·g~(-1),分别显著高于两温度条件下餐厨垃圾单独厌氧消化的结果(中温218.6 mL·g~(-1),高温322.0 mL·g~(-1)).高温条件下物料中的碳流向甲烷的比例高于中温,且两物料混合消化促进碳流向甲烷.高温下木质纤维素总降解率为34.7%~45.8%,高于中温的12.6%~42.2%.利用高通量测序技术检测细菌与古菌的16S rRNA基因序列信息和真菌的内转录间隔(ITS)序列信息,结果表明,高温下木质纤维素降解细菌和放线菌数量明显高于中温条件,可解释高温下木质纤维素总降解率更高的原因.     

有机负荷对醋糟厌氧消化系统启动的影响

本研究通过醋糟的中温产甲烷潜力测试实验,考察了有机负荷对醋糟厌氧消化反应器启动的影响.并通过对不同有机负荷条件下的甲烷产量、液相组分的对比分析,结合热重、X射线衍射和红外光谱学方法进行差异表征,结果发现:1较低的有机负荷有利于缓解醋糟中有机物水解酸化过程中VFAs的积累和pH的下降,保证产甲烷过程的稳定进行.当接种物与基质VS比为1∶1[即有机负荷(以VS计)为1.78 g·(L·d)~(-1),pH=7.60]时的累积甲烷产量最高,达2 249.7 m L.随着有机负荷的提高,VFAs的累积浓度随之升高,使产甲烷过程受到不同程度的抑制并相继终止,且在接种物与基质VS比为1∶4时[即有机负荷为7.12 g·(L·d)~(-1),pH=5.52]实现了乙酸和乳酸的同步发酵(分别可达到8 000 mg·L~(-1)和2 650 mg·L~(-1)).2醋糟中木质纤维素类物质为短程有序的微晶结构或非晶结构,与富含纤维素类晶体结构物质的玉米秸秆等相比,其VS的降解率更高.醋糟中的木质素、纤维素、半纤维素的降解率随着有机负荷的降低而逐渐升高.     

瘤胃微生物强化醋糟厌氧消化及其机制

针对醋糟中木质纤维素利用效率低的问题,通过接种瘤胃微生物可强化木质纤维素水解.采用逐步提升体系有机负荷的方式,考察瘤胃微生物生物强化对醋糟厌氧消化性能的提升效果,并运用绝对定量实时聚合酶链锁反应（Q-PCR）技术探究其微生物学强化机制.结果表明:长期连续运行成功塑造了高效的木质纤维素瘤胃强化体系.该体系的最高有机负荷达8.90 g/（L·d）（以VS计）,是强化前的1.53倍,该有机负荷下半纤维素和纤维素降解率分别达73.9%和40.1%,单位质量底物沼气和甲烷产量相应地分别达到451和261 mL/g（以VS计）,半纤维素和纤维素较高的降解率是该体系维持高产气性能的主要原因.生物相机制研究表明,瘤胃微生物强化体系中与木质纤维素水解密切相关的GH5（糖苷水解酶家族5）水解菌逐步富集,其基因拷贝数从初始的964×1010 copies/g升至最高有机负荷下的6.83×1011 copies/g,这是底物在高有机负荷下仍能被高效生物转化的根本原因.研究显示,瘤胃微生物的介入可有效强化体系底物的降解能力,促进醋糟产甲烷性能的提升.      

城市污水处理厂预热处理混合污泥的高温厌氧消化特性研究

针对165℃、30min预处理后的混合污泥,进行高温厌氧消化的连续试验.研究了在不同的水力停留时间(HRT)下的产气量、有机物的分解率等指标,探讨了"热处理 高温消化"实用化的可行性.结果表明,总固体(TS)为70g·L-1、预热处理后的混合污泥经高温厌氧消化,在HRT.为10、20、30d的条件下,产气率为2.82、1.70和1.19 L·L-1·d-1;降解单位COD的产气量为968、1053和1091 L·kg-1;COD分解率为47%～52%;有机物分解率与HRT的关系符合一级反应动力学关系.COD物质平衡计算结果表明,基质中50%的固态有机物被分解转化,生物气中的甲烷含量可达59.1%.本研究中的厌氧消化反应可归纳为C8.38H19.7O7.59N 3.86H2O→4.38CH4 2.99CO2 NH4 HCO3-.     

低温短时水热预处理混合及初沉污泥的高温厌氧消化特性研究

以低温短时(90℃、30 min)水热预处理后的混合及初沉污泥为研究对象,分别进行了高温((55±1)℃)厌氧消化连续性试验.研究了该预处理条件下这两类污泥在水力停留时间(HRT)为20 d时的产气量、有机物分解率及物料平衡等,探讨了低温短时水热预处理对提高污泥厌氧消化性能的效果.结果表明:TS约为35 g·L-1的预处理混合污泥与初沉污泥经高温厌氧消化后,投加单位VS的产气量分别为(343.00±9.86)m L·g-1和(365.00±7.61)m L·g-1,VS去除率分别为38.9%和45.8%.COD物料平衡计算结果表明,混合和初沉污泥中分别有33.6%和43.9%的固体有机物被分解转化,生物气中CH4含量均在70%左右.     

含固率和有机负荷对厨余垃圾厌氧消化性能及沼渣特性的影响

为提高厨余垃圾厌氧消化性能和促进沼渣资源化利用,以底物降解效能和产甲烷量最大化为目标,分别考察不同进料总固体（TS）含量（含固率）(12%、15%、18%、25%、28%、33%)和有机负荷〔8.5、10.5、13.5 g/(L·d),以挥发性固体(VS)计〕条件下厨余垃圾的中温厌氧消化特性,并对最优进料参数下沼渣特性和资源利用潜力进行分析. 结果表明:进料TS含量是影响厨余垃圾厌氧消化效能的重要因素,调节进料TS含量至25%时可获得最大累计产甲烷量(16.81 L)和最高单位容积负荷累计产甲烷量(42.01 L/L),挥发性固体降解率达72.29%,系统运行稳定. 在进料TS含量为25%的条件下,系统累计产甲烷量随有机负荷的增加呈先升高后降低的趋势,有机负荷为10.5 g/(L·d)时,系统累计产甲烷量和挥发性固体降解率最高,分别为24.04 L和79.64%,未产生酸抑制现象. 厌氧消化过程中产生的副产物沼渣中有机质和总养分含量较高,电导率和重金属含量较低,pH适宜,满足《有机肥料》(NY 525—2021)和《绿化用有机基质》(GB/T 33891—2017)的要求. 研究显示:当进料TS含量为25%、有机负荷为10.5 g/(L·d)时,厌氧消化系统运行效能最优;沼渣营养成分较高、生物毒性较低,具有较大资源化利用潜力,后续经脱水处理并提高腐熟程度后可进行应用.      

F/M及HRT对果蔬垃圾厌氧发酵产氢的影响

通过中温半连续厌氧消化实验,考察了果蔬垃圾在不同食微比(0.5、0.75、1.0和1.5)及不同水力停留时间(2、3和4d)下的产氢性能.结果表明,当食微比较低(0.5和0.75)时,各水力停留时间下均不适宜连续产氢,且在水力停留时间为3 d和4 d时容易产生大量甲烷;当食微比较高(1.0和1.5)时,可以实现稳定连续产氢,发酵过程中几乎无甲烷产生.当食微比及水力停留时间分别为1.0及3 d时可获得最佳连续产氢效率,其最高容积产氢量和平均容积产氢量分别为451m L·(L·d)~(-1)和(186±29)m L·(L·d)~(-1),最高挥发性固体产氢率和平均挥发性固体产氢率(以VS计)分别为133 m L·g~(-1)和(27±5)m L·g~(-1),氢气含量可达20%~30%.     

梯度负荷下果蔬垃圾厌氧消化性能及微生物群落结构的研究

为优化果蔬垃圾厌氧消化工艺,提高厌氧消化性能,本文通过逐级提高CSTR反应器进料负荷,研究不同负荷下的厌氧消化性能及相应的微生物群落结构变化规律.结果表明,随着进料负荷的增高,容积产气率、甲烷产气量、氨氮、碱度、TCOD、SCOD均逐渐增高,在最高负荷(负荷以VS计)2.50g·L-·1d-1时分别达到最大值:1.22L·L-1d-1,5.10L·d-1,1563.86mg·L-1,7572.23mg·L-1,13283.26mg·L-1,2075.03mg·L-1,甲烷含量及VFA分别稳定在52.46%～54.59%和(879.30±18.69)mg·L-1;同时利用PCR-DGGE技术系统分析了厌氧消化中细菌与古细菌的群落结构,测序结果表明,整个过程中拟杆菌(Bacteroidetes)、甲烷鬃菌(Methanosaeta)及甲烷螺菌(Methanospirillum)为优势微生物,随着负荷的提高,甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)活性逐渐降低;聚类分析及主成分分析表明,低负荷条件下(1.50g·L-·1d-1、1.75g·L-·1d-1),微生物种类(细菌、古细菌)差别不明显,且基本处于同一阶段.     

碳氮比对稻草和猪粪生物处理及厌氧消化的影响

以农业废弃物稻草和猪粪为发酵原料,首次采用纤维素降解复合菌系对稻草和猪粪混合物进行生物处理,通过考察不同碳氮比(25∶1、30∶1、35∶1和40∶1)条件下稻草和猪粪混合物生物预处理的发酵特征及后续的产甲烷能力,探讨了碳氮比对稻草和猪粪的协同生物预处理及厌氧消化效果的影响.结果表明,控制碳氮比为30∶1、料水比为11%时,稻草和猪粪混合物经纤维素降解复合菌系于55℃预处理30 h后其厌氧消化效果最佳.在此条件下,稻草和猪粪降解液中滤纸酶活和羧甲基纤维素酶酶活分别达到了2.18和2.31 IU,其失重率高达41.69%;随后经厌氧发酵后其甲烷产率和产甲烷速率分别可达318.14 m L·g-1(以VS计)和10.61 m L·d-1·g-1(以VS计),且总量为9.9 g的稻草和猪粪混合物的总甲烷产量可达1948 m L,上述结果相对于未经生物预处理的对照组均提高了38%.本研究结果可进一步为其它种类的农作物秸秆和畜禽粪便的高效资源化利用提供理论支撑,展现出了巨大的应用潜力.     

高蛋白有机废弃物厌氧消化系统稳定性及其耐氨氮机制解析

病死及自然灾害产生的大量畜禽尸体的不恰当处理处置会带来较为严重的环境卫生和公众安全隐患.本研究利用厌氧消化技术对畜禽尸体这类高蛋白有机废弃物的无害化处理进行尝试,旨在探索其适宜的有机负荷条件、系统的稳定性及潜在的氨抑制风险.研究表明高蛋白有机废物(以猪肉作为实验样品)作为厌氧消化基质时,系统稳定运行的有机负荷能够达倒(4.76±0.41)kg·m~(-3)·d~(-1);同时,VS降解率、单位体积沼气产率、单位添加VS沼气产率、单位降解VS沼气产率以及甲烷含量分别能达到95%、(3.72±0.21)L·L~(-1)·d~(-1)、(0.78±0.02)m~3·kg~(-1)、(0.82±0.02)m~3·kg~(-1)以及65%.在该条件下,TAN和FAN的浓度与系统产气性能没有直接线性关系,且在浓度高达5700 mg·L~(-1)和700 mg·L~(-1)时未呈现对系统的明显抑制作用.454高通量焦磷酸测序法对系统内古菌种群相对密度的分析结果表明,系统中氨抑制问题得到一定程度的缓解或者消除的原因可能为甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)的优势地位并未受到明显影响,以及整个产甲烷菌种群在系统运行过程所得到的明显驯化.     

水热/臭氧预处理促进餐厨垃圾中典型废弃油脂厌氧发酵产甲烷

为了缓解餐厨垃圾中大量未降解油脂包覆微生物,对厌氧发酵产生严重抑制的问题,本文采用水热或臭氧预处理有效降解油脂,预处理进行厌氧发酵.扫描电子显微镜和傅里叶变换-红外光谱分析表明,经过水热或臭氧预处理后,厌氧发酵过程油脂降解程度提高.经过臭氧预处理的火锅废油厌氧发酵甲烷产率提升至（854.20±10.28） mL·g^-1（每克有机质干重所产生的甲烷量,以毫升计,下同）,在第20 d达到产甲烷速率峰值（122.06±3.46） mL·g^-1·d^-1,较之未处理组达到甲烷峰值速率的时间缩短4 d,甲烷产率提升17.4%.总体能量转化效率由未经预处理的64.88%提升到臭氧预处理后的76.18%,说明臭氧或水热预处理可以促进油脂的降解,并且提高产甲烷菌对底物的利用从而提高发酵产甲烷的效率,从而在一定程度上缓解目前工业生产中存在的油脂难以降解以及包裹厌氧微生物的问题.     

微米零价铁对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化的加强效果及机制

针对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化产气效率不高的问题,通过投加微米零价铁,研究其对厌氧联合消化的强化效果及作用机制.结果说明,零价铁的添加强化了厌氧联合消化的产甲烷阶段,但对溶解、水解及酸化阶段没有明显影响.当零价铁的投加量为10 g·L^-1时,经过15 d的厌氧消化,累积甲烷产量（以VS计）达到238.68 mL·g^-1,相比于空白组提高了20.05%.机制分析表明：零价铁提高了系统的电子传递体系（ETS）活性,当零价铁投加量为10 g·L^-1时,最终的ETS活性（以INTF/TS计）达到21.50 mg·（g·h）^-1,而空白组仅为13.43 mg·（g·h）^-1.此外,零价铁还强化了细菌和产甲烷菌之间的直接性种间电子传递（DIET）,微生物群落的变化显示DIET相关的微生物,例如Syntrophomonas、Methanosarcina和Methanobacterium,在有零价铁添加的条件下显示出更高的丰度.     

零价铁对厌氧消化过程中氨氮抑制解除的影响

氨氮抑制是影响高含固有机固体废弃物厌氧消化产甲烷效率的重要因素.本研究通过实验室批量实验,考察了微米级零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化的影响以及对高氨氮抑制解除的影响.结果表明,投加4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化过程中的产甲烷速率、迟滞时间和产甲烷潜势等动力学特征均未有影响.但是,在高氨氮抑制的厌氧消化过程中, 4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)的零价铁投加可使厌氧消化受氨氮抑制的产甲烷迟滞时间由对照组的18.61 d分别缩短为17.22 d和16.18 d,最大产甲烷速率(以VS计)由对照组的6.34 mL·(d·g)~(-1)提升为7.84 mL·(d·g)~(-1)和7.39 mL·(d·g)~(-1).零价铁并未通过化学反应对厌氧消化的pH缓冲体系产生直接影响,而是使氨氮抑制后的产甲烷优势古菌Methanosarcina的相对丰度(27 d)由对照组的30.71%提升到53.50%和60.30%.本研究证明了零价铁并不能提升污泥产甲烷潜势,而只是在受抑制影响的厌氧消化过程中,刺激产甲烷微生物的代谢活性,强化如氨氮抑制影响的快速解除.     

基于厌氧膜生物反应器的剩余污泥-餐厨垃圾厌氧共消化性能

采用厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor,AnMBR)进行剩余污泥与餐厨垃圾的共消化,研究其有机物的去除特性、产气性能和微生物群落组成等运行性能.结果表明,反应器运行过程中有机负荷(organic loading rate,OLR,以VS计)稳定在0.59～0.64 kg·(m~3·d)~(-1),挥发性固体(volatile solids,VS)降解率由单消化17.5%上升至共消化40%,COD截留率为95.3%.消化液含固率提高了3.9倍,最终CH_4体积分数稳定在60%,CH_4产量(以COD_(added)计)为78.7 mL·g~(-1).跨膜压差(transmembrane pressure,TMP)和平均Flux分别维持在-3.1～-2.7 kPa和0.106 L·(m~2·h)~(-1),膜污染较轻.16S rRNA微生物多样性分析表明,AnMBR内部厌氧消化细菌主要是Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Cloacimonetes(阴沟单胞菌门),产甲烷菌中的优势菌科为Methanobacterium(甲烷杆菌科),优势菌属为Methanosaeta(甲烷鬃毛菌属)和Methanolinea(甲烷绳菌属).这将为AnMBR处理污泥及其它高含固率废物流的稳定性和运行性能研究提供有力的理论参考依据,进而为生物质资源化和能源危机提供有效解决途径.     

初始pH值和物料配比对高温混料厌氧发酵进程的影响

为了研究高温条件下初始p H对厌氧发酵进程的影响,以猪粪、玉米秸秆为发酵原料,设置3种比例(干物质质量比30∶70、50∶50、70∶30)下6个水平(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0的初始p H值以及一个不调控初始p H的处理作为对照)进行批次发酵试验.结果表明,初始p H值和物料配比都会显著影响厌氧发酵过程的启动时间和甲烷产量.当初始p H值为7.0时,VS降解率趋于稳定.COD去除率随着粪便含量的增加而逐渐降低.高温猪粪玉米秸秆混合发酵最佳挥发性脂肪酸(VFA)/碱度比值范围为0.05~0.3;猪粪可以作为一种缓冲材料,适量添加可增大消化系统的缓冲能力.通过建模优化,预测出当初始p H值为6.95、猪粪/玉米秆为70∶30时,可得到每克挥发性固体最大理论单位甲烷产量169.22 m L·g-1.     

碱处理对秸秆厌氧消化的影响

为减少秸秆碱处理的碱用量,提高秸秆的产气量,从产气量、XRD和FTIR等角度对碱预处理与后处理进行了初步比较,并对碱处理前后秸秆浸提液的理化性质以及秸秆的物质结构变化进行了分析.结果表明,秸秆经5%NaOH处理48 h后,细胞中的有机物大量溶出,COD、TN、NO 3--N和NH 4+-N分别从2 311.11、175.40、5.02和117.82 mg/L增至10 488.89、417.84、248.64和141.44 mg/L,表明碱处理不仅破坏木质纤维结构,还破坏核酸、氨基酸等含氮物的结构,将其中的氮以NO 3--N和NH 4+-N的形式释放出来;碱处理破坏了秸秆木质素结构,木质素含量降低,但纤维素的相对结晶度增加,从0.592 3增加到0.662 2.厌氧消化的结果显示,秸秆预处理与后处理的产气能力相当,单位TS产气量分别为382.32 mL/g和375.84 mL/g,较对照分别提高了28.13%和25.96%,但后处理的碱用量仅为预处理的50%;厌氧发酵后对照中的木质素含量增加,而预处理和后处理均降低,后处理对木质素的破坏效果更好;厌氧微生物可破坏纤维素的结晶区,后处理对纤维素结晶区和无定形区的破坏均强于预处理.     

利用硅灰石原位改善厌氧消化微生物电解池的产气特性

厌氧消化-微生物电解池(Anaerobic digestion-Microbial electrolysis cell,AD-MEC)具有有机物降解速度快、降解率高的优点,但其所产沼气中依然存在CO_2含量较高的问题.为降低AD-MEC所产沼气中CO_2的含量,本研究将矿物碳酸化耦合入AD-MEC中,研究添加硅灰石对AD-MEC中CO_2的固定效果.实验结果表明,添加硅灰石可使AD-MEC中CO_2产生量减少40.0%,沼气中CO_2含量从10.0%±1.3%减少到4.5%±1.1%;X射线衍射(XRD)及扫描电镜-能谱(SEM-EDS)分析表明了CaCO_3沉淀的生成,证明硅灰石介导矿物碳酸化固定了AD-MEC中的CO_2.此外,添加硅灰石使Ca~(2+)溶出,缓冲了pH,减轻了厌氧消化产酸阶段对产甲烷菌的抑制,促进了有机物的降解,可溶性化学需氧量(SCOD)去除率提高了11.2%,并使CH_4产量提高18.0%,CH_4产率达到305 mL·g~(-1),沼气中CH_4含量达到95.5%±1.2%.硅灰石的添加实现了AD-MEC中CO_2的原位捕获,同时增益了厌氧消化效果,提高了甲烷产量.     

生态高负荷土地快速渗滤系统处理猪场废水的效能及微生态

以经过厌氧反应器处理后的猪场废水为研究对象,探讨了新型生态高负荷土地快速渗滤系统对废水中COD、氨氮及总氮的去除情况;同时分析了该系统中的微生物群落结构以及过氧化氢酶、脲酶、硝酸盐还原酶的含量.结果表明,在水力负荷为11 cm·d~(-1)、进水COD为700 mg·L~(-1)左右的条件下,一级土地渗滤柱与二级土地渗滤柱对COD的去除率分别为78.8%与63.0%,总去除率达到了92.6%;而当水力负荷增大到22 cm·d~(-1)时,总的COD去除率仍在90.0%以上;该系统对于氨氮的去除更为显著,去除率可达99%左右.一级土地快速渗滤系统中上、中、下部的过氧化氢酶含量分别为1.899、0.990、0.323 m L·g~(-1),表明猪场废水中的有机物主要在该系统的上部与中部得以去除;二级土地快速渗滤系统上、中、下部的硝酸盐还原酶含量分别是3.453、3.831、1.971 m L·g~(-1),表明脱氮作用主要发生二级土地快速渗滤系统的上部与中部.该土地快速渗滤系统中微生物以Gram Negative与Gram Positive为主,特别是在二级土地快速渗滤系统中,AM Fungi与Actinomycetes占有一定比例,为猪场废水中难降解有机物的去除提供了保障.