氧化铁投加方式对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响

氧化铁可以促进产甲烷菌的代谢活动,从而加快厌氧消化体系的产甲烷速率。通过设计3组反应器,探究了不同的氧化铁添加方式对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响:包括空白组A(餐厨垃圾+厌氧污泥),以及2个实验组B(餐厨垃圾+厌氧污泥,48 h后投加氧化铁)和C(餐厨垃圾+厌氧污泥+氧化铁)。结果表明:反应器A酸化严重,进入长期产甲烷抑制状态;反应器B可以解除酸抑制,恢复体系产甲烷能力,但需要较长的启动期;反应器C则能较快达到产甲烷阶段。此外,截止到第54天实验结束,反应器C的累积产甲烷量(48 349 m L)高于B(35 665 m L)。对于餐厨垃圾厌氧消化,投加氧化铁可解除体系酸抑制,恢复其产甲烷能力。而在厌氧消化初期加入氧化铁可以更快地解除酸抑制,并促成更高的产甲烷速率。     

R-PFR与CSTR厌氧消化餐厨垃圾运行效率及微生物群落结构对比

以中温餐厨垃圾(FW)厌氧消化反应器为研究对象,结合稳定运行过程中的微生物群落结构特征,考察了两种常见的厌氧消化反应器—完全混合式反应器(CSTR)和有回流的推流式反应器(R-PFR)的运行效率和稳定性.结果表明,两种构型的反应器均能在3.0 kg·m-3·d-1(以VS计)负荷下稳定高效地运行.R-PFR具有更稳定的稳定性指数,如总碱度(TA)和挥发性脂肪酸比TA值(VFA/TA),以及更低的氨氮(TAN)和游离氨(FAN)浓度,但产气效率(如比甲烷产率(SMP))不及CSTR.R-PFR中以Chloroflexi门(37.35%)和Firmicutes门(31.22%)为优势细菌,而CSTR中以Bacteroidetes门(31.14%)与Firmicutes门(44.41%)为优势细菌.CSTR和R-PFR均以Methanosaeta属为优势产甲烷菌(98.72%和84.90%),乙酸型产甲烷途径为主要的产甲烷途径.但CSTR中除Methanosaeta属以外还有一定丰度的混合营养型的Methanosarcina,以及氢营养型Methanospirillum和Methanolinea.CSTR中具有对VFA和TAN更具耐受性的产甲烷菌群,更有利于餐厨垃圾产甲烷过程的稳定进行.由于R-PFR的敏感性较低,有利于处理剧烈变化的底物,但R-PFR容易出现严重的局部酸化现象,不利于长期处理过高负荷的易降解底物(如餐厨垃圾).这些结果可为优化餐厨垃圾厌氧消化工艺设计提供基础依据.     

热碱处理污泥协同餐厨垃圾两相厌氧消化的特性

以热碱处理后的污泥和餐厨垃圾为原料,采用中温两相厌氧消化工艺,研究不同配比的污泥与餐厨垃圾的基质转化规律、产甲烷性能及系统稳定性等特性。结果表明:溶解性多糖及蛋白质在产酸阶段被大量消耗,二者去除率最高分别可达97.2%和70.4%,而餐厨垃圾比例占优的实验组,固态蛋白质溶出速率大于溶解性蛋白质水解速率。热碱污泥与餐厨垃圾混合厌氧消化的产气性能及稳定性明显得到提升,其中混合比例为2∶3的混合组产甲烷性能最佳,甲烷产率达261.6 mL/gVS,比单独餐厨垃圾消化组提升了29.6%,产甲烷过程中8 d实现了80%的甲烷产量,VS去除率最高达45.7%,产甲烷阶段VFAs/碱度小于0.2,系统稳定未出现酸化现象。     

污泥和餐厨垃圾联合干法中温厌氧消化性能研究

采用完全混合式反应器R1～R5(进料脱水污泥与餐厨垃圾的湿重混合比分别为1:0、4:1、3:2、2:3和0:1),在半连续运行的状态下,考察了停留时间(solid retention time,SRT)为20 d时脱水污泥和餐厨垃圾混合干法厌氧消化的产气性能、有机质降解性能和系统稳定性.结果表明,随着进料中餐厨垃圾所占比例的增大,系统的产气率和甲烷产率呈上升趋势,产气中甲烷含量呈下降趋势,污泥中添加餐厨垃圾有助于在利用原有消化罐容积的前提下显著提高有机负荷和体积产气率.餐厨垃圾比例越大,混合物料的水解速率常数越大,有机质降解率越高,R1～R4中有机质水解速率常数分别为0.25、0.61、1.09和1.56 d-1,有机质降解率分别为37.4%、50.6%、60.7%和68.2%,水解速率差异是导致VS降解率不同的主要原因.随着餐厨垃圾比例的增大,系统内pH、总碱度(total alkalinity,TA)、总氨氮(total ammonia nitrogen,TAN)和游离氨氮(free ammonianitrogen,FAN)呈下降趋势,当污泥中添加的餐厨垃圾提高60%时,系统内pH、总碱度、总氨氮和游离氨氮分别下降6%、16%、22%和75%.游离氨和Na+分别是影响污泥和餐厨垃圾单独干法消化稳定性的重要因素,污泥和餐厨垃圾混合消化可降低潜在抑制性物质的浓度,显著提高系统稳定性.     

餐厨垃圾两相厌氧消化特性试验研究

研究了餐厨垃圾两相厌氧消化特性。以北京化工大学餐厨垃圾为原料,分别以不同有机负荷(10、30、50和70 gVS/L)、接种量(5、10、15和20 gVS/L)、酸化时间(3、5、7和9 d)考察其对酸化效果的影响,并对酸化出料进行甲烷化产气实验。结果表明,餐厨垃圾最优酸化条件为有机负荷30 gVS/L,酸化时间5 d,接种量15 gVS/L。在此条件下,单位负荷产酸率为561.0 mg乙酸/gVS,酸化末端产物主要为乙酸和丁酸,单位负荷累积产气量达到826.7 mL/gVS,比乙醇型最佳条件单位负荷累积产气量763.8 mL/gVS高8.2%,比丁酸型最低单位负荷累积产气量70.6 mL/gVS高1 070.3%。有机负荷、酸化时间、接种量依次对餐厨垃圾酸化有重要的影响,并且餐厨垃圾酸化效果和产气性能具有一致性。研究结果可为城市生活垃圾厌氧消化提供设计和运行依据。     

新型两相一体厌氧消化反应器处理餐厨垃圾中试研究

针对餐厨垃圾厌氧消化过程易发生挥发性脂肪酸（VFAs）的积累,系统难以稳定高效运行等问题,本研究设计制造了一套中试规模的新型双环嵌套式两相一体厌氧反应器,采用双环嵌套式结构,在反应器内部将内环的产酸阶段与外环的产甲烷阶段分离.反应器共运行184d,初始负荷为60kg/d,运行阶段阶梯式提高负荷,最高达到180kg/d.结果表明,该新型反应器产气与有机固体去除效率高,稳定性好.在稳定运行阶段,有机负荷为3.0kgVS/（m³·d）,容积产气率平均达到1.69m³/（m³·d）,最高为2.72m³/（m³·d）,平均负荷产气率为0.57m³/（kgVS·d）,有机固体去除率达77.2%;由于内外环相分离作用,外环pH值相比内环高约0.3~0.4,外环挥发性脂肪酸（VFAs）和溶解性化学需氧量（sCOD）平均浓度相比内环分别降低25%和23%.双环嵌套式反应器实现了产酸和产甲烷阶段分离的作用,内环产酸相很好地完成了水解和酸化步骤,同时减轻产甲烷相受到酸积累的冲击,对反应器稳定运行起到关键作用.     

餐厨垃圾和秸秆混合连续高温甲烷发酵研究

以餐厨垃圾和玉米秸秆(按TS1:1混合)为原料,开展了200d的连续高温发酵和40d批次产甲烷潜能与动力学实验,进料TS浓度8%,以水力停留时间15,10,8,5d的梯度变化逐级增加容积负荷.连续实验发现,在水利停留时间为5d时达到了系统酸化的极限负荷16gVS/(L·d),通过及时停止进料和投碱控制pH值,一周内有机酸浓度由4.73g/L降低到1.02g/L.当OLR为10gVS/(L·d)时,TS去除率和甲烷转化率分别为55.6%和64.5%.批次实验发现,餐厨垃圾、秸秆和混合原料的产甲烷潜能分别为448,221,268mLCH_4/gVS,最大产甲烷速率常数(K)为63,45,41mLCH_4/(g VS·d).通过连续和批次实验分别获得了混合原料高温甲烷发酵的工艺参数和动力学特征,为餐厨垃圾和秸秆能源化利用提供了一个有效途径.     

餐厨垃圾厌氧消化工艺的影响与优化

从厌氧消化工艺选择、产甲烷性能优化和联合消化等3个方面,概述了近年来国内外餐厨垃圾厌氧消化产甲烷工艺的研究进展,比较了国内外的研究差异,提出我国餐厨垃圾厌氧消化处理产甲烷性能优化及工业化应用的研究方向。     

总氨氮在餐厨垃圾厌氧消化系统中的积累及其抑制作用

为研究总氨氮(TAN)在餐厨垃圾中温干式厌氧消化系统内的积累及抑制作用,在单相完全搅拌式(CSTR)反应器内进行餐厨垃圾中温厌氧消化,反应器在3 g·L-1·d-1(以VS计)的负荷下连续运行230余天,期间不断监测TAN及其余物化指标的变化.试验结果表明,TAN在系统内的积累呈现先快后慢的趋势,且不会持续积累,而是积累到一定程度后会保持稳定.游离氨(FAN)是氨抑制中起主导作用的因素,FAN大于150 mg·L-1时就会影响到系统效率;大于200 mg·L-1时会影响系统稳定性;大于300 mg·L-1后会产生强烈抑制,引发稳态型抑制,甚至导致系统出现泡沫.此外,氨抑制会影响系统产气动力学,导致产气速率降低,产气量减少.寻找合理的措施消除氨抑制对保障系统稳定运行具有重要意义.     

AnMBR用于餐厨垃圾和剩余污泥共发酵的性能研究

通过连续实验和活性实验,系统地研究了厌氧膜生物反应器（AnMBR）在不同有机负荷（OLR）条件下处理餐厨垃圾和剩余污泥的效率、稳定性及动力学特征.结果表明,AnMBR在各工况下（OLR：3.22~12.92gCOD/（L·d））能够稳定运行.其中在OLR为6.48gCOD/（L·d）时运行性能最优,其甲烷产量为（4335±2）mL/d,甲烷产率为（361.2±0.2）mLCH₄/gCOD_removal,COD的去除率维持在（98.6±0.9）%,pH值稳定在7.71±0.03.当OLR超过12.92gCOD/（L·d）,反应器内挥发性脂肪酸（VFA）达到了6108mgCOD/L.膜污染以滤饼层污染为主;利用高通量测序（HTS）探究了系统中微生物的演变情况,Levilinea菌是优势细菌属,在OLR为6.48gCOD/（L·d）时其相对丰度最高（20.1%）,Methanosarcina菌是优势古菌属,随着OLR增加相对丰度均维持在67%以上;比产甲烷活性实验表明随着OLR的增加,产甲烷菌对乙酸的降解能力不断提高.研究结果将为AnMBR处理餐厨垃圾和剩余污泥共发酵系统的最优工况选择提供参考依据.     

驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响

为研究驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响,在单相完全搅拌式(CSTR)反应器内,以农村户用沼气池污泥为接种污泥,进行了餐厨垃圾中温厌氧消化.反应器在3 g·L-1·d-1(以VS计)的负荷下成功启动,并连续45 d维持性能稳定,表明驯化成功.期间采用454焦磷酸测序技术分析了驯化前后系统内的微生物群落结构.结果表明,微生物群落结构与底物密切相关,驯化后细菌及古菌群落都发生明显变化.从细菌群落看,与复杂有机物降解相关的菌类显著下降(如梭菌纲(Clostridia)和(vadin HA17),而易降解碳水化合物发酵菌(如Petrimonas)和脂肪降解菌(如Erysipelotrichia)显著增加.这与餐厨垃圾易降解有机物含量高,且富含淀粉和脂肪相关.丰富的易降解有机物还使得反应器内总挥发性脂肪酸(VFA)浓度((2203±174)mg·L-1)远高于种泥水平((222.0±0.3)mg·L-1),这导致了产甲烷菌由乙酸型的甲烷鬃菌属(Methanosaeta,占85.01%)绝对主导转向氢营养型的甲烷螺菌属(Methanospirillum,占35.35%)、甲烷囊菌属(Methanoculleus,占9.89%)与之(46.97%)共同主导的局面.然而,驯化后Methanosaeta在非最优条件下依然保持主导地位,可见接种污泥的群落组成对厌氧消化系统群落结构的塑造也具有重大影响.     

Identical full-scale biogas-lift reactors (BLRs) with anaerobic granular sludge and residual activated sludge for brewery wastewater treatment and kinetic modeling

Two identical full-scale biogas-lift reactors treating brewery wastewater were inoculated with different types of sludge to compare their operational conditions, sludge characteristics, and kinetic models at a mesophilic temperature. One reactor （R1） started up with anaerobic granular sludge in 12 weeks and obtained a continuously average organic loading rate （OLR） of 7.4 kg chemical oxygen demand （COD）/（m3.day）, COD removal efficiency of 80%, and effluent COD of 450 mg/L. The other reactor （R2） started up with residual activated sludge in 30 weeks and granulation accomplished when the reactor reached an average OLR of 8.3 kg COD/（m^3·day）, COD removal efficiency of 90%, and effluent COD of 240 mg/L. Differences in sludge characteristics,biogas compositions, and biogas- lift processes may be accounted for the superior efficiency of the treatment performance of R2 over R1. Grau second-order and modified StoverKincannon models based on influent and effluent concentrations as well as hydraulic retention time were successfully used to develop kinetic parameters of the experimental data with high correlation coefficients （R2 〉 0.95）, which further showed that R2 had higher treatment performance than R1. These results demonstrated that residual activated sludge could be used effectively instead of anaerobic granular sludge despite the need for a longer time.     

污泥停留时间对餐厨垃圾与剩余污泥中温厌氧混合发酵系统的影响

采用连续搅拌釜式反应器(CSTR)成功启动了餐厨垃圾与剩余污泥混合发酵平行系统,重点探究了不同污泥停留时间(SRT)缩减幅度对于餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的影响.结果表明,较大幅度地缩减SRT( 8. 3 d)提升反应器运行负荷,不利于反应器的稳定运行;随着反应器运行负荷的增加,SRT缩减幅度应逐渐降低(5～0. 9 d),能够取得餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的高负荷稳定运行.经过282 d的运行,CSTR混合发酵系统能够在SRT为9. 1 d,进料负荷(以COD计)为(12. 9±1. 5) g·(L·d)~(-1)的条件下稳定运行,相应的甲烷产量为3. 94～4. 25 L·(L·d)~(-1),甲烷产率(以COD计)为288～302 m L·g-1,p H和挥发性脂肪酸(VFA,以COD计)分别稳定在7. 80～7. 83和0. 32～0. 39 g·L-1.此外,还探究了高负荷条件下餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵污泥特性,结果表明,餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统甲烷转化途径以乙酸转化途径为主,具有较高的乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的产甲烷活性和辅酶F420的质量摩尔浓度.     

Effects of mixture ratio on anaerobic co-digestion with fruit and vegetable waste and food waste of China

The biochemical methane potentials for typical fruit and vegetable waste (FVW) and food waste (FW) from a northern China city were investigated, which were 0.30, 0.56 m3 CH4/kgVS (volatile solids) with biodegradabilities of 59.3% and 83.6%, respectively. Individual anaerobic digestion testes of FVW and FW were conducted at the organic loading rate (OLR) of 3 kg VS/(m3 day) using a lab-scale continuous stirred-tank reactor at 35°C. FVW could be digested stably with the biogas production rate of 2.17 m3/(m3 day) and methane production yield of 0.42 m3 CH4/kg VS. However, anaerobic digestion process for FW was failed due to acids accumulation. The effects of FVW: FW ratio on co-digestion stability and performance were further investigated at the same OLR. At FVW and FW mixing ratios of 2:1 and 1:1, the performance and operation of the digester were maintained stable, with no accumulation of volatile fatty acids (VFA) and ammonia. Changing the feed to a higher FW content in a ratio of FVW to FW 1:2, resulted in an increase in VFAs concentration to 1100–1200 mg/L, and the methanogenesis was slightly inhibited. At the optimum mixture ratio 1:1 for co-digestion of FVW with FW, the methane production yield was 0.49 m3 CH4/kg VS, and the volatile solids and soluble chemical oxygen demand (sCOD) removal efficiencies were 74.9% and 96.1%, respectively.     

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.     

有机负荷和温度波动对厌氧菌群及酶活影响

基于太阳能辅热厌氧消化反应器进行餐厨垃圾半连续发酵试验,探究了温度波动和有机负荷调控（OLR=2.0、4.0、6.0、7.0 kg·m^-3·d^-1）对甲烷产量、酶活性变化和微生物群落结构的影响.结果表明,反应器可以在OLR为2.0 kg·m^-3·d^-1下稳定运行并在6.0 kg·m^-3·d^-1时实现最佳甲烷生产效率,虽然太阳能组比电能组减少了4倍能耗,但热辐射不稳定导致太阳能组发酵温度波动,甲烷平均产量比电能组减少21%.此外,蛋白酶在温度波动环境下表现出较高活性,但脂肪酶和淀粉酶活性却受到抑制.高通测序结果表明,低OLR阶段乙酸型产甲烷菌Methanosaeta活性较强,随着OLR递增氢营养型产甲烷菌Methanoregula和Methanospirillum相对丰度逐渐提高,而试验全过程中水解细菌Firmicutes相对丰度维持在62%~95%,占据主导地位.     

相对速率法测氯原子与一系列低碳醇的反应速率常数

在 2 92± 1K温度和 1 0 1× 10 5Pa压力下 ,以丙烷为参照物 ,采用相对速率方法测定了一系列醇与氯原子在气相中的反应速率常数 ,这些醇与氯的反应速率常数分别为 (单位 :10 7m3·mol-1·s-1) :甲醇k1=3 2 9,乙醇k2 =6 14,正丙醇k3=8 97,异丙醇k4 =4 0 0 ,正丁醇k5=11 7,异丁醇k6=12 5 ,叔丁醇k7=2 0 5 ,正戊醇k8=15 8,异戊醇k9=12 3     

Fe3O4对厌氧处理系统的强化作用研究

投加Fe₃O₄能够在一定程度上强化有机物的厌氧降解过程,而进水有机负荷是影响厌氧系统处理效率的重要因素.本研究通过分阶段提升进水有机负荷,对比考察了Fe₃O₄的加入对UASB厌氧反应器运行效能及污泥性质的影响.结果表明,当有机负荷低于3.2 kg·m^-3·d^-1时,两反应器内有机物厌氧水解效率并无显著性差别.而当有机负荷提升至6.4、12.8、25.6 kg·m^-3·d^-1时,Fe₃O₄对有机物厌氧水解效率表现出一定的促进效果,且有机负荷越高,Fe₃O₄对厌氧水解的促进效果越显著.与此同时,Fe₃O₄对厌氧产甲烷过程也表现出明显的促进作用,在有机负荷分别为1.6、3.2、6.4、12.8、25.6 kg·m^-3·d^-1时,添加Fe₃O₄的反应器中平均甲烷产率分别为对照组的3.55、2.37、1.26、1.16和1.06倍.这一现象表明Fe₃O₄对产甲烷过程的促进效果与有机负荷密切相关,且有机负荷越低,Fe₃O₄对厌氧产甲烷效率的增强作用越明显.此外,本研究还分析了运行过程中污泥粒径和胞外聚合物的变化,发现Fe₃O₄的加入可以有效促进厌氧污泥颗粒化进程.