微波及其组合工艺强化污泥厌氧消化研究

为提高剩余污泥的厌氧消化效能和脱水性能,考察了微波及其组合污泥预处理工艺的强化污泥厌氧消化效果,同时考察了预处理-厌氧消化过程的污泥理化特征及其脱水性能.结果表明,微波及其组合工艺可以强化污泥厌氧消化产甲烷,其中微波-过氧化氢-碱(0.2)的强化效果最为显著,不仅30 d累计产甲烷量比对照组增加了13.34%,而且产甲烷速率也得到了提升.与单独微波处理相比,过氧化氢、碱的投加显著提高了溶解性COD的释放量,这表明微波、过氧化氢、碱之间的协同作用能有效破碎污泥,进而强化厌氧消化效果;微波-酸预处理后的污泥具有良好的脱水性能,毛细吸水时间(CST)只有9.85 s,污泥脱水性能的改善与其表面电性、粒径分布的变化密切相关;不同预处理条件下的污泥经过厌氧消化后,污泥脱水性能较为接近.     

四环素类抗生素和铜复合污染对猪粪厌氧消化的影响

兽用抗生素和矿物元素添加剂可起到预防动物疾病、促进动物生长、提高饲料转化率等作用,因此被广泛应用于畜禽养殖业。本研究以猪粪中温厌氧消化为研究目标,采用全自动甲烷潜势测试系统,考察了一定浓度的四环素(TC:30 mg·kg~(-1)dry weight,DW)、土霉素(OTC:50 mg·kg~(-1)DW)和金霉素(CTC:15 mg·kg~(-1)DW)对厌氧累积产甲烷量和日产甲烷速率的影响。结果表明,TC、OTC和CTC对猪粪中温厌氧消化累积产甲烷量和日产甲烷速率均有促进作用(累积产甲烷总量提高比例分别为7.9%、0.4%和5.4%)。另外,采用超高效液相色谱-四极杆串联质谱对猪粪厌氧消化前后样品中四环素类抗生素及其代谢产物进行了分析。结果表明,液相中的四环素类抗生素在猪粪厌氧消化过程中得到了明显的去除,去除率达到90%~100%;而固相中只有金霉素和差向异构金霉素有明显的去除效果,去除率分别为41.69%和41.58%。采用Tessier连续提取法对猪粪厌氧消化前后样品中5种形态的铜包括可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化结合态、有机物结合态、残渣态进行了分析,结果表明,猪粪厌氧消化后,可交换态、碳酸盐结合态和铁锰结合态的铜浓度比厌氧消化前分别降低了1%~9%、0.1%~3%、12%~19%,而有机态和残渣态的铜浓度却在厌氧消化后分别增加了15%~35%、1%~2%。厌氧消化后,70%~80%的铜都是以有机铜的形态存在。铜逐渐从不稳定态转化为相对稳定的有机态和残渣态铜,因此,厌氧消化过程使铜从可生物利用态转变为不可生物利用态,趋于稳定化。     

基于微波预处理的酶强化污泥水解酸化研究

微波预处理能显著提高污泥上清液中溶解性有机物含量,进而可作为内碳源补充强化生物脱氮,但释放的大量溶解性有机物却存在碳源可利用性偏低问题.因此,为了提高上述碳源的可利用性,本研究通过批量试验,考察了添加中性蛋白酶和中温α-淀粉酶对微波预处理污泥水解酸化的强化效果,同时研究了水解酸化过程中污泥上清液中有机物的变化特征.结果表明,经过微波-过氧化氢-碱预处理的污泥进行水解酸化能产生较多的挥发性脂肪酸(VFA),碳源可利用性提高,但由于在水解酸化最初的2 d内存在产酸滞后期,导致水解酸化时间被延长.加入中性蛋白酶和中温α-淀粉酶不仅促进了预处理后污泥的水解酸化,而且解除了微波-过氧化氢-碱预处理导致的产酸滞后现象.在55℃、I/S(接种比)=0.07条件下,酶的最佳投加量分别为30 mg·g~(-1)(蛋白酶/总固体浓度TS)和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS),最佳水解时间为0.5 d,最佳酸化时间为4 d.水解酸化过程中溶解性COD(SCOD)、溶解性蛋白质、溶解性糖类和VFA浓度均呈现先增加后降低的变化规律.水解0.5 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD、溶解性蛋白质、溶解性糖类浓度均达到最大值.水解酸化4 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的总VFA浓度分别为3373.39 mg·L~(-1)(以COD计,下同)和3226.79 mg·L~(-1),比预处理组分别提高了82.37%、74.45%.30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的VFA主要组分均为乙酸、正丁酸和异戊酸,其中,乙酸占总VFA的比例分别为46.53%、45.94%,污泥上清液中的COD/总氮(TN)比分别为13.26、14.41.在碳源组成方面,在水解酸化0.5~4.0 d之内,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD浓度基本不变,但随着水解酸化时间的延长,溶解性蛋白质占SCOD的比例均在下降,总VFA占SCOD的比例均在提高,实现了在不改变碳源总量的条件下增加易生物降解有机物比例的目的.     

通风策略对污泥生物干化过程中含氮气体和甲烷排放的影响

我国污泥生物干化过程中含氮气体(NH_3、N_2O、NO)排放的数据十分缺乏,尤其是NO,因其化学性质极其活泼,在以往的研究中甚少涉及.本研究以东北某大型污泥生物干化厂的连续流强制通风槽式污泥生物干化为研究对象,通过现场试验,考察不同通风策略下干化效率以及含氮气体、温室气体的排放特征.结果表明,当污泥初始含水率约50%时,采用前期供氧为主、中期温度控制为主、后期以除湿和散热为目的的通风策略,可以明显加快污泥干化速率(试验组在第11 d时的含水率为36.6%,对照组为42%),提升干化效果(最终含水率试验组为33.6%,对照组为37.6%),减少氨气累积排放量5%(试验组氨气累积排放为208 mg·m~(-3),对照组为219.8 mg·m~(-3));同时降低温室气体累积排放当量[试验组每吨干物料的温室气体排放当量(eCO_2)为3.61 kg·t~(-1),对照组为3.73 kg·t~(-1)].但NO累积排放量试验组比对照组高出15.9%(试验组为1.9g·m~(-2),对照组为1.6 g·m~(-2)).     

连续式两相厌氧消化的产气潜能

为了考察连续式两相厌氧消化过程及产酸相、产甲烷相最佳水力停留时间和产气潜能,并与序批式单相厌氧消化实验比较,采用生活垃圾、粪便、餐厨垃圾、污泥混合物料为消化原料,进行中温连续式两相厌氧消化和序批式单相厌氧消化实验。结果表明,单相厌氧消化产气潜能为242 m~3·t~(-1)TS,两相厌氧消化产气潜能达到380m~3·t~(-1)TS以上,提高了57.6%。两相厌氧消化最佳水力停留时间为14d,比单相厌氧消化的水力停留时间缩短了一半,并且连续式两相厌氧消化过程比单相厌氧消化具有更高的运行稳定性。     

基于响应面分析法的微波-过氧化氢-碱预处理污泥水解酸化优化研究

为进一步优化微波-过氧化氢-碱(MW-H2O2-OH)预处理污泥的水解酸化操作参数,在前期单因素试验研究的基础上,采用3因素3水平的响应面分析法,建立了水解温度、水解酸化时间和蛋白酶投加量分别对总VFA浓度和SCOD浓度影响的回归模型,并进行了碳源组成及其可利用性的评估.结果表明,模型极显著,拟合度、可信度和精确度高,数据合理,试验误差小.通过对回归模型的求解及综合考虑,得到优化的工艺条件为水解温度53.13℃、水解酸化时间4 d、蛋白酶投加量30.14 mg·g-1(蛋白酶/总固体浓度(TS),下同).验证结果表明,总VFA浓度和SCOD浓度的相对误差均在3%以内,说明该模型能很好地优化微波-过氧化氢-碱预处理后污泥的水解酸化操作条件和预测总VFA浓度和SCOD浓度.在碳源组成方面,优化工艺条件下SCOD占TCOD(混合液总COD)的44.56%,总VFA、溶解性蛋白质、溶解性糖类分别占SCOD的66.42%、19.34%和6.89%,碳源以总VFA为主,其中,VFA以乙酸(35.11%)、异戊酸(20.14%)、正丁酸(19.94%)、丙酸(16.90%)为主.三维荧光光谱的分析结果表明,污泥上清液中以溶解性微生物产物类酪氨酸和类色氨酸为主.优化组的污泥上清液作为碳源时的反硝化速率(0.184g·g-1·d-1,以每g VSS每天反硝化的NO-3-N量(g)计,下同)远远高于未优化组(0.065 g·g-1·d-1),碳源可利用性介于甲醇和乙酸钠之间,碳源可利用性较好.     

连续流强制通风槽式污泥堆肥工艺的温室气体和氨气排放特征

我国污泥堆肥过程中温室气体(CH4、N2O)和氨气(NH3)排放的基础数据十分缺乏.本研究以连续流强制通风槽式污泥堆肥工艺为对象,通过现场试验和观测,考察不同操作参数下堆肥过程中温室气体和氨气的排放特征.结果表明,减小辅料投加比例不利于有机质的转化(试验组和对照组的有机质降幅分别为1.38%、8.85%),较低的C/N比虽小幅增加了氨气的排放量(高于对照组8.68%),却有助于减少总氮损失(试验组16.1%、对照组21.8%),并可减少污泥堆肥过程的温室气体排放(以eCO2/DC计,试验组为1.70 g·kg-1、对照组为2.85 g·kg-1).采用"初期降低,末期升高"的通风方式,尽管增加了污泥堆肥过程中温室气体排放的CO2当量(高于对照组55.1%),却减少了氨气累积排放量(试验组66.86 g·m-2,对照组72.04g·m-2),进而降低了总氮损失(为对照组的51.34%).     

残留过氧化氢对微波-过氧化氢-碱预处理后污泥水解酸化的影响

前期研究发现,由于残留过氧化氢的影响,经过微波-过氧化氢-碱MW-H2O2-OH(p H=10)预处理的污泥进行水解酸化时存在产酸滞后期.因此,本研究通过批量试验,考察了残留过氧化氢对MW-H2O2-OH(p H=10和p H=11,MHO10和MHO11)预处理后污泥水解酸化的影响.结果表明,过氧化氢酶比二氧化锰具有更高效率的过氧化氢分解能力,能够在10 min内完全降解过氧化氢.水解酸化的8 d时间内,四组试验的SCOD(溶解性COD)浓度和总挥发性脂肪酸(VFA)浓度均呈现先增加后降低的趋势,优化水解时间均为0.5 d;MHO10组、MHO10+过氧化氢酶组(MHO10C)和MHO11+过氧化氢酶组(MHO11C)的优化水解酸化时间均为3 d,MHO11组的优化水解酸化时间为4 d.残留过氧化氢对MHO10预处理后污泥的水解酸化有抑制作用,存在产酸滞后期.与MHO10预处理相比,MHO11预处理释放的SCOD提高了19.29%,释放了更多的有机物,进而显著提高了总VFA产量,5 d时总VFA产量显著提高了84.80%,且MHO11组可以轻微缩短产酸滞后期.投加100mg·L-1过氧化氢酶,明显缩短解除了MHO10组和MHO11组0.5 d的产酸滞后期,并提高了总VFA产量,3 d时,MHO10C组、MHO11C组的总VFA浓度分别比MHO10组提高了23.61%、50.12%.MHO10组、MHO10C组和MHO11C组VFA的主要组分均为乙酸、异戊酸、正丁酸,而MHO11组VFA的主要组分为乙酸、丙酸、异戊酸,在各组的优化水解酸化时间,3种主要的VFA组分之和均占总VFA的75%以上,其中乙酸所占比例均在41%以上.     

基于微波-过氧化氢-碱预处理的污泥水解影响因素

预处理能有效提高污泥的碳源利用效果.本研究通过批量试验,考察了经过微波-过氧化氢-碱(MW-H2O2-OH)预处理后的污泥水解的影响因素,包括水解时间、接种比例和温度,并考察了优化条件下的污泥水解效果及其有机物特征.结果表明,预处理后的污泥优化水解时间为12 h,优化接种比例I/S为0.07.在此优化条件下(12 h,I/S为0.07),SCOD(溶解性COD)、溶解性蛋白质、溶解性糖类、总挥发性脂肪酸(VFA)的含量均随着温度的升高而增加,在65℃时达到最大.VFA的主要组分均为乙酸、丙酸和异戊酸,其中乙酸所占比例为42.7%~59.7%.在碳源组成方面,SCOD占污泥TCOD(混合液总COD)的37.8%~40.8%,其中溶解性蛋白质占SCOD的38.3%~41.3%,溶解性糖类占SCOD的9.0%~9.3%,VFA占总SCOD的3.3%~5.5%.污泥上清液中的COD/TN为15.79~16.50.三维荧光光谱和有机物表观分子质量分布的分析结果表明,污泥上清液中以溶解性微生物产物类酪氨酸荧光强度最强,并且荧光强度随着水解温度的升高而增强;经过MW-H2O2-OH预处理后,有机物大量释放,其中包括Mr100~350的小分子有机物,而经过水解后,Mr3 000~60 000的有机物得到降解.     

餐厨垃圾厌氧发酵处理工艺及关键设备

主要分析了国内外餐厨垃圾的处理技术现状,通过对比各种处理工艺,得出厌氧发酵处理工艺是餐厨垃圾处理的最优工艺,该工艺实现了餐厨垃圾的减量化、资源化、无害化处理,同时处理设备成熟,设备运行维护成本低,可在我国进行广泛推广。