温度对餐厨垃圾自由厌氧发酵性能的影响

通过批次实验研究温度对餐厨垃圾自由厌氧发酵(不控制pH)性能的影响。考察了室温(25℃),中温(35℃)和高温(55℃)条件下发酵基质的降解程度和有机酸的产量以及组成情况。结果表明,尽管高温条件下颗粒态有机物有最快的水解速率,但室温条件下有机酸浓度却达到了最大值(8.85 g COD·L~(-1));乳酸和乙酸是自由发酵过程中最主要的有机酸,室温下乳酸和乙酸的含量分别为总有机酸的72.86%和25.11%,而中温和高温时乳酸和乙酸的含量比值均在43.6%~50%之间。实验表明,自由发酵条件下,最佳的水解酸化温度是25℃。     

补料频率对牛粪料液酸化效果的影响

研究不同补料频率对牛粪水解酸化特性的影响,以牛粪为发酵原料,在发酵温度为中温(35±1)℃条件下,进行半连续产酸发酵实验,补料频率分别为12、24和36 h/次。结果表明,补料频率影响挥发性脂肪酸(VFA)的积累速度,从快到慢顺序分别为24、36和12 h/次,24 h/次组在第7天挥发酸总量积累最大;在所做实验的补料频率内不影响发酵类型,各组的乙酸与丁酸之和的百分含量均在81%以上,属于丁酸型发酵;p H值6.2左右在丁酸发酵的适宜范围,因此,24 h/次组可以为产甲烷相提供适宜底物。     

剩余污泥超声预处理后水解酸化特性

为探讨剩余污泥超声预处理后的水解酸化特性,考察了0.6 W/mL、5 min和1 W/mL、5 min 2种超声预处理条件下污泥水解酸化过程有机质、氮、磷的释放情况。实验结果表明,2种超声预处理均可促进污泥水解酸化,并且0.6 W/mL比1 W/mL的超声预处理更有利于SCOD的释放、VFAs的产生以及氮和磷的释放;水解酸化初期,超声预处理比未经超声预处理的污泥在有机质、氮、磷释放率上差异非常明显,随着水解酸化的进行,有机质和氮释放率差异仍很明显,而磷释放程度逐渐接近;经0.6 W/mL超声预处理,污泥水解酸化3 d后,SCOD释放率、VFAs浓度、TN释放率和NH4+-N释放率分别是未经处理污泥的1.85、2.63、1.85和1.41倍,而TP和PO43--P释放率较未经处理污泥仅分别多2.44和1.23个百分点。研究表明,控制适宜的声能密度、超声时间和水解酸化进程是超声预处理强化剩余污泥水解酸化效果的关键。     

温度和紧实度对秸秆水解产酸的影响

为了解紧实度和温度对秸秆水解产酸过程的影响,以麦秸为原料,在不密封条件下,设置秸秆容重分别为0.03、0.05和0.08 t·m-3,水解温度为10、20和30℃,分析了实验过程中水解酸化液COD、SCOD、pH值、挥发性脂肪酸组成和含量的变化。结果表明:秸秆紧实度对秸秆有机物水解溶出速率影响明显,秸秆紧实度与秸秆有机物水解溶出速率成反比,与水解酸化液COD、SCOD和挥发性脂肪酸含量达到峰值的时间成正比,但在同等体积反应器内紧实度越大秸秆TS负荷越高,有利于提高水解酸化液COD、SCOD和VFAs浓度;秸秆紧实度对秸秆水解产酸产物的组成和含量影响明显,秸秆容重为0.03和0.05 t·m-3的处理水解产酸产物中乙酸占比达75%以上,丙酸、丁酸等含量较低,而秸秆容重为0.08 t·m-3的处理水解产酸产物中以丁酸和乙酸为主,为典型的丁酸型发酵,11 d后转变为丙酸型发酵;实验12 d后,不同紧实度处理水解酸化液中丙酸含量均逐渐增加;温度对秸秆有机物水解溶出的影响明显,水解酸化液COD、SCOD和pH值与温度成正比,温度高对秸秆有机物水解溶出有利,但同时也提高了可分解利用秸秆水解产酸产物的微生物活性,造成实验后期水解产酸产物大量损失。当温度为30℃时,水解产酸时间控制在5 d左右较合适,当温度为20℃时,水解产酸时间控制在2周左右较合适。     

电刺激对餐厨垃圾-污泥共厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响

以小型生物电化学反应器为发酵装置,考察外加电刺激对餐厨垃圾-污泥共厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFA)产量的影响。实验结果表明,餐厨垃圾协同污泥厌氧发酵,有利于体系中蛋白质和糖类的溶解消耗,提高VFA的产量。0.5 V微电刺激可增强厌氧体系中微生物的活性,有利于VFA的产出。第144和192小时,外加0.5V的实验组VFA浓度分别为24 342 mg·L~(-1)和21 291 mg·L~(-1),高于其他实验组,较空白分别提高了30.8%和4.1%;其组成主要是乙酸、丙酸和戊酸。发酵进行第24 h和96 h时,0.5 V微电刺激厌氧发酵体系中溶解性糖类和溶解性蛋白质分别为722.4 mg·L~(-1)和1.49 g·L~(-1),且有机物水解酸化过程中,厌氧体系内糖类先于蛋白质被消耗。     

基于氨氮抑制效应的污泥厌氧产酸

以高含固污泥为研究对象,采用微波协同酸预处理该污泥,然后利用鸟粪石法去除超过相应浓度的氨氮,研究不同浓度氨氮对污泥厌氧产酸的影响。结果表明:氨氮浓度超过500 mg·L~(-1)时可以满足厌氧发酵微生物增殖生长的需要;鸟粪石法去除高含固污泥发酵液中过量的氨氮可以达到提高发酵产酸产量的目的,最高可达6 521.95 mg·L~(-1);半抑制浓度条件下,发酵过程中NH_4~+-N对厌氧发酵微生物均有不同程度的抑制,丙酸盐降解菌和异丁酸盐降解菌具有更为明显的抑制作用;未处理条件下可知随着NH_4~+-N浓度的上升,产氢产乙酸菌群和同型产乙酸菌群不仅受到抑制,且菌群间的互营机制可能也遭到不同程度的破坏。     

餐厨垃圾和稻草两相厌氧发酵及其动力学

采用响应面实验设计对影响酸化相产酸效果的4个因素即有机负荷、酸化时间、F/M(VS/VS)比、餐、草比进行实验研究.在最优的酸化条件下,选取最优的餐、草比与单餐厨和单稻草的产酸效果和产甲烷性能进行比较,并进行产物动力学曲线拟合.实验结果表明,进料负荷为42.95 g(VS)/L,酸化时间为7.92 d,F/M(VS/VS)为2.12∶1,餐、草混合比为3.88∶1时,产酸效果最优,VFA和乙醇总量为16 844 mg/L,比单因素最优水平组合VFA和乙醇总量提高30.4％.一级动力学模型可以很好地表征酸化阶段的VFA和乙醇的产量,餐、草比3.88∶1,餐厨垃圾和稻草的酸化一级产物生成的速率k分别为0.0887、0.0753和0.0625 1/d.修正Gompertz模型也较好地表征产甲烷阶段的负荷累计产甲烷量,拟合曲线的相关系数均大于0.98.     

超磁分离污泥与剩余污泥协同水解酸化

以超磁分离污泥作为研究对象,用2种不同的剩余污泥作为接种污泥,维持温度在30℃,探究了剩余污泥对超磁分离污泥厌氧水解酸化产物及产率的影响。结果表明:随着剩余污泥接种量的增加,混合污泥SCOD的析出量也逐渐增加;接种剩余污泥量的增加促进了混合污泥VFAs的生成;各种污泥产VFAs中,乙酸均具有明显优势,并会促进丙酸的累积;混合污泥较之于超磁分离和剩余污泥具有快速、高效的产酸优势,且随着剩余污泥接种量的增加,加快了水解酸化的速率并且加深了酸化的程度,但会延长其达到最大值的时间。污泥产酸发酵获得内碳源的同时,还存在着N元素的释放,且随着剩余污泥接种量的增加,这种伴随现象更明显。对比2种剩余污泥(W1、W2)发现,W1作为接种污泥时,并没有明显的P元素的释放;当W2作为接种污泥时,伴随着比较明显的P元素的释放。综合考虑剩余污泥对于超磁分离污泥水解酸化效果的影响发现,当剩余污泥接种量W1为12.2%,W2为13.6%时,既可以为系统提供更多的SCOD,又可以避免过高的氮负荷。     

pH对混合污泥水解酸化的影响

pH对剩余污泥和初沉污泥水解酸化的影响已有报道,但pH对混合污泥水解酸化的影响尚鲜见报道。为此对厌氧环境,(20±1)℃,pH=4～11以及不控制pH条件下混合污泥的水解酸化特征进行了研究。研究发现:对pH调控有利于污泥SCOD的溶出,在较强的碱性条件下污泥溶出的SCOD要大于其他条件下的,特别是pH=10和11条件下污泥溶出的SCOD要远高于其他条件下。碱性环境和酸性环境以及中性环境相比更有利于混合污泥产酸,最佳产酸pH条件为pH=10。在酸性和极端碱性条件下均有利于混合污泥中氨氮和磷的释放。碱性环境利于挥发性悬浮固体(VSS)的去除,但不利于总悬浮固体(TSS)的去除。在不同pH条件下将混合污泥的发酵特征和剩余污泥和初沉污泥发酵特征比较,发现3种污泥水解和产酸均在碱性条件下最好,且在20～22℃的条件下,产酸量均在pH=10的条件下达到最大。     

稻草经超声波辅助预处理后酶解过程的动力学研究

在功率为120 W、处理时间为30 min的条件下,分别对稻草进行超声波辅助酸碱预处理,与传统化学预处理(碱-预处理、酸-预处理)后稻草的主要化学组成相比较,结果表明超声波技术辅助酸碱预处理可以更为有效地去除半纤维素和木质素,从而提高了稻草基质中纤维素的相对含量,有利于缩短稻草水解时间。在一系列实验研究的基础上,建立了稻草酶水解动力学模型。结果表明,分别经碱、超声波-碱、酸、超声波-酸预处理的稻草在糖化过程中的模型参数(米氏常数KM,速率常数k和抑制常数KI)均不相同,KM分别为17.55、14.14、15.29和15.08 g/L;k分别为15.30、21.32、13.40和15.42 h-1;抑制常数KI变化不明显分别为2.31、2.08、1.81和1.85 g/L。模型及实验方法简便可靠,有较好的拟合性,对稻草酶水解过程工程放大及过程控制都具有一定的参考价值。     

温度和初始pH对农业固体废物暗发酵产氢的影响

以猪粪、鸡粪、玉米秸秆、餐厨垃圾和厨余垃圾等5种农业固体废物为底物,采用修正的Gompertz模型,研究了典型农业固体废物暗发酵产氢动力学和代谢产物变化规律,探讨了不同温度和初始pH条件下的主要产氢代谢途径。结果表明:温度和初始pH对农业固体废物暗发酵产氢具有显著影响;高温组累积产气量和氢气百分含量显著高于中温组。在55℃高温且pH为6.0的条件下,餐厨垃圾暗发酵产氢效果最佳,累积产气量和氢气百分含量最大,为1 100 mL和73.58%,最大产氢速率和产氢潜力分别为37.11 mL·h~(-1)和660.30 mL;厨余垃圾暗发酵产氢效果次之,鸡粪产氢潜力最差。在暗发酵产氢末期,以鸡粪为底物的代谢产物的氨氮浓度最高,过高的氨氮浓度可能抑制了产氢过程。VFA分析表明:不同底物和条件下丁酸浓度均最高,且含有少量乙醇、乙酸、丙酸等;暗发酵产氢代谢途径是以丁酸型发酵为主的混合型发酵。通过温度、初始pH等非生物性控制因素的优化调控,显著提高了农业固体废物暗发酵产氢潜力和底物利用效率,为生物制氢的技术研发与工程应用提供参考。     

湿热水解预处理对餐厨废弃物液相厌氧发酵产氢潜力的影响

为研究湿热水解预处理方法对餐厨废弃物液相厌氧发酵效果的影响,选取不同温度(80、120、150和200℃)、处理时间(40、50、60和70 min)和加水比例(40%、60%、80%和100%)条件下对餐厨废弃物进行预处理,并在中温(37±1)℃条件下对液相进行厌氧发酵潜力实验。结果表明:湿热水解预处理可有效提高餐厨废弃物液相的生物可利用性,进而提高厌氧发酵的产气效率,其中加水比例40%,150℃处理60 min条件下可浮油脱出量最高为67.7 m L/kg,与原样相比提高了2.65倍;氢气含量最高为62%,最高产氢速率为15.57 m L/h,累积产氢最高达194.28 m L/g VS,与原样相比分别提高了3.6、5.4和20倍,说明湿热水解预处理可有效提高餐厨废弃物液相的产氢潜力。     

厌氧发酵方式对乳渣废水产酸性能的影响

为了研究厌氧发酵方式对乳渣废水发酵产酸效果的影响,分别对乳渣废水采用自然型发酵、填料型发酵及中性型发酵(pH=7.0±0.2),并进行连续2个周期的厌氧反应。分析乳渣废水中可溶性化学需氧量(SCOD)、蛋白质、多糖、挥发性短链脂肪酸(SCFAs)、水解酶(蛋白酶、α-葡萄苷酶)和辅酶420、NH_4~+-N及PO3-4-P指标的变化。研究发现,中性产酸系统中水解酶活性较高,蛋白质和多糖等物质水解性能较好,使乳渣废水产酸性能最佳,最大SCFAs积累量为12 328.37 mgCOD·L~(-1)。自然发酵产酸系统中水解酶活性最低,系统中残留大量的蛋白质和多糖等物质,最低SCFAs积累量为4322.61 mg COD·L~(-1)。同时发现,3个发酵系统中挥发性短链脂肪酸酸成分具有显著差别,其中自然型发酵系统乙酸积累率最大,可达69.70%,中性发酵系统丙酸积累率最大可达49.27%,填料型发酵系统正丁酸积累率最大可达38.85%。     

瘤胃液用于玉米秸秆产酸的影响因素

以瘤胃液为接种物对秸秆进行批式实验,研究了发酵时间、发酵温度与接种比对秸秆发酵产酸的影响。发酵3 d后,发酵液的pH、VFA浓度、SCOD浓度与产气量基本达到稳定值,分别为6.66±0.02、(6 321±45)mg·L~(-1)、(10 523±273)mg·L~(-1)与(1 351±41)m L,反应基本结束;相比其他温度,在39℃时,VS转化率与VFA产率达到最大值,分别为(46.7±2.3)%与(291±4)mg·g-1(以VS计),发酵液的最终pH也达到最小值7.19±0.03;随着接种比从0.47减小到0.09,VFA产量从(5 704±46)mg·L~(-1)升高到(9 633±143)mg·L~(-1),但是VS转化率、最终pH与VFA产率分别从(58.5±0.8)%、6.54±0.00与(603±5)mg·L~(-1)下降到(26.6±3.4)%、5.44±0.04与(204±3)mg·L~(-1),其中0.16为极限接种比,当接种比低于该值时,总产气量不再增加。     

酸化冲击对低pH厌氧发酵系统性能的影响

为了研究酸化冲击对厌氧发酵有机废水能源回收系统的影响,利用自制的厌氧内循环反应器(anaerobic internal circulation reactor,AICR),以模拟糖蜜废水为底物,逐步提高进水容积负荷以模拟高容积负荷下出现的酸化冲击。研究了反应器酸化前后运行参数,并利用高通量测序检测了酸化后系统微生物群落结构。结果表明:酸化会导致颗粒污泥解体,产气速率和COD去除率下降,产甲烷活性严重抑制,同时发酵类型也发生转变。反应器酸化以后,发酵类型从丁酸型发酵类型转变为混合酸发酵类型,在进水负荷不变的情况下,总产气速率下降约50%,从2 100 mmol·(L·d)~(-1)下降至1 056 mmol·(L·d)~(-1)。酸化后的系统中,非产氢发酵细菌为优势细菌(54.7%),而产氢细菌所占比例较少(37.3%),未检测到产甲烷细菌。     

NaOH预处理对杂交狼尾草厌氧发酵产沼气的影响

研究了Na OH预处理对杂交狼尾草厌氧消化制沼气的影响。采用质量分数分别为0%、2%、4%、6%和8%的Na OH溶液对杂交狼尾草进行碱预处理,在中温(35℃)、TS质量分数6%、接种率20%及初始p H为7.0条件下,进行厌氧发酵实验。对比了处理前后原料木质纤维素含量,探讨了不同浓度预处理对发酵过程沼气产量、甲烷浓度、p H以及产气速率的影响。结果表明,Na OH预处理有助于提高杂交狼尾草厌氧发酵的产气量和产气速率,其中4%Na OH预处理为较优条件。经4%Na OH溶液常温浸润24 h后,杂交狼尾草木质素降解率最大,比未处理实验组提高了31.2%;厌氧发酵总产气量比未处理实验组提高了31.6%。     

工程规模下碱类型对污泥预处理效果及发酵产酸的影响

研究了工程规模下3种碱对剩余污泥热碱预处理效果以及厌氧发酵产酸的影响。结果表明,平均进泥浓度为70 g·L~(-1)时,氢氧化钠的预处理效果要优于混碱(Ca(OH)_2:NaOH=4:1)和过氧化钙,处理后污泥中溶解性化学需氧量(SCOD)的平均浓度是预处理前的8.45倍,水解率达到64.26%。但是,使用过氧化钙进行预处理可以有效提高污泥的发酵产酸效果,产酸效率明显优于混碱和氢氧化钠,总挥发性脂肪酸(TVFAs)的平均浓度为7.93 g·L~(-1),产酸率(以COD计)为273.93 mg·g~(-1)VSS,且总酸中乙酸比例达到60.35%;发酵后平均TSS和VSS分别下降了24.42%和47.62%;同时,氨氮(NH_4~+-N)和总磷(TP)浓度最低,其平均浓度分别为286.33 mg·L~(-1)和17.42 mg·L~(-1)。此外,混碱组、过氧化钙组和氢氧化钠组污泥厌氧发酵的净利润分别为229.14、257.37和10.49元·t~(-1)(脱水污泥)。实验结果表明,热混碱和热过氧化钙预处理用于污泥厌氧发酵有望得到广泛的应用。     

污泥性质对污泥水解酸化效果的影响

采用3组构造一致的完全混合流态水解酸化反应器,分别以同等浓度的絮凝污泥、初沉污泥和剩余污泥作为底物污泥,在温度35℃,初始p H=10的反应条件下,研究污泥性质的差异对污泥水解酸化产物及产率的影响。实验结果表明:与初沉污泥、剩余污泥相比,絮凝污泥更易水解产酸发酵,至第9天水解产SCOD达到最大值2 713.2 mg/L,第7天酸化产VFAs达到峰值1 392.7 mg/L。3种污泥酸化产VFAs的主要组分均为乙酸和丙酸,但絮凝污泥VFAs组分中乙酸、丙酸这种优势更加明显,其所占比例分别高达48.9%和27.2%。此外,3种污泥水解酸化产碳源的同时均伴随着氮、磷元素的释放,整体而言,絮凝污泥产酸发酵中氮、磷元素的释放量及释放率均较低。     

热水解超声组合预处理对污泥厌氧消化产气潜力的影响研究

针对城市污泥厌氧消化由于融胞困难所导致的消解速率低、产气量低等问题,采用热水解与超声组合的方法对污泥进行预处理,考察经预处理后污泥融胞效率的变化及对厌氧消化产气潜力的影响.结果显示,热水解与超声波组合工艺对污泥的破胞作用明显,在30 min热水解与0.53 W/mL超声声能密度组合工艺反应60 min条件下,相对于处理前污泥,预处理后污泥溶解性COD(SCOD)溶出率可提高41.6％,蛋白质增加值达282.7 mg/L,污泥厌氧消化的产气潜力显著增加;30 min热水解分别与0.53、0.33 W/mL超声声能密度组合工艺对污泥破胞效率的差异不大;随着超声时间的延长,在组合预处理工艺前20 min内SCOD的溶出速率较慢,20260 min时溶出速率逐渐提高.试验结果可为城市污泥厌氧消化预处理工艺的选择提供一定的理论依据.     

超声波对污泥水解的促进作用

以超声波预处理城市污水处理厂剩余污泥,考察不同功能密度下的超声波对污泥水解释放碳源过程的影响。结果表明,污泥经超声波预处理,可缩短污泥水解时间,促进VFA释放,且声能密度越大,促进作用越显著;当声能密度为0.138 W/mL、作用时间为1 min时,污泥水解4~5 d后,释放VFA达到800 mg/L,VFA/TN由初始的1.98提升至4.15,VFA/TP由初始的24.78提升至42.35。同时,超声波不仅破坏污泥絮体结构,而且提高了微生物中蛋白酶和辅酶F420的活性,更有利于污泥水解。