不同污泥含固率的高温微好氧-中温厌氧消化工艺研究

为探讨城市污泥高温微好氧-厌氧两级消化耦合工艺(TAD-MAD)中CH_4产气情况,考察了不同污泥含固率条件下TADMAD工艺中的p H、总碱度、VSS去除率、挥发性脂肪酸(VFA)和沼气产量以及沼气中CH_4含量,并与中温厌氧消化工艺(MAD)进行对比。试验结果表明,在未调节污泥初始p H的条件下,在消化过程中污泥p H能维持在6.5~7.8之间,适宜甲烷菌生长。TAD-MAD工艺中高温微好氧消化2 d,VFA含量大幅度增加,最高为8 524.70 mg/L,有利于后续中温厌氧消化产甲烷。TAD-MAD工艺系统中累积单位VSS甲烷产气量和CH_4含量均高于MAD工艺。TAD-MAD工艺最佳进泥TSS为7.12%,污泥经过24 d的消化,VSS去除率能达到40%,而MAD的VSS去除率仅为35.12%。TAD-MAD工艺累积单位VSS甲烷产气量为116.56 m L/g VSS,超过MAD的85.72 m L/g VSS。且TAD-MAD工艺产甲烷持续时间较MAD工艺长,CH_4含量总体高于MAD工艺,表明TAD-MAD工艺在VSS去除、甲烷产气量和甲烷含量方面均优于MAD工艺。     

微曝气预处理对高固污泥厌氧消化产甲烷的影响

以高固污泥为研究对象,探究额微曝气预处理对污泥厌氧消化产甲烷的影响。实验结果表明微曝气预处理能够强化高固污泥厌氧产甲烷,并且最佳的微曝气强度为0.4 vvm,相应的甲烷产量为312 m L/g挥发性悬浮固体。此外,微曝气有助于溶解性有机物的释放,当曝气强度为0.4 vvm时,溶解性COD与总COD的比值为0.31,溶解性蛋白质和多糖的含量分别为2.5、1.2 g/L,进一步研究发现微曝气能够促进挥发性脂肪酸(VFA)的积累和VSS的减量。微生物种群研究表明微好氧曝气能够促进Firmicutes的相对丰度,并且在0.4 vvm曝气强度作用下,Firmicutes的相对丰度为40.6%。     

中温碱解预处理促进剩余污泥厌氧产甲烷的研究

采用4 mol/L NaO H碱液在中温下处理城市生活污水处理厂剩余污泥6 h,对比原剩余污泥和中温碱解污泥厌氧消化产甲烷的能力,分析了中温碱解及厌氧消化过程中剩余污泥胞内物质的释放规律,结果表明:碱解预处理有效促进了有机物、氨氮的释放,对磷酸盐释放促进作用不明显。原剩余污泥的沼气转化效率为387.5 L/kg(以VS计,下同),中温碱解处理组的沼气转化效率为402.5 L/kg;中温碱解处理组沼气转化效率比原剩余污泥组高3.87%;中温碱解预处理提高了污泥减量化程度及甲烷产量。改进的Gompertz模型结果表明:碱解处理后剩余污泥最大甲烷产量为1 480.7 mL,最大产甲烷速率为77.8 mL/d,细菌产甲烷的延迟时间为3.38 d。     

低热值污泥与油脂共消化强化甲烷产量及微生物组分探究

低热值污泥由于有机质含量低而限制了其厌氧消化甲烷的产量。研究报道了一种强化低热值污泥厌氧消化产甲烷的新方法,即低热值污泥与油脂共消化。结果表明:低热值污泥与油脂共消化能够促进甲烷的产量,并且污泥和油脂的最佳比例为1∶1,且投加0.5 L混合物时,其相应的甲烷产量为1 250 m L。进一步研究发现污泥和油脂共消化能够促进挥发性脂肪酸的积累和有机质的减量。微生物群落结构组分分析表明:污泥和油脂共消化可促进Methanosarcina的丰度,而降低Methanoculleus的丰度。在污泥和油脂最佳混合比例下,Methanosarcina和Methanoculleus的丰度分别为64.8%和2.3%。     

热水解预处理剩余污泥的有机物分布及厌氧消化特性

研究了热水解后剩余污泥中有机物分布以及热水解对污泥厌氧消化效果的影响。剩余污泥经过热水解处理后,VSS含量从51. 0%降低至42. 7%,溶解性COD占总COD的比例从0. 5%提高至33. 5%;进一步厌氧消化时,总COD和VS降解率分别提高至35%和41%,甲烷产率提高至0. 25 L/g,累积甲烷产量比未热水解的污泥提高了101. 2%。脱水污泥液累积甲烷产量占热水解污泥甲烷产量的59%,是厌氧消化所产甲烷的主要来源,而脱水泥饼COD转化成甲烷的比例相对较低。根据剩余污泥热水解后液相和固相有机物的厌氧消化特性差异,提出了基于热水解的污泥厌氧消化工艺优化方案。     

酸-碱预处理促进剩余污泥厌氧消化的研究

为提高剩余污泥的厌氧消化效率,投加酸和碱对污泥进行预处理,对比分析了不同预处理方式（单独碱处理、酸-碱处理和碱-酸处理）对污泥水解酸化的影响,并研究了各种预处理方式对后续厌氧消化产甲烷效率的影响.结果表明,单独碱处理的溶解性化学需氧量（SCOD）溶出量比酸碱联合处理要大16%左右,预处理第8 d,达到5 406.1 mg.L-1.采用先酸（pH 4.0,4d）后碱（pH 10.0,4 d）预处理,在污泥水解酸化过程中,乙酸产量及其占总短链脂肪酸（SCFAs）的质量分数均高于其他预处理方式,其乙酸产量（以COD/VSS计）可达到74.4 mg.g-1,占总SCFAs的60.5%.酸-碱预处理后污泥混合液的C∶N比值为25左右,C∶P比值在35～40之间,这比单独碱处理和碱-酸处理后的C∶N和C∶P比值更有利于后续厌氧消化.通过对比研究发现,酸-碱预处理后,厌氧消化到第15 d,酸-碱预处理污泥的累积甲烷产量（CH4/VSS加入）达到136.1 mL.g-1,分别是空白对照、碱-酸预处理和单独碱预处理方式的2.5、1.7和1.6倍,厌氧消化效率最高.经过8 d酸-碱预处理和15 d的厌氧消化,挥发性悬浮固体（VSS）总去除率达到60.9%,污泥减量效果比其他预处理要好.很显然,酸-碱预处理方式更有利于污泥厌氧消化及污泥减量化.     

碱耦合机械法处理剩余污泥强化厌氧消化

厌氧水解反应是传统污泥厌氧消化的瓶颈,为提高厌氧消化效率和沼气产量。该实验通过对剩余污泥投加碱耦合机械破解的方式对污泥进行预处理,研究SCOD的溶出效果和污泥粒径的变化以及对后续厌氧消化的影响。结果表明:在投加碱调节污泥pH=11后机械破解20 min可以使污泥的SCOD从267 mg/L达到15 824 mg/L,粒径从初始的61.37μm减小到6.06μm。50%的投配比加入到厌氧反应器中进行消化反应后,与对照组相比,污泥稳定时间缩短了8 d,产气率提高70%以上,甲烷含量提高了22%,同时污泥VSS去除率提高了9.73%,厌氧消化效果明显改善,在一定程度上实现了污泥减量与资源化。     

酸碱-微波耦合预处理对污泥胞外聚合物溶裂与产甲烷行为的影响

对酸碱-微波耦合预处理后不同EPS组分在污泥厌氧消化行为中扮演的角色进行研究，通过产甲烷潜能实验评价其甲烷转化性能。结果表明:酸碱-微波耦合预处理通过溶出胞内有机物和改变EPS的分布来影响污泥产甲烷行为。甲烷累积产量最优预处理条件为pH=10，微波500 W，预处理时间120 s。此时，预处理后溶解型胞外聚合物（S-EPS）中的溶解性化学需氧量（SCOD）浓度达到11460 mg/L，是对照组浓度的184.5%，累积甲烷产量为89.08 mL/g，较对照组增加59.9%。碱处理（pH=10和12）时，S-EPS对累积甲烷产量的贡献率分别达到了16.6%和30.4%，远高于松散结合型胞外聚合物（LB-EPS）与紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）。在48 d的厌氧消化过程中，S-EPS对产甲烷的贡献率在1~4 d内快速升高，随后缓慢持续下降。因此，酸碱-微波耦合预处理通过强化污泥S-EPS中的多糖、蛋白质等有机质的溶出，促进污泥甲烷化。     

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。     

混合污泥中温两相厌氧消化中试的启动试验

在小试基础上,以北方城市污水处理厂混合污泥为处理对象,研究了中试规模中温(35℃)两相厌氧消化工艺的启动性能及运行效果.结果表明,在启动过程中,初沉污泥与剩余污泥按1:1 比例混合有助于提高处理效率;当水力停留时间(HRT)为10d,VS 容积负荷为2.15kg/(m3⋅d)时,系统VS 去除率达36%左右,相应产甲烷相的比产甲烷活性(SMA)约为0.31L/(g⋅d);系统运行约60d,产酸相VFA 浓度稳定在1600~2000mg/L.经产甲烷相消化后,VFA 浓度稳定在300~500mg/L;产甲烷相pH 值保持在6.8~7.2,有利于产甲烷菌生长.     

不同底物条件下金属离子螯合剂对厌氧消化的影响

借助气相色谱分析,研究了金属离子螯合剂在不同有机酸存在时对厌氧消化的影响.结果表明,螯合剂A的添加可以有 效提高不同有机酸的甲烷产量和产甲烷速率,促进有机酸向甲烷的转化. 当螯合剂A的添加量为10μmoI/L时,丁酸、丙酸和乙酸的甲烷产量分别增加了19.8%、133.0%和45.2%.产甲烷的延滞期也明显缩短,最高产甲烷速率提高了4倍多.丁酸厌氧氧消化的4～8d间,丁酸降解率达56%,同时,气相色谱未检测到乙酸的累积,说明丁酸转化为乙酸后,乙酸很快被产甲烷菌利用.螯合剂A对有机酸产甲烷的促进作用可从酶学上得到支持,以乙酸为例,添加10μmoI/L螯合剂A时,污泥(vss)中辅酶F₄₂₀含量由空白实验的1.20μmoI/g提高到1.52μmoI/g.     

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。     

高固体污泥微波热水解特性变化

考察浓度7%、9%和13%的高固体污泥微波热水解特性,通过生化产甲烷潜能(BMP)实验,分析热处理污泥厌氧消化性能的变化.结果表明,微波加热升温速度快,污泥中悬浮性挥发固体(VSS)和悬浮固体(SS)溶解,液相COD、TOC、氨氮、TN和TP浓度增大, pH值降低.水解效率受污泥浓度影响显著,浓度13%的污泥VSS和SS溶解率低于7%和9%的污泥.170℃热水解5min,9%污泥的VSS和SS溶解率分别为23%和18%, SCOD浓度为41g/L, TOC和氨氮浓度达到30g/L和1g/L.热水解污泥厌氧消化性能提高,9%污泥的产气量在170℃、5min和10min比未处理污泥增加27%和30.8%.热水解时间对提高消化性能影响不大,热水解由5 min到10min,120℃、150℃和170℃的产气量分别增加4%、3.6%和5.7%.     

游离亚硝酸预处理强化剩余污泥发酵同步反硝化性能

考察了游离亚硝酸(FNA)预处理对污泥解体和剩余污泥发酵同步反硝化性能的影响.结果表明,不同FNA浓度(0,0.68,1.35和2.03mgN/L)处理剩余污泥预处理过程中,SCOD的产量和产生速率均随着FNA浓度的增加而增加,其中SCOD的产生速率依次为0.66, 1.70, 2.13和2.70mg/(gVSS×h).随着预处理过程中FNA浓度的增加,剩余污泥中死菌占总菌的比例由41%上升至80%.FNA预处理可使剩余污泥发酵同步反硝化系统SCOD的产量增加49%和污泥减量提高41%,同时使系统反硝化能力提高40%. 此外, FNA预处理可使该系统中温室气体N2O产量占NO2-还原量的百分比减少58%.     

垃圾渗滤液与厨余垃圾混合厌氧消化研究

对垃圾渗滤液与厨余垃圾进行混合厌氧消化研究,采用中温批式厌氧消化工艺,考察3g/L和30g/L有机负荷(以VS计)条件下厌氧消化过程中pH值、产气量、VFA以及甲烷含量的变化,旨在探索有机负荷对厌氧消化产甲烷效果的影响.结果表明,在30g/L负荷下比3g/L负荷反应过程更为稳定,且累计生物气产量有大幅提高.2种负荷下系统均能进入产甲烷阶段,最高甲烷体积分数分别达到77.14%和74.47%,VFA质量浓度在反应结束时分别为300mg/L和336 mg/L.     

高温预处理强化污泥与餐厨垃圾共消化

污泥和餐厨垃圾共消化具有提高污泥稳定化的作用,为进一步强化污泥与餐厨垃圾共消化效果,提出高温预处理强化污泥与餐厨垃圾中温厌氧共消化的运行策略,并从宏观和微观2个层面探讨了共消化系统的运行机制。结果表明：污泥与餐厨垃圾经过1 d高温预处理后,其SCOD/TCOD从33.9%提高到65%;中温厌氧消化时的甲烷产率和有机物去除率高达0.54 L/g和78.8%(SRT=20 d)、0.76 L/g和56.6%(SRT=15 d),略高于某实际餐厨废弃物及市政污泥协同处理项目一期的0.53 L/g和53.5%,该项目采用150～170℃高温、1 MPa高压热水解进行预处理;采用Illumina MiSeq测序技术得出水解酸化菌属如Porphyromonadaceae、Draconibacteriaceae、Eubacterium和Romboutsia在高温预处理后的共消化系统中得到富集,促进了系统的水解和产酸过程,为系统中产甲烷菌Archaea提供了丰富的基质,强化了污泥与餐厨垃圾共消化产气效果。     

藻酸盐降解菌群强化剩余污泥厌氧消化产甲烷

厌氧消化生产甲烷是实现剩余污泥(WAS)资源化的重要技术,水解阶段是WAS厌氧资源化的限速步骤。WAS中的酸性多糖(如藻酸盐和半乳糖醛酸等)能够与水中Ca2+等二价阳离子形成凝胶类物质,具有维持污泥结构并阻碍微生物水解的作用,被认为是结构性胞外聚合物的主要组分。首先利用藻酸盐为底物经过恒化器培养得到高活性的藻酸盐降解菌群(ADC)。结果表明:投加ADC菌群能够明显提高剩余污泥(WAS)厌氧消化的功能,即在接种比［m(ADC)∶m(VSS)］为0.03 g/g时,污泥的甲烷产量提高了53.6%。进一步分析表明,该菌群对WAS的几种典型有机成分(聚半乳糖醛酸、葡聚糖和酪蛋白等)均具有较好的厌氧降解能力。Illumina Miseq高通量测序结果表明该ADC菌群以拟杆菌属(Bacteroides,96.3%)为主。该成果为强化剩余污泥厌氧发酵产甲烷提供了一种新的微生物方法。     

预处理对造纸污泥厌氧消化产甲烷性能的影响研究

采用碱(NaOH)和生物(蘑菇渣、绿色木霉)2种方法分别预处理造纸污泥,并将预处理后的造纸污泥与味精废液进行联合厌氧消化,研究不同预处理方式对造纸污泥的影响以及对后续联合厌氧消化甲烷产率的影响.结果表明,造纸污泥经过碱(NaOH)预处理和生物预处理(蘑菇渣、绿色木霉)后,污泥颗粒的结构变得紧实、平滑,颗粒间的孔隙度减少,污泥絮体中的纤维长度明显变短、污泥中的SCOD增加了35.5%~1130%、VSS降低了6%~19%、SVsludge增加了32%~192%,NH3-N浓度提高了36%~62.4%,表明预处理后污泥中的大分子物质被降解成小分子物质,且碱预处理对污泥产生的变化较生物处理大;经预处理后的造纸污泥与味精废液联合厌氧消化,甲烷得率分别为:NaOH预处理0.32m3 CH4/kg VS、蘑菇渣预处理0.23 m3 CH4/kg VS,较CK分别提高了54%~88%和12%~34%,可见碱预处理提高甲烷产率效果更明显,由于蘑菇渣预处理具有成本低、解决二次污染、实现废物再利用等优点,因此两者在预处理提高造纸污泥厌氧消化甲烷产率方面都具有重要意义.     

游离氨对热水解联合中温厌氧消化处理剩余污泥的影响

热水解预处理强化了污泥厌氧消化过程,但同时增加了微生物受游离氨抑制的风险.对比传统工艺,在有机容积负荷率1.74~4.27gVS/(L·d)条件下,研究了游离氨(FA)对热水解联合中温厌氧消化工艺性能的影响.结果表明,组合工艺甲烷产量较传统反应器提高89%~121%,有机去除率提高1.21~1.46倍.但同时导致系统中游离氨浓度达89~382mgN/L,显著高于传统工艺中37~84mgN/L的范围.游离氨毒性测试显示,传统工艺中FA浓度从43mgN/L升至84mgN/L,没有抑制解乙酸产甲烷途径,而组合工艺中FA升至264mgN/L时,表现出抑制作用,尽管厌氧菌对高浓度FA表现更强的驯化趋势.结合氮负荷试验, FA浓度与基质利用能力,解乙酸产甲烷途径抑制程度和挥发性有机酸积累的关系表明,高有机负荷条件下组合工艺效率可通过控制氮负荷优化.     

污泥与秸秆共基质中温两相厌氧消化特性

以污泥和秸秆为共基质,以沼气产量、ρ（VFA）（VFA为挥发性脂肪酸）和COD_Cr去除率等为指标,探究污泥与秸秆配比（以COD_Cr计,质量比分别为1:0、1:1、2:1、3:1）对中温两相厌氧消化工艺运行效能的影响,以及最佳配比时SRT（污泥停留时间）对产甲烷相厌氧消化稳态特性的影响.结果表明:与污泥试验组相比,添加秸秆试验组的厌氧消化效能均较好;污泥与秸秆的最佳配比为2:1,该稳定状态下产酸相COD_Cr的去除率最高,为17.5%,ρ（VFA）为752 mg/L;产甲烷相COD_Cr的去除率为33.5%,ρ（VFA）为250 mg/L,产气量为47.7 mL/d,总体运行效能较高.在最佳污泥与秸秆配比（2:1）并设定产甲烷相反应器的SRT为20 d时,稳定状态下产甲烷相各组分的变化情况:COD_Cr去除率为41.20%,ρ（VFA）为238 mg/L,产气量为51.3 mL/d,沼气产率为8.4 mL/（d·g）.研究显示,当控制污泥与秸秆配比为2:1、SRT为20 d时,中温两相厌氧消化工艺运行效果良好.