污泥厌氧消化和后续处理中沙门氏菌杀灭及VBNC发生

应用最大或然数(MPN)培养法和反转录定量PCR(RT-qPCR)技术研究了4种污泥厌氧消化方式以及后续处理过程中沙门氏菌杀灭及有活性但不可培养(VBNC)状态的发生情况.中温厌氧消化(MAD)和高温预处理后中温消化(65℃+MAD)的沙门氏菌分别减少了2.8和5.6个数量级;高温厌氧消化(TAD)和高温-中温两相厌氧消化(TPAD)的沙门氏菌含量均低于检测限.沙门氏菌的杀灭速率常数排序为65℃+MAD>TAD>TPAD> MAD.结果显示高温对病原菌的灭活效果显著增加,高温短时预处理使得杀灭速率明显加快.TAD和TPAD的污泥VBNC沙门氏菌数量高于MAD和65℃+MAD 2个数量级,表明长时间的高温厌氧消化易导致沙门氏菌进入VBNC状态.消化污泥经过离心脱水后会出现沙门氏菌数量增加的现象,MAD、65℃+MAD、TAD和TPAD的消化污泥中沙门氏菌分别增加了1.1、2.4、3.7和2.5个数量级.但其中VBNC状态的沙门氏菌数量明显降低了1~3个数量级,表明消化后污泥中部分VBNC沙门氏菌在离心脱水过程中复活并生长,使得MPN检测得到的可培养沙门氏菌数量增加,初步解释了消化污泥经离心脱水后的病原菌再生长现象.消化污泥中沙门氏菌数量在室温放置过程中会进一步下降.     

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。     

生产性UASB反应器的中温高温交替启动运行过程

处理柠檬酸废水的UASB反应器因所处地区季节气温相差较大,可在中温和高温条件下交替启动运行.反应器在中温条件下启动,串联使用的两级UASB反应器的COD去除率达到77%～86%;当气温升高反应器内水温达到44℃～45℃时,反应器升温进入高温启动运行阶段,两级UASB反应器的COD去除率达到84%～93%;UASB反应器停产38d后,进行了中温再启动,COD去除率达到82%～96%.本文报道了生产性UASB反应器中温、高温交替启动运行的过程,以及中温和高温厌氧颗粒污泥的特性.     

热水解污泥厌氧消化过程中肠球菌抗生素抗性基因与毒力基因的转归

城市污泥中含有大量肠球菌,可携带抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)和毒力基因(virulence gene,VGs),从而具有潜在的耐药性和致病性,对人类健康存在巨大威胁.为此考察了热水解污泥在中温(40℃)/高温(55℃)厌氧消化过程中肠球菌的耐药表型、基因型及携带VGs的变化规律.结果表明,厌氧进泥中肠球菌对阿奇霉素的耐药率均显著高于螺旋霉素和四环素.高温厌氧对肠球菌的数量及耐药性具有更好地控制及削减效果.高温厌氧消化可能会促进四环素类抗性基因在肠球菌的表达.中温、高温厌氧消化可促进ARGs在肠球菌中发生水平转移,导致其潜在双重甚至多重耐药性增加.中温厌氧消化可降低肠球菌同时具有潜在致病性和耐药性的几率,而高温厌氧消化则会增加此风险.     

污泥稳态厌氧消化过程的控制

污泥中温厌氧消化的温度幅动允许值较宽,约±2.8℃,易达到均匀搅拌,能耗少,尽管两阶段厌氧消化设施有一系列优点,但投资、运行费昂贵。因此,单阶段中温厌氧消化仍成为污泥消化的主流,各国的研究目标集中在稳态运行的条件控制以及消化效率的提高方面。     

中温厌氧消化与高温厌氧消化对污泥重金属风险及稳定性的影响

通过分析中温厌氧消化+机械脱水以及热水解预处理+高温厌氧消化工艺过程中重金属含量与形态的变化,研究了中温厌氧消化与高温厌氧消化工艺对污泥重金属风险、形态及稳定性的影响.结果表明,中温厌氧消化工艺增加了污泥中Cd、Cr、Cu、Ni和Zn的含量,重金属污染等级和潜在生态风险增强.高温厌氧消化工艺降低了污泥Cd和Cr的含量,重金属污染等级和潜在生态风险降低.其中,N厂污泥主要致污染金属为Cd和Zn,S厂污泥主要致污染金属为Cd;Cd是6种重金属风险系数最高的,是污泥潜在生态危害的最大贡献者.中温厌氧消化后,污泥中Cd、Ni、Pb和Zn的可还原态和可氧化态所占质量分数之和降低;Cd、Cr、Cu和Ni的残渣态所占质量分数降低.可见,中温厌氧消化后,污泥重金属的潜在毒性和稳定态向直接毒性转化.高温厌氧消化后,污泥Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的可交换态所占质量分数降低;Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的残渣态所占质量分数亦降低,可见,高温厌氧消化后,重金属的直接毒性和稳定态向潜在毒性转化.     

污泥与餐厨垃圾共消化系统启动策略

考察并对比分析了接种和不接种厌氧消化污泥时污泥与餐厨垃圾共消化系统的启动情况。结果表明:接种消化污泥的共消化系统从第13天开始稳定运行,对应的沼气平均日产量为32.8 L/d,甲烷含量达56%;而不接种消化污泥的系统未能成功启动,沼气平均日产量仅有0.4 L/d,甲烷含量占35%;运行结束时不接种消化污泥系统中短链脂肪酸(SCFAs)浓度高达6 703.8 mg/L,远高于接种消化污泥系统的34.9 mg/L;接种消化污泥的共消化系统pH为7.07～7.27,而不接种消化污泥系统的pH<6.50。因此,pH偏低是导致不接种消化污泥系统产气量少的主要原因,为了快速且成功启动污泥与餐厨垃圾共消化系统,有必要接种厌氧消化污泥。     

温度对微好氧消化处理高含固厌氧消化污泥的影响

采用微好氧消化对高含固厌氧消化污泥进行后处理,考察了在常温、中温及高温条件下反应器的运行性能以及污泥植物毒性的改善。结果表明:在污泥停留时间为8 d,供气量为2.4 L/min的微氧条件下,高含固厌氧消化污泥VS进一步降解,比耗氧速率降低,挥发性脂肪酸及氨氮等小分子物质浓度显著降低,污泥趋于更加稳定的状态。随着处理温度的提高,污泥VS、比耗氧速率和总氨氮呈逐渐下降趋势。种子发芽实验表明:经微好氧消化处理后,污泥对向日葵、矢车菊、牵牛花等种子发芽的抑制作用均逐渐下降,说明微好氧消化有利于改善高含固厌氧消化污泥的植物毒性。而且随着处理温度的增加,处理后污泥的植物毒性呈增加趋势,这可能与挥发性脂肪酸含量的增加有重要关系。总体看来,与常温和高温条件相比,中温微好氧消化是改善高含固厌氧消化污泥土地利用性能更为可行的工艺。     

“热水解-高温厌氧消化”工艺处理高含固率剩余污泥的中试研究

采取热水解(70℃)-高温厌氧消化工艺处理高固含率(8%~9%)的剩余污泥(中试).该工艺利用SRT为3 d的热水解促进细胞溶解以及高温厌氧消化加快污泥消化速率,有机物去除能力较强,并获得了较好的污泥稳定化效果.当厌氧消化的SRT在20 d以上时,总VSS去除率达到42.22%以上,且VSS去除率与厌氧消化的SRT呈线性正相关,相关系数达到0.915 3.在实际应用中,推荐高温厌氧消化的SRT为25 d.当停留时间接近时,本工艺与运行良好的传统污泥厌氧消化工程(含固率3%~5%)以及采用德国技术的高固消化工程的有机物去除率和甲烷产率相当.     

污泥的后置生物处理技术的发展

污泥后置生物处理是污泥资源化的有效方式.污泥后置生物处理的最新发展包括温度共相厌氧消化及蛋形污泥消化.污泥消化可以通过加强微生物的内源呼吸以及对工艺和反应器的改良来实现.目前,新一代的污泥消化池有高温-中温共相厌氧消化池和蛋形污泥消化器等.     

不同温度下高温好氧消化工艺的溶氧特性

为探索ATAD(自热式高温好氧消化)污泥系统中ρ(DO)及其对污泥稳定化的影响,分别考察了在不同消化温度下不同成分污泥(初沉泥、二沉泥和混合泥)的E_h(氧化还原电位)、污泥溶胞效果和污泥稳定化效果. 结果表明:在消化的24 d中,尽管曝气充足,但消化前期E_h仍处于0 mV以下,并且随着消化时间的延长,E_h逐渐升至0 mV以上,说明ATAD工艺系统并不是全程好氧状态,消化前期处于兼氧或厌氧状态,后期才呈好氧状态. 65 ℃下容易使细胞破裂发生分解,污泥上清液中ρ(SCOD)(SCOD为可溶性化学需氧量)和ρ(TP)维持较高值,至消化结束时,ρ(SCOD)仍高达13 708 mg/L,ρ(TP)为126.4 mg/L,ρ(PO₄3+-P)为106 mg/L. 尽管消化前期E_h较低,但在15 d时VSS去除率仍超过38%,满足US EPA(美国国家环境保护局)A级污泥VSS去除率的标准. 消化初期的兼氧和厌氧状态没有减缓污泥达到稳定化,因此在合适范围内减少曝气量有利于ATAD工艺的工程化应用.      

高温和中温ASBR处理热水解污泥的对比

进行了高温、中温厌氧序批式反应器(ASBR)处理热水解污泥的对比试验研究.在HRT＝10d,总COD(TCOD)容积负荷为5.42 kg/(m³·d) 的条件下,高温、中温ASBR的TCOD去除率分别为56.20%、61.66%,污泥COD的产气率(CH₄)分别为199、219 mL/g.ASBR能有效积累污泥悬浮固体从而保持较高的固体停留时间(SRT),高温、中温ASBR的平均SRT分别为30、37d.同中温ASBR比较,高温ASBR的微生物形态单一、种类少和产甲烷活性较低,因此高温ASBR的处理效率和产气率较中温低.     

低温热解油厌氧消化产甲烷条件研究

对低温热解油的厌氧消化条件进行研究,包括新鲜接种污泥的驯化,热解油厌氧消化条件的影响因素和生物质热解参数对最终厌氧消化的影响.通过控制不同热解参数及厌氧发酵参数的方法对耦合过程进行研究.结果表明,新鲜接种污泥经过驯化可以显著提升其对热解油中抑制物的耐受性,进而大幅提升热解油厌氧消化的甲烷产量.中温的培养条件更适合浓度为4%的热解油厌氧消化甲烷化,而高温的培养条件更适合浓度为10%的高浓度热解油.此外,0.85mm生物质粒径、300℃热解温度在下游的消化阶段有更高的甲烷产量.     

炼油污水处理场剩余污泥中温厌氧消化研究

对锦州石化公司炼油污水处理场的剩余污泥进行中温厌氧消化小试,考察厌氧消化工艺的可行性。研究结果表明,经过厌氧消化处理后,COD、有机成分去除率均达到80%左右,同时降低了污泥的含水率,减少了污泥脱水的药剂用量,提高了污泥的脱水性能,可实现剩余污泥的稳定化和减量化。     

温度对FBAR反应器的运行特性及古菌微生物群落影响

为探讨固定床厌氧反应器（FBAR）在不同温度下的运行特性及微生物群落变化,比较了高温（50℃）、中温（35℃）、低温（4℃）3个温度阶段反应器产甲烷特性及古菌群落变化.结果表明;绝对产气量由大至小依次为高（50℃）、中（35℃）、低温（4℃）,单位负荷产气量依次为中温（2.84L/OLR）,低温（2.5L/OLR）,高温（1.8L/OLR）;甲烷含量依次为低温（74.5%）、中温（63.5%）,高温（57.3%）,不同温度阶段对挥发性有机酸含量变化有一定的影响.克隆文库分析表明：不同温度条件下固定床厌氧反应器内部微生物群落的丰富性存在很大的差异.定量PCR分析表明：甲烷鬃毛菌是中温和高温反应器内的优势菌,低温4℃炭纤维载体和污泥中的优势菌都是甲烷微菌.从能耗、经济效益角度分析低温条件更适合沼气发酵,而主要是以嗜氢产甲烷菌代谢途径为主.     

Preliminary study of acrylamide monomer decomposition during methane fermentation of dairy waste sludge

Polyacrylamide(PAM) used in sludge dewatering exists widely in high-solid anaerobic digestion. Acrylamide is registered in the list of chemicals demonstrating toxic, carcinogenic and mutagenic properties. Therefore, it is reasonable to ask about the mobility of such residual substances in the environment. The study was carried out to assess the impact of the mesophilic(39 ± 1°C) and thermophilic(54 ± 1°C) fermentation process on the level of acrylamide monomer(AMD) content in the dairy sludge. The material was analysed using high-performance liquid chromatography(HPLC) for quantification of AMD. The results indicate that the process of methane fermentation continues regardless of the temperature effects on the degradation of AMD in dairy sludge. The degree of reduction of acrylamide monomer for thermophilic fermentation is 100%, while for mesophilic fermentation it is91%. In practice, this means that biogas technology eliminates the risk of AMD migration to plant tissue. Moreover, it should be stressed that 90% of cumulative biogas and methane production was reached one week earlier under thermophilic conditions — the dynamics of the methanisation process were over 20% faster.     

Start-up performances of dry anaerobic mesophilic and thermophilic digestions of organic solid wastes

Two dry anaerobic digestions of organic solid wastes were conducted for 6 weeks in a lab-scale batch experiment for investigating the start-up performances under mesophilic and thermophilic conditions. The enzymatic activities, i.e., β-glucosidase, N-α-benzoyl-Largininamide （BAA）-hydrolysing protease, urease and phosphatase activities were analysed. The BAA-hydrolysing protease activity during the first 2-3 weeks was low with low pH, but was enhanced later with the pH increase. β-Glucosidase activity showed the lowest values in weeks 1-2, and recovered with the increase of BAA-hydrolysing protease activity. Acetic acid dominated most of the total VFAs in thermophilic digestion, while propionate and butyrate dominated in mesophilic digestion. Thermophilic digestion was confirmed more feasible for achieving better performance against misbalance, especially during the start-up period in a dry anaerobic digestion process.