餐厨垃圾生化产甲烷潜力的数学模拟

为资源化回收利用餐厨垃圾,采用BMP实验对其产甲烷潜力进行了研究,测定了不同厌氧消化时间内的沼气产量及COD、VFA浓度,并在此基础上对餐厨垃圾产甲烷潜力进行了数学模拟。结果表明,混合液COD浓度变化曲线呈逐渐下降的趋势,VFA出现短暂积累,应调控厌氧消化系统的碱度。餐厨垃圾经40 d厌氧消化后,实际生物化学产沼气及产甲烷潜力分别可达559.1、349.7 m L·g~(-1)VS,第20天后累积产气量增加不显著。数学模拟结果表明,餐厨垃圾最初7 d的平均水解常数为0.244 d~(-1),模拟产沼气及甲烷潜力分别可达578.36和363.72 m L·g~(-1)VS,实际产沼气及甲烷潜力分别占模拟产沼气及甲烷潜力的96.7%、96.1%,采用固体停留时间为25~30 d进行厌氧消化较为合理。     

氧化铁对不同有机负荷下餐厨垃圾厌氧消化产气的影响

进行了餐厨垃圾(FW)和接种污泥(Ⅰ)基于不同VS比(分别为FW/I=1,FW/I=3,FW/I=5)下的中温厌氧消化实验,对比了不同有机负荷下未添加氧化铁和添加氧化铁对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响。结果表明,在FW/I=1时,餐厨垃圾厌氧消化体系的产气情况主要由接种污泥决定,添加氧化铁仅能在较小的程度上促进体系产甲烷能力提升;而在FW/I=3时,添加氧化铁可以帮助餐厨垃圾厌氧消化体系从低速产甲烷过程快速进入高速产甲烷,快速降解有机质实现稳定化;而对于FW/I=5时添加氧化铁可以解除由于有机负荷过高造成的酸抑制并恢复体系的产甲烷能力。因此,在实际应用厌氧消化技术处理餐厨垃圾中可以通过添加氧化铁来提高其有机负荷(OLR),提高处理效率,保证餐厨垃圾厌氧消化的正常运行和促进甲烷的产生。     

油脂含量和有机负荷对餐厨垃圾干式厌氧消化的影响

为了研究进料油脂含量(5%~25%)和有机负荷(40~60 kg VS/m3)对餐厨垃圾中温干式厌氧消化的共同影响,采用软件Design-Expert 8.0.6设计进料参数,以容积产甲烷率作为响应值,对14组序批式实验的结果进行回归分析,并建立容积产甲烷率与油脂含量和有机负荷间的回归方程。结果表明,当有机负荷为40 kg VS/m3时,甲烷产率随油脂含量的增加而增大;当有机负荷为50 kg VS/m3时,甲烷产率随油脂含量的增加先增大后减小;当有机负荷为60 kg VS/m3时甲烷产率随油脂含量的增加而减小。序批式实验中进料的最佳油脂含量和有机负荷分别为18.7%和42.9 kg VS/m3,对应响应面的理论容积产甲烷率最大值为32.74 L CH4/L。研究结论可以应用到实际工程中,为餐厨垃圾干式厌氧消化技术的推广提供一定的理论基础。     

餐厨垃圾高温厌氧消化

在中试规模下,研究餐厨垃圾高温厌氧消化试验,通过监测餐厨垃圾厌氧消化过程中产气量、气体组成等产气情况和消化液中pH值、SCOD、NH4+-N、VFAs等化学指标含量变化,确定餐厨垃圾厌氧消化的最大有机负荷,并分析餐厨垃圾高温厌氧消化技术的可行性,结果表明,在工程上餐厨垃圾单独进行高温厌氧消化产甲烷具有技术可行性,但难以保证系统长时间安全稳定运行;餐厨垃圾厌氧消化正常运行时最大有机负荷可达2.551 kg VS/(m3.d);当系统有机负荷为2.551 kg VS/(m3.d)时,每天每千克VS最高可产生甲烷量0.622 m3;氨氮对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷影响明显;餐厨垃圾中固有Na+含量对厌氧消化产甲烷影响不明显。     

餐厨垃圾两相与单相厌氧消化过程参数分析

在(55±0.2)℃温度下,以餐厨垃圾为原料,分别进行两相与单相厌氧消化实验,两相实验设置不同初始p H的反应组,比较两相与单相厌氧消化的产气效率、有机酸、营养物质和酶活性等的变化。结果表明,餐厨垃圾两相厌氧消化可以提高产甲烷效率,初始p H 8.5餐厨垃圾组的甲烷产量最高为178.3 m L/g COD,比单相厌氧消化提高了338%;另外,两相厌氧消化中氢气最高可达14.12 m L/g TS。餐厨垃圾两相厌氧消化产酸相的初始p H会影响产氢和产甲烷的效率,氢气和甲烷的产量随初始p H的升高而呈增加趋势。淀粉酶活性在两相实验组的产酸相及单相实验组均呈现先升后降的变化,最高活性分别为0.542 mg/(m L·min)和0.298 mg/(m L·min);蛋白酶活性在产酸相达到最高,为1.70μg/(m L·min);脱氢酶活性在初始p H为9.0的实验组达到最高,为145μg/(m L·h),分别是空白和单相实验组的113.3%和120.8%。     

餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产沼气协同效应

在(35±0.2)℃温度下,以餐厨垃圾和剩余污泥为原料,设置餐厨垃圾和剩余污泥混合比例(VS)分别为1∶0、2∶1、1∶1、1∶2和0∶1,研究其单独消化与混合消化的系统性能、产甲烷潜力及脱氢酶活性和F420浓度变化。结果表明,混合消化提高了系统稳定性,与餐厨垃圾单独消化相比,添加剩余污泥能调节pH、氨氮浓度和VFA浓度,缩短产气周期;与剩余污泥单独消化相比,添加餐厨垃圾能显著提高沼气产量。混合比例为1∶1组混合消化产甲烷潜力最佳,消化作用的协同效应最为明显,沼气和甲烷产量分别达358.2 mL/g VS和224.1 mL/g VS,较餐厨垃圾和污泥单独消化估计值分别提高了23.09%和36.80%。1∶1混合消化组脱氢酶活性最高达437.33 TFμg/(mL·h),比餐厨垃圾和剩余污泥单独消化分别提高93.60%和40.69%,辅酶F420浓度最高为1.718μmol/L,分别提高17.3%和100.7%。     

利用米曲霉发酵餐厨垃圾产水解酶促进污泥厌氧消化

将米曲霉接种到餐厨垃圾中生产水解酶,并利用此生物酶强化污泥厌氧消化。对比分析了富含水解酶的餐厨垃圾(实验组)、中温灭活富含水解酶的餐厨垃圾(对照组A)和未发酵餐厨垃圾(对照组B)分别与剩余污泥厌氧共消化情况;考察了实验组对污泥厌氧体系的促进效果;并运用3种模型对反应体系中底物的产甲烷潜力进行了拟合。结果显示,实验组甲烷含量最高可达71.51%;挥发性固体单位累计甲烷产量为(308.46±19.47) mL·g~(-1),相比对照组A和对照组B显著提高(P0.05),分别是对照组A和对照组B的1.56倍和1.31倍。修正的Gompertz模型优于一级动力学模型和Cone模型,能够很好地预测厌氧消化体系的最大甲烷产量,更适宜于拟合富酶餐厨与剩余污泥厌氧共消化体系。     

青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合高温厌氧消化研究

在中试规模下,研究青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合(质量比1∶1)高温厌氧消化实验,通过监测厌氧消化过程中产气量、气体组成等产气情况和消化液中pH值、SCOD、NH3-H、VFAs含量和组分等化学指标变化,确定混合厌氧消化的最大有机负荷,并分析混合高温厌氧消化技术的可行性,结果表明,(1)青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合高温厌氧消化产甲烷具有技术可行性;(2)混合厌氧消化的最大有机负荷可达4.069 kg VS/(m3.d);(3)当系统最大有机负荷时,每天每千克VS最高可产生甲烷量0.346 m3;(4)混合厌氧消化可削减氨氮对餐厨垃圾单独厌氧消化产沼气的影响。     

超声联合碱解预处理对剩余污泥破解和厌氧消化的影响

对比研究了单独超声、单独碱解和两者联合预处理对污泥破解和厌氧消化性能的影响。以加碱量和输入能量为控制参数,研究了不同条件下的污泥破解和有机物溶解变化。结果表明:联合预处理技术对污泥破解和有机质溶解的效果比超声和碱解单独作用之和更好。污泥破解增加值ΔSCOD/TCOD和加碱量之间存在显著的线性关系(R2=0.936)。超声和碱解联合预处理对污泥厌氧消化产甲烷量较原泥增加了16.57%~31.13%。厌氧消化产甲烷结果表明,SCOD/TCOD的增加并不总是促进厌氧消化性能的改善,二者之间存在二次非线性关系(R~2=0.85),且厌氧消化性能最高点出现在超声能量12 000 kJ·kg~(-1)(TS)、加碱量0.08 g·g~(-1)(TS)联合作用条件下。     

污泥基生物炭对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷及微生物群落结构的影响

为考察污泥基生物炭对餐厨垃圾厌氧消化的影响,以餐厨垃圾为基质,设置4种不同接种比(inoculum to substrate ratio, ISR)的批次实验,以得到不同酸化程度的厌氧消化体系;检测空白组、餐厨垃圾对照组和生物炭实验组的产甲烷情况和微生物群落结构的变化。结果表明:当ISR=2时,生物炭对餐厨垃圾厌氧消化效果不明显;当ISR=0.5时,生物炭使其停滞期缩短28.9%左右;ISR越小,生物炭对酸化停滞时间缩短以及产甲烷速率提高的效果越明显。同时,生物炭可以促进Chloroflex,Proteobacteria,Bacteroidetes的生长,从而提高厌氧消化中间产物的产生。当ISR较大时,厌氧消化系统的产甲烷途径以乙酸利用型为主,投加生物炭可以促进乙酸型产甲烷;随着ISR减小,产甲烷途径有逐渐向氢利用型转变的趋势,同时Methanosacrina逐渐替代Methanosaeta利用乙酸产甲烷。本研究结果可为污泥基生物炭在餐厨垃圾厌氧消化的实际应用提供参考。     

产甲烷菌耐酸培养及其以餐厨为底物的产气特性

采用逐步提高厌氧发酵体系内丁酸盐浓度的方式,对产甲烷菌进行了适应性耐酸培养,随后将培养后的污泥接种餐厨垃圾进行高固态厌氧发酵,研究其以餐厨垃圾为底物的产甲烷特性。结果表明,进行耐丁酸培养的各个组的沼气及甲烷产量、最终VFAs浓度、SCOD浓度基本和丁酸钠添加量呈正相关。其中丁酸钠添加量为8 g·L-1的组的甲烷产量和沼气产量相对稳定且较大,最终分别为229 m L和830 m L。其脱氢酶活性也相对较大,为126.74 TFμg·(m L·h)-1;培养后污泥的TS、VS较培养前提高量最大,分别提高了64.13%和67.31%,相比培养后的对照组也提高了44.05%和66.07%。而产甲烷实验研究表明,经8 g·L-1的丁酸钠培养后的污泥的产气情况最好,其累积甲烷、沼气产率及甲烷含量最大,分别为101.8 m L·g~(-1)TS、228.0 m L·g~(-1)TS和44.7%,是对照组的3.2、1.3和2.4倍。     

餐厨垃圾高温中试两相厌氧发酵的稳定性

为了考察在高负荷条件下餐厨垃圾厌氧发酵的稳定性,采用餐厨垃圾为发酵原料,以某污水处理厂脱水污泥为接种污泥,在中试规模条件下,采用产酸相中温(35℃,0.33 m3)产甲烷相高温(55℃,1.6 m3)进行连续式发酵。结果表明,餐厨垃圾厌氧发酵的产酸相有机负荷可达29.27 kg VS·(m~3·d)~(-1),产甲烷相有机负荷为6.04 kg VS·(m3·d)-1,容积产气率平均为5.61 m3·(m~3·d)~(-1),原料产气率平均达0.913 m3·(kg VS·d)-1,甲烷浓度平均为73.07%,总菌数为2.41×109个·m L-1,产甲烷菌最高为7.08×108个·m L-1,产甲烷菌数占总菌数的29.4%。两相厌氧发酵工艺可实现餐厨垃圾高负荷条件下的稳定运行。     

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程底物指标变化

将污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物进一步产甲烷,产甲烷量比污泥与餐厨垃圾单独或直接联合厌氧发酵产甲烷大.研究污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷过程中产甲烷量与底物指标变化的关系,实验结果表明,整个消化过程中,累积产甲烷量为613 L,最大产气速率和产甲烷速率分别为2.12 L/(kg·d)和1.46 L/(kg·d),最大甲烷含量为72.5％,消化系统的pH在总挥发性脂肪酸(TVFA)以及氨氮、CO32-和HCO3-等碱度的共同作用下基本维持在适宜产甲烷的范围内,在不同的消化阶段,厌氧发酵产甲烷过程起主要作用的物质不同,先后顺序依次为糖类、蛋白质和TVFA,并且累积产甲烷量与COD、总糖、总蛋白质的显著相关性大小依次为:COD＞总糖＞总蛋白质,COD去除率高达79.54％.     

湿热预处理对北京市典型餐厨垃圾生物制氢潜力的影响

采用北京市2种典型餐厨垃圾,研究不同湿热预处理温度(40、80、120和160℃)和时间(30、60、90和120 min)对2种典型餐厨垃圾理化性能的影响。在此基础上,阐明餐厨垃圾厌氧产氢潜力。结果表明,湿热预处理温度、时间对餐厨垃圾可浮油脱出量具有显著影响,ρ(SCOD)、ρ(TOC)与VS/TS呈负相关。餐厨垃圾处理厂的厨余垃圾经120℃湿热预处理30 min后,可浮油脱出量最大达17 m L·kg-1,ρ(SCOD)、ρ(TOC)分别为150.99、57.91 g·L-1;食堂的餐饮垃圾经160℃湿热预处理30 min后效果最佳,可浮油脱出量最高达99 m L·kg-1,ρ(SCOD)、ρ(TOC)分别为120.69、62.58 g·L-1。餐饮垃圾经160℃湿热预处理30 min,在中温(35±1℃)、高温(55±1℃)厌氧制氢,高温比产氢率和最大产氢速率分别可达40.58 m L·g-1VS、29.20 m L·h-1,与未经预处理组比提高0.78、2.02倍,中温产氢启动时间缩短1倍以上。可见,湿热预处理能显著改善餐厨垃圾理化性质,提高微生物的底物利用效率,提高餐厨垃圾厌氧制氢量及产氢效率。     

菇渣的厌氧发酵特性

为提高菇渣的利用效率,以菇渣为发酵原料,在35℃下,进行初始干物质浓度为6%、8%、10%和12%的厌氧发酵,考察了初始干物质浓度对产甲烷性能及有机质降解的影响。结果表明:初始干物质浓度在10%时发酵效果最佳,此时累计产甲烷量、VS产气率和VS产甲烷率分别为4 034.71 m L、235.15 m L·g~(-1)和134 m L·g~(-1),VS降解率为43.19%;菇渣的沼气产率与VS降解率成正比;淀粉、脂肪和蛋白质的降解率分别为99.01%、70.78%和17.16%;总纤维素的降解率为30.37%,以半纤维素降解为主。实验结果说明,菇渣具有较高的产气性能;产生的沼气主要来源于微生物对碳水化合物的降解。     

添加餐厨油脂对高含固污泥热水解及厌氧消化的影响

针对高含固污泥热水解传热差的问题,通过向剩余污泥中添加餐厨油脂协同污泥热水解以达到加速热水解过程的目的,探究了热水解时间和油脂添加量对污泥有机物水解及中温(35±1)℃厌氧消化性能的影响。结果表明:油脂与污泥协同热水解可有效促进污泥中不溶态有机物的水解,当热水解温度为165℃、水解时间为90 min时,油脂与污泥的质量比为0.4∶1时,有机物水解效果最佳;添加油脂能提高热水解速率,当油脂与污泥的质量比分别为0.2∶1、 0.4∶1、 0.6∶1时,污泥中不溶态有机物的水解速率分别提高了23.30%、 43.63%和62.98%;油脂的添加可提高甲烷产量和产甲烷速率,但会延长延滞期,综合考虑热水解与厌氧消化的性能,建议预处理时间为90 min、油脂与污泥的质量比为0.2∶1为最佳条件。添加餐厨油脂可加速高含固污泥的热水解过程,有助于实现污泥的高效处理。     

进料浓度对鸡粪连续中温厌氧消化的影响

针对高固体鸡粪厌氧消化运行困难问题,利用完全混合式厌氧反应器(CSTR),通过逐级提高进料总固体浓度(TS)的方法,研究不同进料TS((5.20±0.56)%、(7.24±0.36)%、(9.30±0.26)%和(6.22±0.26)%)的鸡粪连续中温厌氧消化效果。实验结果表明,进料TS由(5.20±0.56)%提高为(9.30±0.26)%,挥发性固体(VS)产气率由(0.64±0.05) L·g~(-1)下降为0.07 L·g~(-1),有机物去除率明显减少,挥发性脂肪酸(VFAs)由(0.53±0.02) g·L~(-1)累积至(1.62±0.02) g·L~(-1),总氨氮浓度(TAN)和游离氨浓度(FA)分别由(1.06±0.11) g·L~(-1)和(0.07±0.02) g·L~(-1)累积至3.40 g·L~(-1)和0.68 g·L~(-1),消化过程受到氨抑制。采用Boltzmann模型对不同氨氮浓度下VS产甲烷率和VS去除率进行模拟,拟合结果表明,TAN升高所引发的FA持续累积导致高固体鸡粪厌氧消化氨抑制逐步形成,与VS产甲烷率相比,VS去除率对氨氮的抑制响应具有滞后性。降低进料TS至(6.22±0.26)%,氨抑制得到有效缓解,但反应器处于"抑制稳定状态"。因此,为保证反应器长期高效平稳运行,建议鸡粪连续中温厌氧消化的进料浓度不超过7.24%。研究为高固体鸡粪厌氧消化的工程化应用提供参考。     

不同来源污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵产氢效果研究

在相同接种配比(接种污泥占餐厨垃圾的质量分数为30%)条件下,研究了4种不同来源污泥(压滤污泥、厌氧污泥、曝气污泥和河底淤泥)添加或不添加缓冲剂时对餐厨垃圾厌氧发酵产氢效果的影响.结果发现,在不添加缓冲剂时.4种污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵平均产氢量依次为厌氧污泥>河底淤泥>压滤污泥>曝气污泥,接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量最高,达10.11mL(以每克挥发性固体(VS)计,下同);而添加缓冲剂时.4种污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵平均产氢量依次为厌氧污泥>曝气污泥>压滤污泥>河底淤泥,接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量也最高,为33.72 mL,且体系pH得以缓冲.     

耐酸厌氧消化污泥处理餐厨垃圾

采用耐酸驯化的厌氧消化污泥处理餐厨垃圾,在酸性条件下（pH=4．5）,对实验装置容积负荷从1．0kgVS／（m3·d）分9次逐级增加到5．0kgVS／（m3·d）的过程进行了跟踪监测,并较深入地研究了驯化污泥代谢活性和处理效果。实验结果表明,pH4．5的耐酸厌氧消化污泥,最佳投加负荷约为4．5kgVS／（m3·d）,此负荷下容积产气率,CH4含量平均值均达最大,分别为1．68m3／（m3·d）,75．0％。耐酸厌氧消化装置持续增料运行46d,产甲烷菌仍能保持较高的活性,其COD去除率范围为40．4％-75．0％,仍能保持pH7．2时处理效果的65．0％-91．8％,表明在低pH、低碱度下实现稳定的产甲烷过程是可行的。     

餐厨垃圾湿式厌氧消化最优有机负荷及失稳指标

为探究餐厨垃圾湿式厌氧消化最佳有机负荷及失稳预警指标,在(36±1)?C单相连续搅拌条件下进行有机负荷(OLR)梯度实验。通过理论及数学分析确定90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化的最佳OLR和失稳指标。当OLR(以VS计)为2.94 g·(L·d)-1时,挥发性固体去除率、甲烷产率、容积沼气产率分别为78%、0.58 L·g-1VS、2.99 L·(L·d)-1,此时厌氧反应器达到最佳运行状态。一定浓度的游离氨(FAN)会抑制微生物活性,触发挥发性脂肪酸(VFA)的积累,造成容积沼气产率降低,第36天,当OLR增至3.21 g·(L·d)-1时,FAN浓度升至区域峰值207 mg·L-1,但随后骤降35.9%(39 d),分别造成VFA和挥发性脂肪酸浓度与碳酸氢盐碱度的比值(VFA/TA)从第37天的1 897 mg·L-1、0.22升高至第47天的4 755 mg·L-1、0.73,系统进入抑制稳定状态,最终导致容积沼气产率从第47天的2.66 L·(L·d)-1降至第48天的1.88 L·(L·d)-1,系统恶化。协同分析表明,当VFA和VFA/TA分别达到2 500 mg·L-1和0.35并出现持续上升的现象时,能提前7~8 d对90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化系统的失稳提出预警。