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%。     

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。     

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。     

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pH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pH 8.5餐厨垃圾组的甲烷产量最高为178.3 mL/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 mL/g TS。餐厨垃圾两相厌氧消化产酸相的初始pH会影响产氢和产甲烷的效率,氢气和甲烷的产量随初始pH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/(mL·min)和0.298 mg/(mL·min);蛋白酶活性在产酸相达到最高,为1.70 μg/(mL·min);脱氢酶活性在初始pH为9.0的实验组达到最高,为145 μg/(mL·h),分别是空白和单相实验组的113.3%和120.8%。     

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(P<0.05),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。     

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) ℃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。     

固相餐厨垃圾厌氧发酵特性

为了研究固相餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷特性,对固相餐厨垃圾进行批式厌氧发酵实验,主要考察了pH、VFA、COD以及纤维素酶活的变化情况,并运用修正Gompertz模型对其产气模型进行动力学拟合.实验结果表明,缓冲溶液的添加可明显促进厌氧发酵产甲烷.在添加缓冲溶液条件下,污泥与餐厨垃圾比例为2∶1,1∶1,2∶3和1∶2时,餐厨垃圾都能很好地进行厌氧发酵产甲烷,最大产甲烷产量分别为594.66、449.74、392.93和333.36 mL/g TS.采用修正Gompertz模型分别对2∶1、1∶1、2∶3和1∶2实验组产甲烷曲线进行拟合,得到产甲烷潜力分别为567.57、437.89、381.12和305.60 mL/g TS,最大产甲烷速率分别为89.38、59.81、47.26和25.80 mL/(d·g VS).对厌氧发酵过程中纤维素酶活的变化进行了研究,结果表明,CMC酶活性在提高餐厨垃圾厌氧发酵过程中纤维素的降解起重要作用.     

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 mL·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 mL·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 mL·g-1 VS、29.20 mL·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。     

腐熟蓝藻与厌氧污泥混合厌氧发酵特性

采用批次小试实验对不同腐熟程度的蓝藻进行厌氧发酵产沼气实验研究。结果表明,新鲜蓝藻在30-35℃时腐熟7 d后,可在35℃的厌氧温度下获得最高的产气速率和246 mL/g COD的产气量,产气潜力为354 mL/g（VS）。厌氧反应15 d后,累计产气量、COD和VFA浓度趋于稳定。淀粉酶和脱氢酶的活性在厌氧反应初期受到抑制,蛋白酶活性和辅酶F420浓度在厌氧系统中逐渐增加,分别在第6天达到27.66μmol/（g VS·min）和第15天达到0.62μmol/g（VS）。15-18d是腐熟蓝藻适宜的中温厌氧发酵时间,少于以新鲜蓝藻为基质的厌氧消化时间。蓝藻腐熟过程促进了厌氧反应,腐熟7 d的蓝藻厌氧系统具有更高的微生物活性和产甲烷能力。     

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·（m3·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·（m3·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·mL-1,产甲烷菌最高为7.08×108个·mL-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 %。     

接种比对餐厨垃圾干式厌氧发酵启动的影响

针对不同接种比对餐厨垃圾干式厌氧发酵启动的影响,对比分析了VS接种比分别为0.36和0.90两种情况下,餐厨垃圾干式厌氧发酵启动过程中pH、NH4-N、COD、VFA、甲烷含量等指标的变化。实验结果表明,启动初期2组样品pH分别快速降至4.74和5.68,均呈酸化状态,经碱液调整后,接种比为0.36的处理仍无法正常产气,接种比为0.90的处理,pH逐步提高,系统正常运行,经72 d的发酵实验,COD去除率达90.29%,甲烷含量高于60%的沼气产量达255.4 L,分析可见,VS接种比是干式厌氧发酵处理的重要参数;此外,与传统湿式厌氧发酵处理相比,餐厨垃圾干式厌氧发酵在较高的VFA和氨氮浓度下,仍能正常运行,采用干式厌氧发酵技术处理餐厨垃圾是可行的。     

酸化餐厨垃圾厌氧消化产氢研究

分析了餐厨垃圾酸化过程中的pH、挥发性脂肪酸(VFA)产量及含水量等参数的变化,考察了酸化餐厨垃圾厌氧消化过程中的产氢情况,并探讨了调节初始pH对酸化餐厨垃圾产氢的影响.结果表明,餐厨垃圾的酸化是一个前期极为快速的过程,经过1d的酸化,新鲜餐厨垃圾的pH就从6.0左右下降到4.5左右,而后pH缓慢下降,经过5～6 d的酸化,pH下降到4.0以下;餐厨垃圾酸化过程中,产生的VFA主要是异戊酸,其浓度变化与VFA的浓度变化趋势较为一致;酸化时间为1、3、4、5、6d的餐厨垃圾体系产生的氢气的最高体积分数呈递减趋势,产氢量也呈现出相同的变化趋势;初始pH对酸化餐厨垃圾体系的产氢影响是很大的,调节到相同初始pH的不同体系,产氢的结果可以相近.因此,pH是酸化餐厨垃圾厌氧消化产氢过程中必须控制的关键因素之一.     

餐厨垃圾的高温厌氧消化处理研究

在55℃条件下,研究了餐厨垃圾高温厌氧消化过程中pH、VFA、总磷、产气量以及COD、TS和VS的变化,结果表明：在消化过程中pH先下降后上升,总VFA浓度增大,而其中游离态VFA浓度先增大后减少。消化过程总产气量为43 211 mL,整个过程消耗TS的平均产气率为158.98 mL/g TS,COD去除率为38.76％,总磷去除率达到98.87％,底物TS和VS去除率分别31.71％和50.24％。经过厌氧消化处理,沼渣中不含对人体和许多动物有害的沙门氏菌、痢疾杆菌、大肠杆菌及粪大肠杆菌,而富含有机质、氮、磷和钾等的营养物质和芽孢杆菌、防线菌等有益菌种。     

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。     

预处理沼液与餐厨废弃物的厌氧产气发酵特性

为了实现对餐厨废弃物能源化的梯度利用,将沼液进行水浴加热、超声波和曝气等预处理后与餐厨废弃物混合,在中温（35±1）℃条件下进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵实验。考察了不同预处理沼液对产氢率、产氢相缓冲能力、产氢过程可溶性代谢产物成分以及其进行产甲烷发酵的潜力。结果表明,未经处理的沼液与餐厨废弃物混合发酵的产氢率很低,并且相分离不彻底有甲烷产生;各预处理组的产氢率均明显高于未处理组,并很少或几乎没有甲烷产生,其中超声波处理组产氢率最高为52.3 mL·g-1 VS。水浴加热和超声波处理组的产氢流出液经产甲烷发酵,可以获得与餐厨废弃物直接进行产甲烷发酵相当的甲烷产率。这表明,将餐厨废弃物进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵可获得更高的能源化效率。     

含油量对餐厨垃圾厌氧发酵的影响

在35℃条件下,研究了不同含油量（0％、1％、2％、3％、4％、5％）餐厨垃圾中温厌氧消化过程中日产气量、甲烷含量、总固体（TS）、挥发性固体（VS）、干物质产气率等的变化,为后续餐厨垃圾连续发酵的预处理提供参考。结果表明：5％含油量餐厨厌氧发酵周期最长,累计产气量最大,为5800mL。在消化过程中,沼气中甲烷含量先上升后下降,最高可达76％;于物质产气率随含油量增大而增大,依次为497．4、506．1、543．8、554．4、590．7和600．1mL／gTS;5％含油餐厨垃圾的TS和VS去除率最大,分别为34．4％和42．9％。     

餐厨垃圾处置方式及其碳排放分析

在综述填埋、好氧堆肥、粉碎直排、厌氧消化产沼气及综合处置等5种餐厨垃圾处置方式原理与特点的基础上,分别罗列出各种处置方式的优缺点、应用场合以及今后仍然需要研究的方向。着眼于餐厨垃圾资源化与碳减排,厌氧消化产沼气被定位为今后餐厨垃圾处置的主要应用方向,特别是与市政污水处理剩余污泥共消化更是今后研究与应用的主流。餐厨垃圾处置全生命周期碳排放分析亦表明,厌氧消化产沼气与其他4种处置方式相比,在资源回收与碳减排方面优势明显,这就决定了厌氧消化今后在餐厨垃圾处置技术中将处于首选位置。餐厨垃圾与剩余污泥厌氧共消化产生的沼气量具有“1+1>2”的能量转化效果,这种方式可以使污水处理厂演变为“能源工厂”的角色,而且还能省去餐厨垃圾单独处置所需的各种设施。     

渗滤液添加量对餐饮垃圾厌氧消化的影响机制

系统地研究了渗滤液添加量对于餐饮垃圾厌氧消化产气过程的影响,结果分析表明,餐饮垃圾与渗滤液联合厌氧消化,可以有效地缓解酸抑制现象,增强厌氧消化系统的稳定性,提高沼气产率。当餐饮垃圾负荷为40 g·L-1,渗滤液与水的比例为1.227:1,将厌氧消化原液的氨氮调节至2 000 mg·L-1时,厌氧消化效果最好。沼气产率可达到840 mL·g-1 (以TS计),甲烷产率可达到375 mL·g-1,累积沼气产量达到理论值的94.32%,累积甲烷产量达到理论值的74.77%。     

接种量对餐厨垃圾中温厌氧产甲烷潜能的影响

以接种量作为餐厨垃圾厌氧消化进料负荷的衡量参数,研究不同接种量对餐厨垃圾中温产甲烷潜能的影响,确定餐厨垃圾中温厌氧消化最适接种量。实验设置10%、15%、20%、25%、30%和35%等6种不同的接种量,分析不同接种量之间产气量、甲烷含量、发酵前后总固体（TS）和挥发性固体（VS）、发酵过程中总挥发酸（VFAs）的变化情况。实验结果表明,发酵6 d后,所有发酵瓶罐均无气体产生,35%接种量导致系统酸化;30%和25%接种量时,发酵液维持较高的VFA浓度,在发酵结束后仍有较高浓度的VFA残留,这说明虽然该接种量下系统可以运行,但酸化产生的VFA并未充分转化为甲烷;10%、15%和20%接种量的发酵罐则能够将产生的VFAs利用掉,相比之下,接种量为20%时产气量最大,甲烷含量达到52.88%,TS和VS的去除率也能达到32.11%和38.24%,因此,20%接种量可作为后续实验的最适接种量。