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.     

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。     

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。     

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.      

零价铁对厌氧消化过程中氨氮抑制解除的影响

氨氮抑制是影响高含固有机固体废弃物厌氧消化产甲烷效率的重要因素.本研究通过实验室批量实验,考察了微米级零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化的影响以及对高氨氮抑制解除的影响.结果表明,投加4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化过程中的产甲烷速率、迟滞时间和产甲烷潜势等动力学特征均未有影响.但是,在高氨氮抑制的厌氧消化过程中, 4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)的零价铁投加可使厌氧消化受氨氮抑制的产甲烷迟滞时间由对照组的18.61 d分别缩短为17.22 d和16.18 d,最大产甲烷速率(以VS计)由对照组的6.34 mL·(d·g)~(-1)提升为7.84 mL·(d·g)~(-1)和7.39 mL·(d·g)~(-1).零价铁并未通过化学反应对厌氧消化的pH缓冲体系产生直接影响,而是使氨氮抑制后的产甲烷优势古菌Methanosarcina的相对丰度(27 d)由对照组的30.71%提升到53.50%和60.30%.本研究证明了零价铁并不能提升污泥产甲烷潜势,而只是在受抑制影响的厌氧消化过程中,刺激产甲烷微生物的代谢活性,强化如氨氮抑制影响的快速解除.     

微波及其组合工艺强化污泥厌氧消化研究

为提高剩余污泥的厌氧消化效能和脱水性能,考察了微波及其组合污泥预处理工艺的强化污泥厌氧消化效果,同时考察了预处理-厌氧消化过程的污泥理化特征及其脱水性能.结果表明,微波及其组合工艺可以强化污泥厌氧消化产甲烷,其中微波-过氧化氢-碱(0.2)的强化效果最为显著,不仅30 d累计产甲烷量比对照组增加了13.34%,而且产甲烷速率也得到了提升.与单独微波处理相比,过氧化氢、碱的投加显著提高了溶解性COD的释放量,这表明微波、过氧化氢、碱之间的协同作用能有效破碎污泥,进而强化厌氧消化效果;微波-酸预处理后的污泥具有良好的脱水性能,毛细吸水时间(CST)只有9.85 s,污泥脱水性能的改善与其表面电性、粒径分布的变化密切相关;不同预处理条件下的污泥经过厌氧消化后,污泥脱水性能较为接近.     

预处理方式对剩余污泥水解及厌氧产甲烷性能的影响

考察了不同的预处理方式对剩余污泥水解及厌氧消化产甲烷过程的影响。研究结果表明:低温热碱预处理对污泥的水解效果最好,剩余污泥中SCOD及可溶性总糖、蛋白质溶出效果大幅提升,SCOD溶出率达到16.6%;执行三种方式预处理后,后续厌氧消化的效率得到明显改善,剩余污泥经碱处理、低温热水解和低温热碱处理后,厌氧消化的产气量较未预处理污泥分别提高了75.6%、72.9%和83.7%。     

强化两相污泥高固厌氧消化系统的微生物群落

污泥高固厌氧消化具有反应器体积小、能耗低、沼渣少等优点,但其相关机制尤其是微生物机制研究还非常有限.利用16S rRNA克隆文库技术,本研究考察了一个中试污泥高固厌氧消化系统稳定运行期的微生物群落.该中试系统采用"超高温酸化(70℃)-高温甲烷化(55℃)"的强化两相厌氧消化工艺,处理剩余活性污泥的含固率约为9%.在总的固体停留时间仅15.5 d(酸化3 d+甲烷化12.5 d)时,系统挥发性固体(volatile solid,VS)去除率为35.7%,甲烷产率(以CH4/VS去除计)为0.648 m~3·kg~(-1).两相的细菌组成差异较大:在超高温酸化相存在大量降解蛋白质/氨基酸的细菌;在高温产甲烷相则主要是降解纤维素等多糖和一些简单糖类的细菌以及长链脂肪酸降解细菌;两相中都存在降解简单糖类的细菌.两相的古菌绝大部分都属于Methanothermobacter,特别是高温产甲烷相检出的古菌100%都属于Methanothermobacter,由于仅在产甲烷相检测到沼气,这表明系统中的甲烷化过程主要通过氢营养途径进行.     

pH值调控对柑橘废渣与污泥厌氧共发酵产酸影响

为提高挥发性脂肪酸(VFA)的产量,探究了柑橘废渣和剩余污泥不同VS(挥发性固体)配比及调控发酵过程pH值对产VFA性能的影响.结果表明:调节共发酵系统pH值为6对VFA的积累有促进作用,柑橘废渣VS/剩余污泥VS为2时的最大VFA产量为11183.12mg/L,是未控制pH值组最高VFA浓度的1.75倍.柑橘废渣中的...     

我国剩余污泥厌氧消化的主要影响因素及强化

我国剩余污泥厌氧转化率显著低于发达国家,泥质是影响污泥厌氧消化性能的重要因素,而我国剩余污泥泥质相比于发达国家的典型差异主要体现在3个方面,即污泥龄长、微细砂含量高和金属离子含量高.因此,系统性研究了泥龄、微细砂和金属离子对剩余污泥厌氧消化性能的影响,进行量化比较,并进行有针对性的强化研究.结果表明,微细砂对VS降解率的消极影响并不明显,而泥龄和金属离子是主要的抑制因素,泥龄的抑制程度显著高于金属离子(P0.05),且随着泥龄的增加,金属离子的抑制作用呈进一步增强的趋势,因而总结得出长泥龄为限制我国污泥厌氧消化性能的最主要因素.经高温热水解预处理(160℃, 0.55 MPa, 30 min)后,长泥龄污泥的累积产甲烷量和VS降解率显著提升,接近于泥龄为5 d时的值,因此高温热水解具有突破长泥龄所致的污泥厌氧产甲烷瓶颈的潜力.     

碱浸泡预处理对固体有机物厌氧消化的影响研究

为提高稻草的产气量并确定最理想的NaOH用量,采用不同浓度的NaOH溶液对稻草进行了浸泡预处理,并在完全混合厌氧消化工艺条件下,分析消化过程的pH值、VFA、COD和产气量等随时间的变化情况.结果表明,在经过NaOH溶液的浸泡处理以后,稻草厌氧消化的气体产量提高了38%～119%,其中甲烷含量从46%提高到59%,VS的去除率从38%提高到51%.实验证明,NaOH溶液对稻草的厌氧消化能力具有显著的促进作用,但Na 的存在也对消化造成了一定的阻抑作用.综合考虑实验结果后认为,浓度为6%的NaOH溶液的处理效果最为理想.     

微量Co和Ni对稻草厌氧消化的影响

研究了微量Co,Ni对稻草厌氧消化过程中的COD_Cr,pH,挥发性脂肪酸(VFA),产气量及产气速率的影响.结果表明:投加了Co,Ni和Co+Ni的实验处理,其产气量分别提高了39.0%,74.5%和115.0%;φ(甲烷)从44.9%分别提高到50.0%,52.2%和62.5%;挥发性固体(VS)去除率从39.3%分别提高到46.2%,47.6%和53.2%,COD_Cr去除率从42.4%分别提高到56.9%,57.0%和58.9%.投加微量Co,Ni对稻草的厌氧消化能力具有显著的促进作用.3种投加方式对厌氧消化系统的促进效果存在差异,其中投加Co+Ni混合微量金属是提高稻草厌氧消化效率和产气量的有效方法.      

Effects of mixture ratio on anaerobic co-digestion with fruit and vegetable waste and food waste of China

The biochemical methane potentials for typical fruit and vegetable waste (FVW) and food waste (FW) from a northern China city were investigated, which were 0.30, 0.56 m3 CH4/kgVS (volatile solids) with biodegradabilities of 59.3% and 83.6%, respectively. Individual anaerobic digestion testes of FVW and FW were conducted at the organic loading rate (OLR) of 3 kg VS/(m3 day) using a lab-scale continuous stirred-tank reactor at 35°C. FVW could be digested stably with the biogas production rate of 2.17 m3/(m3 day) and methane production yield of 0.42 m3 CH4/kg VS. However, anaerobic digestion process for FW was failed due to acids accumulation. The effects of FVW: FW ratio on co-digestion stability and performance were further investigated at the same OLR. At FVW and FW mixing ratios of 2:1 and 1:1, the performance and operation of the digester were maintained stable, with no accumulation of volatile fatty acids (VFA) and ammonia. Changing the feed to a higher FW content in a ratio of FVW to FW 1:2, resulted in an increase in VFAs concentration to 1100–1200 mg/L, and the methanogenesis was slightly inhibited. At the optimum mixture ratio 1:1 for co-digestion of FVW with FW, the methane production yield was 0.49 m3 CH4/kg VS, and the volatile solids and soluble chemical oxygen demand (sCOD) removal efficiencies were 74.9% and 96.1%, respectively.     

黄花和脱水污泥厌氧消化的温室气体减排研究

采用联合国政府间气候委员会(IPCC)推荐的方法,对植物加拿大一枝黄花和污泥生物质厌氧消化产沼气的环境和能量影响进行了评估.环境影响评估重点关注温室气体(GHG)减排,将加拿大一枝黄花和脱水污泥的中温小试厌氧消化的甲烷产率数据运用于GHG减排潜质的计算;能量评估包括污泥贮存及传播、消化液的沼气逃逸,及化学肥料和化学药剂的投加几个过程中的直接和间接的能量输入.结果表明,一枝黄花和脱水污泥联合厌氧消化净GHG排放量随着SRT的缩短和黄花添加比例的增加而逐渐下降,在二者以挥发性固体(VS)比例1:1混合,停留时间为20d时的能量效率较高,GHG减排量较大,与基础方案相比,添加黄花可以实现78%的净GHG减排.     

基于仿生学的一体式两相厌氧反应器的运行研究

反刍动物瘤胃对纤维素类物质具有强大的消化能力,在厌氧发酵领域备受关注.为了增加秸秆等物质的资源化利用途径,本文基于仿生学的原理,设计了一体式两相新型厌氧反应器,并以秸秆、猪粪和河道底泥为底物进行干式共发酵,研究了该反应器的水解酸化和产甲烷性能.结果表明：反应器在1～6 d的产气速率较快,单位体积累积产气量的增长速率为366.87 mL/d,最快产气速率为22.3 mL/(g·d)(以每g挥发性固体每天产生的沼气体积计);发酵过程挥发性固体的产气量为0.13 L/g;发酵过程中pH在7.3～8.2之间变化,p H与挥发性脂肪酸(VFAs)浓度整体上呈现相反的变化趋势,说明反应器内未发生氨抑制现象;第1～21天,主反应室产生的溶解性化学需氧量(SCOD)在次反应室中被充分利用,实现了水解过程和水解产物利用过程的分离;厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是反应器中最丰富的两个菌门,均具有水解和产酸能力.基于瘤胃设计的反应器既具有不同水解程度底物分层和持续吸收VFAs的效果,又有上部水解和产酸、下部产甲烷的一体式两相厌氧发酵效果.研究显示,该反应器可有效延长...     

汽爆预处理对互花米草厌氧发酵产气特性的影响

针对互花米草厌氧发酵过程存在的结构抑制问题,采用高速汽爆设备,在1.5,2.0,3.0MPa条件下分别对其进行蒸汽爆破预处理试验,并采用揉搓处理作为对照.厌氧发酵试验结果表明,随汽爆压力的增加,累积产气率呈下降趋势,1.5,2.0,3.0MPa处理原料的单位挥发性固体(VS)累积产气量分别为293.6,176.1,145.4mL/g,对照为238.7mL/g.经2.0,3.0MPa处理的原料在发酵过程中存在酸积累现象,挥发性有机酸(VFA)中乙酸最高达10599.42mg/L,丙酸浓度高于1000mg/L,这是导致这2组原料累积产气量低于对照的主要原因.     

含固率和有机负荷对厨余垃圾厌氧消化性能及沼渣特性的影响

为提高厨余垃圾厌氧消化性能和促进沼渣资源化利用,以底物降解效能和产甲烷量最大化为目标,分别考察不同进料总固体（TS）含量（含固率）(12%、15%、18%、25%、28%、33%)和有机负荷〔8.5、10.5、13.5 g/(L·d),以挥发性固体(VS)计〕条件下厨余垃圾的中温厌氧消化特性,并对最优进料参数下沼渣特性和资源利用潜力进行分析. 结果表明:进料TS含量是影响厨余垃圾厌氧消化效能的重要因素,调节进料TS含量至25%时可获得最大累计产甲烷量(16.81 L)和最高单位容积负荷累计产甲烷量(42.01 L/L),挥发性固体降解率达72.29%,系统运行稳定. 在进料TS含量为25%的条件下,系统累计产甲烷量随有机负荷的增加呈先升高后降低的趋势,有机负荷为10.5 g/(L·d)时,系统累计产甲烷量和挥发性固体降解率最高,分别为24.04 L和79.64%,未产生酸抑制现象. 厌氧消化过程中产生的副产物沼渣中有机质和总养分含量较高,电导率和重金属含量较低,pH适宜,满足《有机肥料》(NY 525—2021)和《绿化用有机基质》(GB/T 33891—2017)的要求. 研究显示:当进料TS含量为25%、有机负荷为10.5 g/(L·d)时,厌氧消化系统运行效能最优;沼渣营养成分较高、生物毒性较低,具有较大资源化利用潜力,后续经脱水处理并提高腐熟程度后可进行应用.      

初始pH值和物料配比对高温混料厌氧发酵进程的影响

为了研究高温条件下初始p H对厌氧发酵进程的影响,以猪粪、玉米秸秆为发酵原料,设置3种比例(干物质质量比30∶70、50∶50、70∶30)下6个水平(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0的初始p H值以及一个不调控初始p H的处理作为对照)进行批次发酵试验.结果表明,初始p H值和物料配比都会显著影响厌氧发酵过程的启动时间和甲烷产量.当初始p H值为7.0时,VS降解率趋于稳定.COD去除率随着粪便含量的增加而逐渐降低.高温猪粪玉米秸秆混合发酵最佳挥发性脂肪酸(VFA)/碱度比值范围为0.05~0.3;猪粪可以作为一种缓冲材料,适量添加可增大消化系统的缓冲能力.通过建模优化,预测出当初始p H值为6.95、猪粪/玉米秆为70∶30时,可得到每克挥发性固体最大理论单位甲烷产量169.22 m L·g-1.     

Effect of nitrite on hydrolysis-acidification, biogas production and microbial community in semi-continuous two-phase anaerobic digestion of sewage sludge

Previous study found that the pre-treatment of sewage sludge with nitrite improves the biogas production during the mono/two-phase anaerobic digestion (AD) using batch biochemical methane potential tests. In this study, the effects of nitrite on hydrolysis-acidification, biogas production, volatile solids destruction and microbial composition in semi-continuous two-phase AD of sewage sludge were investigated. The addition of nitrite promotes sludge organic matter solubilization (+484%) and VFAs production (+98.9%), and causes an increase in the VS degradation rate during the AD process (+8.7%). The comparison of biogas production from the acidogenic and methanogenic reactors with or without the addition of nitrite implies that the nitrite has no significant effect on the overall biogas production of two-phase sludge AD process. High-throughput sequencing analysis shows that the microbial communities of bacteria and archaea in two-phase AD reactors significantly changes after the addition of nitrite. Vulcanibacillus (bacteria) and Candidatus Methanofastidiosum (archaea) become the dominant genera in the acidogenic and methanogenic reactors with the nitrite respectively. These findings provide new insights about using nitrite to promote the organic matter degradation of sewage sludge in a semi-continuous two-phase AD system.