零价铁和微波预处理组合强化污泥厌氧消化

以中温(100℃)常压的微波预处理结合零价铁投加为对象,考察了低投加量5.19~41.51 g·kg-1(以TS计)、高投加量83.35~853.46 g·kg-1(以TS计)下的零价铁对微波预处理污泥厌氧消化的进一步强化作用。结果表明,微波预处理与零价铁组合可使污泥厌氧消化产甲烷潜势提升17%~23%。零价铁对微波预处理后污泥厌氧消化具有一定的促进作用,且提升了厌氧消化初期(1~4 d)产甲烷速率,零价铁投加量为31.13g·kg-1(以TS计)时,产甲烷潜势提升了7.42%,反应第2d的产甲烷速率提高了11.02%。高投加量的零价铁并未表现出更好的强化效果。零价铁促进了厌氧消化初期溶解性有机物的释放,投加量为31.13g·kg-1(以TS计)时,溶解性蛋白质较单独预处理组提高21.16%,并且零价铁投加加快了乙酸、异丁酸、异戊酸的消耗。零价铁的投加,导致上清液中的磷酸根和硫酸根浓度降低,相应的,上清液中铁元素的浓度反而下降,说明零价铁的形态转化后,易与磷酸盐、硫反应形成沉淀,这可能是铁投加作用效果不明显的重要原因。     

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.     

微米零价铁对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化的加强效果及机制

针对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化产气效率不高的问题,通过投加微米零价铁,研究其对厌氧联合消化的强化效果及作用机制.结果说明,零价铁的添加强化了厌氧联合消化的产甲烷阶段,但对溶解、水解及酸化阶段没有明显影响.当零价铁的投加量为10 g·L-1时,经过15 d的厌氧消化,累积甲烷产量(以VS计)达到238.68 mL...     

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.     

NZVI对低有机质污泥厌氧消化系统及微生物群落的影响

采用投加不同剂量纳米零价铁（NZVI）（0,0.1,0.3,0.5 g/g VS）的低有机质污泥进行半连续中温厌氧消化试验,研究了反应器在不同NZVI投加量下的产甲烷特性及微生物群落变化。研究表明:NZVI的投加前期对产甲烷具有促进作用,随着反应器中NZVI累积逐渐对产甲烷产生抑制,且投加量越高抑制效果产生越早,抑制作用也越强。投加NZVI反应器未造成酸化或氨抑制,厌氧消化系统稳定性较好,系统上清液中磷酸盐去除率最高达到97.78%。NZVI的投加可以促进Firmicutes、Proteobacteria等水解产酸菌和Methanosarcina等多数氢营养型产甲烷菌的生长,而对严格的乙酸型产甲烷菌Methanosaeta生长有一定抑制作用。     

基于微波预处理的酶强化污泥水解酸化研究

微波预处理能显著提高污泥上清液中溶解性有机物含量,进而可作为内碳源补充强化生物脱氮,但释放的大量溶解性有机物却存在碳源可利用性偏低问题.因此,为了提高上述碳源的可利用性,本研究通过批量试验,考察了添加中性蛋白酶和中温α-淀粉酶对微波预处理污泥水解酸化的强化效果,同时研究了水解酸化过程中污泥上清液中有机物的变化特征.结果表明,经过微波-过氧化氢-碱预处理的污泥进行水解酸化能产生较多的挥发性脂肪酸(VFA),碳源可利用性提高,但由于在水解酸化最初的2 d内存在产酸滞后期,导致水解酸化时间被延长.加入中性蛋白酶和中温α-淀粉酶不仅促进了预处理后污泥的水解酸化,而且解除了微波-过氧化氢-碱预处理导致的产酸滞后现象.在55℃、I/S(接种比)=0.07条件下,酶的最佳投加量分别为30 mg·g~(-1)(蛋白酶/总固体浓度TS)和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS),最佳水解时间为0.5 d,最佳酸化时间为4 d.水解酸化过程中溶解性COD(SCOD)、溶解性蛋白质、溶解性糖类和VFA浓度均呈现先增加后降低的变化规律.水解0.5 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD、溶解性蛋白质、溶解性糖类浓度均达到最大值.水解酸化4 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的总VFA浓度分别为3373.39 mg·L~(-1)(以COD计,下同)和3226.79 mg·L~(-1),比预处理组分别提高了82.37%、74.45%.30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的VFA主要组分均为乙酸、正丁酸和异戊酸,其中,乙酸占总VFA的比例分别为46.53%、45.94%,污泥上清液中的COD/总氮(TN)比分别为13.26、14.41.在碳源组成方面,在水解酸化0.5~4.0 d之内,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD浓度基本不变,但随着水解酸化时间的延长,溶解性蛋白质占SCOD的比例均在下降,总VFA占SCOD的比例均在提高,实现了在不改变碳源总量的条件下增加易生物降解有机物比例的目的.     

低温短时水热预处理混合及初沉污泥的高温厌氧消化特性研究

以低温短时(90℃、30 min)水热预处理后的混合及初沉污泥为研究对象,分别进行了高温((55±1)℃)厌氧消化连续性试验.研究了该预处理条件下这两类污泥在水力停留时间(HRT)为20 d时的产气量、有机物分解率及物料平衡等,探讨了低温短时水热预处理对提高污泥厌氧消化性能的效果.结果表明:TS约为35 g·L-1的预处理混合污泥与初沉污泥经高温厌氧消化后,投加单位VS的产气量分别为(343.00±9.86)m L·g-1和(365.00±7.61)m L·g-1,VS去除率分别为38.9%和45.8%.COD物料平衡计算结果表明,混合和初沉污泥中分别有33.6%和43.9%的固体有机物被分解转化,生物气中CH4含量均在70%左右.     

去除城市生活污泥中有机络合态金属强化其厌氧生物制气

为提高城市生活污泥厌氧消化沼气产率,本文考察了通过金属络合剂EDTA预处理污泥,以去除城市生活污泥中有机络合态金属,强化其厌氧生物制气的效果.结果表明,经EDTA预处理去除金属后的污泥(实验组)较未预处理的污泥(对照组)的有机络合态金属含量减少[(5.09±0.57)%~(1.37±0.20)%,以TS计],溶解性有机质显著提高(SCOD提升627%),暗示该预处理方法能够极大地去除有机络合态金属并强化污泥有机质的溶出.通过测定污泥有机质溶出表观活化能发现,实验组污泥有机质溶出表观活化能比对照组降低36%,表明预处理能够有效降低有机质溶出反应的能量壁垒.污泥厌氧发酵研究发现,在16d的污泥厌氧产酸实验中,实验组VFAs浓度高于对照组,较对照组最大提升42%;在22 d的污泥厌氧产甲烷测试实验(BMP)中,实验组单位有机质累积甲烷产量比对照组增加48%,表明EDTA预处理对提高污泥厌氧消化产沼气具有重要的作用.通过进一步产沼气动力学研究发现,实验组的产沼气限速步骤在产甲烷阶段,而对照组限制于水解阶段,表明经EDTA预处理能有效地破除城市生活污泥厌氧消化过程的水解限速.     

柠檬酸钠强化剩余污泥酶水解和酸化的研究

厌氧条件下,研究了阳离子络合剂柠檬酸钠(SC)对剩余污泥酶水解和酸化的影响.结果表明:络合剂SC提高了污泥酶水解和酸化的效率,溶解性蛋白质和碳水化合物溶出量增加,SC的最佳投加剂量为0.432 g·g-1(以TS计,下同).络合剂SC可以提高污泥中短链脂肪酸(SCFAs)的积累量,同时减少达到最大SCFAs积累的时间,缩短厌氧消化时间.空白对照组和蛋白酶组的总SCFAs积累量分别在反应第7 d和第6 d达到最大值,而SC+蛋白酶组(SC 0.432 g·g-1)在反应第2 d就达到了最大值.从酶活性的变化和SEM图可知,SC的投加破坏了EPS的网络结构,原来被束缚、隐藏于污泥基体中的水解酶得到释放,从而提高了污泥水解速率.     

过氧化氢-敏化剂强化污泥微波预处理溶胞效果的研究

提高污泥溶胞效率是强化污泥厌氧处理的关键.为加强污泥微波预处理溶胞效果,本研究分别考察了常压、半封闭条件下二氧化钛颗粒、碳质材料作为敏化剂与过氧化氢联合进行微波污泥预处理的效果.结果表明,碳质材料敏化剂对微波、过氧化氢-微波污泥预处理产生了负作用,降低了污泥的溶胞效果,而二氧化钛能有效增加污泥中营养物质的释放.当二氧化钛颗粒投加量为0.12 g·g~(-1)干污泥时,SCOD、PO_4~(3-)-P的浓度比单独微波处理分别增加了11.86%、61%;当二氧化钛颗粒投加量为0.24 g·g~(-1)干污泥时,NH_4~+-N释放比单独微波处理高出27.78%.微波辐射作用下投加二氧化钛颗粒产生了羟基自由基,强化了过氧化氢-微波对污泥细胞的氧化作用.     

零价铁预厌氧协同MFC强化降解吲哚性能与功能菌群分析

通过零价铁(ZVI)预厌氧与微生物燃料电池(MFC)的协同作用,研究其对单一基质碳源吲哚的降解特性、MFC产电性能及群落分析.结果表明:ZVI(4 g·L^-1)的预厌氧可明显促进吲哚(250 mg·L^-1)在MFC体系中的降解;其中吲哚与TOC在96 h内的降解率分别为97.17%和89.50%,且吲哚的降解符合一级反应动力学模型;体系中MFC最大输出电压和功率密度可达600 mV和439.55 mW·m^-2;通过LC-MS分析,吲哚在协同体系中的主要中间代谢产物为靛红和水杨酸.高通量测序结果表明,ZVI预厌氧体系的引入有利于MFC体系中梭菌(Clostridium sensu stricto)、链霉菌(Streptomyces sp.)、热单胞菌(Thermomonas)的富集与吲哚的厌氧降解;同时促进假单胞菌(Pseudomonas)和梭菌等在代谢过程中的电子转移,提高了MFC的产电性能.     

污泥停留时间对餐厨垃圾与剩余污泥中温厌氧混合发酵系统的影响

采用连续搅拌釜式反应器(CSTR)成功启动了餐厨垃圾与剩余污泥混合发酵平行系统,重点探究了不同污泥停留时间(SRT)缩减幅度对于餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的影响.结果表明,较大幅度地缩减SRT( 8. 3 d)提升反应器运行负荷,不利于反应器的稳定运行;随着反应器运行负荷的增加,SRT缩减幅度应逐渐降低(5～0. 9 d),能够取得餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的高负荷稳定运行.经过282 d的运行,CSTR混合发酵系统能够在SRT为9. 1 d,进料负荷(以COD计)为(12. 9±1. 5) g·(L·d)~(-1)的条件下稳定运行,相应的甲烷产量为3. 94～4. 25 L·(L·d)~(-1),甲烷产率(以COD计)为288～302 m L·g-1,p H和挥发性脂肪酸(VFA,以COD计)分别稳定在7. 80～7. 83和0. 32～0. 39 g·L-1.此外,还探究了高负荷条件下餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵污泥特性,结果表明,餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统甲烷转化途径以乙酸转化途径为主,具有较高的乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的产甲烷活性和辅酶F420的质量摩尔浓度.     

剩余污泥微波-淘洗及零价铁强化发酵性能

为解决微波预处理高含固率污泥存在碳源溶出率低和释放的碳源有效性低的问题,本文选用淘洗的方法,同时将零价铁（ZVI）添加到淘洗污泥的混合液和上清液中进行厌氧发酵以强化碳源的有效性.结果表明,淘洗显著提升了微波预处理高含固率（TS=11%~17%）污泥的碳溶出率,水淘和碱淘较未淘洗时碳源溶出率分别提高了13%~68%、146%~308%.ZVI的加入不仅显著提高了挥发性脂肪酸（VFAs）溶出率,还能将大分子碳源定向转化为乙酸、丙酸等低分子碳源.混合液+ZVI、上清液+ZVI发酵的VFAs溶出量分别为317和354mg/g VSS,超过微波污泥VFAs溶出量的30倍.添加ZVI发酵后,丙酸、乙酸、丁酸等小分子碳源的比例有所上升,混合液中的占比分别为34%、26%、18%,上清液中的占比分别为39%、27%、20%,提升了污泥碳源的利用价值.研究表明,微波-淘洗预处理联合ZVI发酵技术能够有效提高剩余污泥中高效碳源的溶出率,这为剩余污泥的碳源化提供了一条新思路.     

互花米草入侵对胶州湾潮滩湿地硫素时空分布的影响

选择胶州湾互花米草潮滩(入侵前为光滩)和光滩为研究对象,研究了互花米草入侵下胶州湾潮滩湿地土壤总硫(Total sulfur, TS)、有效硫(Available sulfur, AS)及互花米草各器官TS含量的时空分布特征及其影响因素.结果表明,互花米草入侵后湿地0～60 cm土壤TS((1.53±0.24) g·kg~(-1)))和AS((0.75±0.04) g·kg~(-1))的平均含量明显高于入侵前光滩湿地TS((1.13±0.09) g·kg~(-1))和AS((0.53±0.02) g·kg~(-1))的平均含量(n=54,p0.05),增幅分别为35.40%和41.51%.其中,互花米草入侵后湿地30～50 cm土层TS含量和20～60 cm土层AS含量较入侵前的光滩湿地大幅增加(n=9,p0.05).与光滩相比,6、10、12月互花米草潮滩土壤TS含量增幅分别为14.53%、67.86%、22.52%,AS含量增幅分别为48.72%、39.06%、50.98%.逐步线性回归分析结果表明,互花米草入侵后导致土壤EC、有机质的改变是影响其土壤AS含量分布的关键因素.互花米草TS含量均值为(2.73±0.39) g·kg~(-1),6月植物TS含量与10月、12月植物TS含量之间均存在显著性差异(n=9,p0.05),硫(S)累积量最高值出现在10月,同种器官内6月根、茎、叶的硫累积系数(Accumulation Factor of sulfur, AF_S)均高于10月、12月.研究表明,互花米草入侵总体增加了土壤硫库储量,提高了湿地土壤AS的供给能力,但增加了其时空变异性,AS在不同季节差异较大.     

不同退耕年限下菜子湖湿地土壤铁形态变化

选取菜子湖区不同退耕年限(3、5、7、9、11、21 a)湿地为研究对象,以仍耕作油菜地和原始湿地为参照,分别采用王水消解法和Tessier连续提取法,分析了退耕还湖后湿地土壤全铁和铁的赋存形态特征,探讨退耕还湖后湿地土壤铁组分特征变化规律.结果表明:研究区土壤铁各形态含量大小顺序为:残渣态(RES-Fe:17.09~30.84 g·kg-1)铁锰氧化态(RED-Fe:3.66~4.48 g·kg-1)有机结合态(OM-Fe:0.87~3.09g·kg-1)碳酸盐结合态(CARB-Fe:0.01~0.37 g·kg-1)可交换态(EXC-Fe:0.01~0.15 g·kg-1).占全铁均小于1.5%的EXC-Fe和CARB-Fe均在退耕3 a和5 a期间含量快速升高,而后降低再升高,最低值出现在退耕11 a;RED-Fe在退耕3~9 a比较稳定,随后缓慢增加;而OM-Fe随退耕年限增加整体上呈增加趋势;占土壤铁形态总量73.91%~85.42%的RES-Fe在退耕3a时含量下降,在3~9 a间呈现逐渐增加的趋势,9~21 a又逐渐下降;研究区全铁(Tot-Fe)平均含量在18.50~38.41 g·kg-1之间,变化趋势与RES-Fe基本一致.讨论结果表明退耕还湖后水文条件和植被状况的改变导致了土壤环境发生变化,从而不仅影响退耕后湿地土壤全铁含量变化,也影响土壤铁形态组分特征,进而影响土壤铁的有效性.     

纳米零价铁(NZVI)对厌氧产甲烷活性、污泥特性和微生物群落结构的影响

重点比较了纳米零价铁(NZVI)和微米级铁(ZVI)短期暴露条件下,厌氧产甲烷过程中污泥产甲烷活性、污泥生理生化特征、细胞膜磷脂组成和微生物群落结构的变化.结果表明,NZVI组中累积产甲烷量随着NZVI投加浓度的增加降低.5 000mg·L~(-1)ZVI组累积产甲烷量未受影响.5 d时NZVI(100~5 000 mg·L~(-1))组铁离子浓度是空白组的1.6~7.4倍,5 000mg·L~(-1)ZVI组铁离子浓度略高于空白组.5 000 mg·L~(-1)NZVI组胞外聚合物总量大幅下降为空白组的21.1%,而活菌比仍可保持在空白组的79.7%.辅酶F420和辅酶M含量在5 000 mg·L~(-1)NZVI组中为空白组的40.2%和61.6%,但100 mg·L~(-1)NZVI组和5 000 mg·L~(-1)ZVI组中辅酶F420含量升高为空白组的1.3倍.不同实验组污泥支链脂肪酸和不饱和脂肪酸的总含量为:ZVI-5 000(21.18%)空白组(19.37%)NZVI-1000(16.69%)NZVI-5000(15.94%)NZVI-100(12.08%).NZVI可使环境中铁离子浓度升高和细胞膜流动性下降,降低细胞活性和产甲烷关键辅酶活性,从而对产甲烷过程造成抑制;主成分分析和冗余分析表明,厌氧系统中微生物群落组成可受到NZVI的影响发生较大变化,Nakamurella、Bacillus、Trichococcus和Petrimonas对NZVI耐受性高.     

闽江口鳝鱼滩芦苇湿地沉积物甲烷产生与氧化潜力对外源物质输入的响应

研究河口湿地沉积物甲烷(CH4)产生和氧化对外源物质输入的响应,对环境保护及温室气体减排具有重要意义.本研究基于室内培养-气相色谱法,探讨了闽江河口半咸水芦苇(Phragmites australis)沼泽湿地沉积物CH4产生与氧化对不同外源物质(底物、电子受体和营养物质)输入的响应.结果表明:CH3OH(500 mg·kg-1)、C3H9N(500 mg·kg-1)和Fe2+(0~500 mg·kg-1)对CH4产生潜力起促进作用(p0.05);NO-3(0~500 mg·kg-1)、NO-2(0~500 mg·kg-1)、Fe3+(50 mg·kg-1)和NH+4(50~500 mg·kg-1)表现为抑制CH4产生潜力(p0.05);而0~50 mg·kg-1的CH3OH和C3H9N、0~500 mg·kg-1的CH3COOH、SO2-4、Mn4+、PO3-4和低剂量的NH+4(0~5 mg·kg-1)对CH4产生的影响不显著(p0.05).实验剂量内(0~500 mg·kg-1),Fe3+和Mn4+的添加可促进CH4氧化(p0.05);CH3COOH、CH3OH、C3H9N、NO-3、NO-2、SO2-4、NH+4和低剂量的PO3-4(0~50 mg·kg-1)对沉积物CH4氧化潜力均有显著的抑制作用(p0.05);而Fe2+对CH4氧化没有显著影响(p0.05).综合分析表明,CH3COOH、CH3OH、C3H9N、NO-3、NO-2、SO2-4、PO3-4、NH+4和Fe2+的输入对沉积物CH4产生和氧化的综合作用为增加CH4排放通量,而Fe3+和Mn4+输入的综合作用则与之相反.     

超声波预处理对牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵特性的影响

为了探索超声波预处理提高厌氧发酵产气量的机理、优化超声波预处理工艺及分析超声波预处理的能量效益,利用因子分析法和通径分析研究不同发酵阶段各环境因子对发酵过程的影响,以及发酵初始环境与甲烷产量之间的关系.同时,用响应面优化法优化超声波预处理工艺,并且分析了超声波预处理的能量效益.结果表明,在40 k Hz和0.20 k W下,适宜的超声波预处理能显著提高厌氧发酵总产气量(p0.05),牛粪预处理17.68 min后与玉米秸秆预处理19.94 min混合发酵,甲烷产量最高为177.20 L·kg-1(以TS计),显著高于CK(未经预处理组,p0.05),其能量效益也最高,为1835.14 k J·kg-1(以TS计).超声波预处理通过改变发酵初始环境之间的相互关系和发酵过程环境的主要影响因素来使发酵系统更加稳定从而提高产气量.超声波预处理是一种能量输入的预处理方式,产气量高于CK处理组,但其能量效益不一定大于零.因此,在优化超声波预处理条件时必须对其能量效益进行分析.研究结果能为超声波预处理条件的优化方式提供理论依据.