生物炭缓解餐厨垃圾厌氧消化酸化的效果及机制

研究了在高有机负荷(30 g VS/L,VS为挥发性固体含量)下生物炭缓解餐厨垃圾厌氧消化酸化,促进产甲烷的效应及机制。结果表明:碱性多孔生物炭在最优添加量下(1 g/g VS),反应20 d时,累积产甲烷量达到312.40 mL/(g·VS),与对照组相比提升了101.7%,同时产甲烷停滞期缩短62%。并在酸化最严重时挥发性脂肪酸(VFA)含量降低1151.28 mg/L。研究结果表明:生物炭的多孔结构是促进挥发性脂肪酸分解的关键因素,碱度和营养物质可以起到促进作用。高通量测序结果表明:最佳添加量下甲烷丝菌属(Methanothrix)、拟杆菌(Bacteroidales)、梭菌(Clostridiales)的相对丰度分别由26.12%、43.08%和9.95%提高到46.05%、56.25%和12.20%。生物炭缓解餐厨垃圾消化酸化的机制是为微生物提供反应场所,增强了微生物间的电子传递,提高了厌氧微生物的呼吸速率。     

不同基质生物炭对厌氧处理餐厨垃圾效能及微生态的影响

探究了剩余污泥（SS）、餐厨垃圾（FW）、玉米芯（CC）、甘蔗渣（BG）4种不同基质生物炭对厌氧生物处理餐厨垃圾效能的影响,对厌氧污泥的关键酶活性、微生物群落分布以及代谢途径等微生态进行了分析.结果表明,厌氧反应器分别加入4种生物炭后,COD平均去除率分别提高了29.49%、23.16%、29.42%、40.32%;傅里叶红外分析表明,投加SS生物炭组出水中羟基、酰胺基以及C-O-C伸缩振动峰减弱.4个厌氧反应器中厌氧污泥的乙酸激酶活性分别为0.40,0.42,0.96,0.98 μmol/g,表明投加CC与BG生物炭促进了餐厨垃圾的厌氧水解酸化过程;厌氧污泥胞外聚合物的蛋白质/多糖之比分别为0.415、0.56、1.89、2.8,投加CC、BG生物炭提高了污泥的稳定性.4个厌氧反应器中拟杆菌门、变形菌门、厚壁菌门为主要菌群,投加BG生物炭促进了变形菌门与厚壁菌门的生长;对于古细菌而言,甲烷杆菌属与甲烷丝菌属为优势种群,SS组的甲烷杆菌属丰度最高（53.48%）,而BG组中甲烷丝菌属丰度最高（42.72%）.KEGG功能分析表明古菌及细菌均以碳水化合物代谢、氨基酸代谢为主;而投加BG与SS生物炭后,微生物膜运输水平得到了提高.     

不同基质生物炭对厌氧处理餐厨垃圾效能及微生态的影响

探究了剩余污泥(SS)、餐厨垃圾(FW)、玉米芯(CC)、甘蔗渣(BG)4种不同基质生物炭对厌氧生物处理餐厨垃圾效能的影响,对厌氧污泥的关键酶活性、微生物群落分布以及代谢途径等微生态进行了分析.结果表明,厌氧反应器分别加入4种生物炭后,COD平均去除率分别提高了29.49%、23.16%、29.42%、40.32%;傅里叶红外分析表明,投加SS生物炭组出水中羟基、酰胺基以及C-O-C伸缩振动峰减弱.4个厌氧反应器中厌氧污泥的乙酸激酶活性分别为0.40,0.42,0.96,0.98μmol/g,表明投加CC与BG生物炭促进了餐厨垃圾的厌氧水解酸化过程;厌氧污泥胞外聚合物的蛋白质/多糖之比分别为0.415、0.56、1.89、2.8,投加CC、BG生物炭提高了污泥的稳定性.4个厌氧反应器中拟杆菌门、变形菌门、厚壁菌门为主要菌群,投加BG生物炭促进了变形菌门与厚壁菌门的生长;对于古细菌而言,甲烷杆菌属与甲烷丝菌属为优势种群,SS组的甲烷杆菌属丰度最高(53.48%),而BG组中甲烷丝菌属丰度最高(42.72%).KEGG功能分析表明古菌及细菌均以碳水化合物代谢、氨基酸代谢为主;而投加BG与SS生物炭后,微生物膜运输水平得到了提高.     

椰子壳生物炭促进餐厨垃圾厌氧消化的响应面优化实验

主要研究了椰子壳生物炭添加对餐厨垃圾厌氧消化的影响,选取污泥接种量、初始pH值和生物炭添加量为主要影响因素,运用最陡爬坡实验确定参数水平,然后运用响应面法,以甲烷产率作为厌氧消化过程响应指标,优化椰子壳生物炭促进餐厨垃圾厌氧消化的工艺条件。结果表明:根据实验数据建立的二次多项式数学模型具有高度显著性(P<0.0001),决定系数R~2=0.9844,说明实验值和预测值之间具有很好的拟合度。通过数值优化得到最优条件分别为污泥接种20.98%,初始pH=7.05,生物炭添加量为22.14 g/L。在该条件下,餐厨垃圾甲烷产率的预测值为331.66 L/kg,实验值为326.15 L/kg,二者相对偏差为1.69%。     

餐厨垃圾沼渣制备生物炭回用促进厌氧消化产沼气工艺的碳排放特征研究

餐厨垃圾是一类重要的城市有机固废,厌氧消化是我国目前针对餐厨垃圾的主流处理工艺,而厌氧消化后沼渣的低碳处置是餐厨垃圾厌氧消化工艺的瓶颈之一.本研究以无锡市某餐厨垃圾厌氧消化处理工程为研究对象,提出了餐厨垃圾“厌氧消化-沼渣干化-热解-制备生物炭-回用”（工艺路线1）新型工艺路线,并以目前正运行的“厌氧消化-沼渣干化-焚烧”（工艺路线2）作为参考对照,采用联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）提供的计算方法,计算并对比分析了两种工艺路线的碳排放特征.结果表明,两种工艺路线各阶段碳排放量与碳汇占比相似,碳排放主要来自于污水处理阶段、厌氧消化阶段和沼渣干化阶段,碳汇主要来自于油脂提取阶段和厌氧消化阶段.工艺路线1由于沼渣生物炭促进厌氧消化沼气产量的提升以及热解生物炭的碳固定,所得总碳汇比工艺路线2增加了14.19%,其总碳排放量比工艺路线2降低了2.63%.本研究结果表明餐厨沼渣热解制生物炭回用于厌氧消化促进产气的工艺路线实现了更高程度的资源化以及更少的碳排放,在当前碳中和的大背景下,该工艺可能成为未来餐厨垃圾处理技术的重要方向.     

超声波联合酶预处理强化餐厨垃圾厌氧消化

以餐厨垃圾为唯一底物原位制备了菌基复合酶,探究了超声波联合菌基复合酶预处理对餐厨垃圾产甲烷效能的影响,并解析了其作用机制.研究发现,超声波联合菌基复合酶预处理可强化餐厨垃圾产甲烷效能,其甲烷产量高于单一的超声波预处理和酶预处理,且增加酶投加量可进一步提升甲烷产量,最大甲烷产量为(369.86±14.06)mL/g VS,较未预处理提高了57.21%.对联合预处理强化餐厨垃圾产甲烷作用机制的解析发现,联合预处理促进了餐厨垃圾中大分子有机物的分解,并使其由固相向液相转移,提升了发酵底物的生物可降解性.同时,联合预处理改变了餐厨垃圾中蛋白质二级结构,破坏了餐厨垃圾的表面形态,且餐厨垃圾中主要组分的动态降解顺序为:蛋白质→油脂→淀粉.此外,联合预处理因改变了餐厨垃圾的特性进而重塑了厌氧消化过程中微生物的群落结构,乙酸型产甲烷古菌Methanosaeta的富集进一步强化了餐厨垃圾的产甲烷效能.     

基于PCR-TGGE技术的餐厨垃圾厌氧消化微生物群落结构解析

为了解不同负荷下单相餐厨垃圾厌氧消化反应器内微生物群落结构演替特征,在单相厌氧消化反应器负荷为2.0～8.5kg·m-·3d-1(以VS计)的不同负荷条件下取样,运用16SrDNA的PCR-TGGE技术对反应器内微生物进行动态追踪.同时,运用Dice系统和NMDS软件对PCR-TGGE图谱进行分析.结果表明,负荷为4.0～6.0kg·m-·3d-1时,微生物群落结构变化不大;负荷为6.0～7.0kg·m-·3d-1时,微生物群落结构变化较为明显;负荷分别为7.0～8.0kg·m-·3d-1及8.5kg·m-·3d-1时,微生物群落结构变化最为明显.纵观整个过程,在餐厨垃圾厌氧消化反应器有机负荷在2.0～8.5kg·m-·3d-1下厌氧反应器内的微生物群落结构存在明显的阶段性演替;负荷为7.0kg·m-·3d-1时微生物群落结构的丰富度最好.     

微曝气强化两相餐厨垃圾厌氧消化的效果探究

为了提高两相餐厨垃圾厌氧消化的效果,文章对两相餐厨垃圾厌氧消化中水解酸化阶段进行微曝气,探究微曝气的影响。结果表明,微曝气有效提升了厌氧消化的甲烷产量,并优化了沼气组成。在酸化阶段微曝气速率为3、9和18 mL/(g VS·min)、微曝气时间4 h条件下,与对照组相比,甲烷累积产量提高了24.4%、49.5%和12.5%,甲烷与二氧化碳的比值提升了12.0%、26.8%和19.8%。微生物群落分析显示,微曝气促进了水解菌（如厚壁菌门和互营菌门）的富集,而对古菌群落影响不显著。此外,微曝气显著增强了电子传递和辅酶F420的活性,缩短了系统迟滞期,提高了系统效率。该研究验证了微曝气技术在两相厌氧消化中的潜力,为优化餐厨垃圾处理提供了新思路。     

餐厨垃圾厌氧消化工艺的影响与优化

从厌氧消化工艺选择、产甲烷性能优化和联合消化等3个方面,概述了近年来国内外餐厨垃圾厌氧消化产甲烷工艺的研究进展,比较了国内外的研究差异,提出我国餐厨垃圾厌氧消化处理产甲烷性能优化及工业化应用的研究方向。     

预处理对餐厨垃圾厌氧消化的影响研究进展

对餐厨垃圾进行厌氧消化处理可以有效规避填埋和焚烧等传统方式带来的环境污染风险,实现餐厨垃圾的资源化和无害化,但餐厨垃圾厌氧消化的水解步骤通常被认为是整个厌氧消化的限速步骤。一些物理、化学、生物和复合的预处理手段,可以达到减小餐厨垃圾颗粒粒径和增强可溶性的目的,进而促进餐厨垃圾的厌氧消化。通过阐述各种餐厨垃圾预处理原理,总结其对厌氧消化的影响,并提出了未来餐厨垃圾厌氧消化预处理的发展方向。     

餐厨垃圾厌氧消化运行试验研究

采用猪粪厌氧消化的消化污泥为接种物,在中温(37℃)条件下,以连续进料的方式对餐厨垃圾的湿式厌氧消化进行了启动以及运行试验,监测整个实验过程中产气量、pH、VFA、碱度等能够反映厌氧消化的系统指标。结果表明:本实验中系统最佳有机负荷为2.8 kg/(m~3·d)(以VS计),超过此负荷后,依靠系统自身恢复和人工调节,pH很难恢复正常运行状态。正常运行过程中,pH稳定在7.5~8.0,VFA稳定在2 000 mg/L左右,碱度在6 000~9 000 mg/L,氨氮在1 500~2 000 mg/L,底物含水率为96%~98%。系统超负荷运行后,产气量和pH下降,VFA浓度上升,碱度、氨氮、含水率基本保持稳定。     

餐厨垃圾市政污泥联合厌氧消化处理技术

餐厨垃圾有机质浓度高,在厌氧消化处理过程中容易致系统酸化而导致消化系统中止。采用餐厨垃圾与市政污泥联合厌氧消化技术解决餐厨垃圾消化条件难控制的问题。结果表明,系统稳定运行时,在进料总固体（TS）浓度为10%左右,水力停留时间(HRT)为20 d,碱度控制在6 000~8 000 mg/L时,餐厨垃圾与市政污泥联合厌氧消化能稳定运行,且有机负荷达到5.29 g/(L•d),沼气产量达1.03 L/g〔以挥发性固体（VS）计〕,沼气中的甲烷浓度在59%以上。     

矿物材料对餐厨垃圾厌氧消化的影响研究

在试验的基础上研究了3种矿物材料膨润土、斜发沸石、粉煤灰对富含钠离子的餐厨垃圾厌氧消化过程的影响.结果表明,在发酵温度为35℃、底物固含量(TS)为10%、添加物用量为1%(质量分数,以消化底物计)时,膨润土、沸石粉、粉煤灰对含盐餐厨垃圾的厌氧发酵消化液中的钠离子具有良好的吸附性能,吸附率分别为13.75%、10.11%、7.99%.在未使用无机矿物的情况下,当钠离子浓度为3000～4000mg·L-1时,含盐餐厨垃圾的的厌氧消化过程受到Na+离子的明显抑制.从产气量分析,3种矿物材料均能明显促进餐厨垃圾的厌氧消化过程,与空白对照试组相比,膨润土、斜发沸石、粉煤灰分别使产气量提高了131%、82%和45%.三者对甲烷气产量的促进影响强弱顺序是,膨润土>斜发沸石>粉煤灰.初步讨论了这3种矿物材料提高餐厨垃圾厌氧消化甲烷产量的作用机理.     

餐厨垃圾两相厌氧消化特性试验研究

研究了餐厨垃圾两相厌氧消化特性。以北京化工大学餐厨垃圾为原料,分别以不同有机负荷(10、30、50和70 gVS/L)、接种量(5、10、15和20 gVS/L)、酸化时间(3、5、7和9 d)考察其对酸化效果的影响,并对酸化出料进行甲烷化产气实验。结果表明,餐厨垃圾最优酸化条件为有机负荷30 gVS/L,酸化时间5 d,接种量15 gVS/L。在此条件下,单位负荷产酸率为561.0 mg乙酸/gVS,酸化末端产物主要为乙酸和丁酸,单位负荷累积产气量达到826.7 mL/gVS,比乙醇型最佳条件单位负荷累积产气量763.8 mL/gVS高8.2%,比丁酸型最低单位负荷累积产气量70.6 mL/gVS高1 070.3%。有机负荷、酸化时间、接种量依次对餐厨垃圾酸化有重要的影响,并且餐厨垃圾酸化效果和产气性能具有一致性。研究结果可为城市生活垃圾厌氧消化提供设计和运行依据。     

氨氮对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响

为探析氨氮（TAN）对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响,在串联批次实验中引入氨氮胁迫,结合Miseq高通量测序分析,研究了不同TAN浓度下厌氧消化系统的过程参数响应以及微生物群落动态.结果显示,随TAN增加,甲烷回收率从（96.53±2.66）%下降至（63.13±0.73）%,消化时间从435h延长至915h,连续驯化下,TAN为3000mg/L的实验组产气性能完全恢复,而高氨氮实验组（TAN≥6000mg/L）仍处于抑制状态.相较于乙酸代谢而言,长链挥发性脂肪酸（LCVFAs）代谢对TAN的耐受度更高（6000mg/L）,但一旦被抑制,其功能难以通过驯化恢复.从微生物层面上看,高丰度且功能冗余的水解酸化细菌保证了各TAN梯度下的水解酸化作用;氨氮敏感的Methanosaeta和Meth anospirillum也能通过驯化被耐氨的Methanosarcina和Methanoculleus取代,从而维持系统产甲烷功能;相比之下,产氢产乙酸菌功能高度专一,仅C₄～C₁₈降解菌Syntrophomonas和丙酸降解菌Pelotomaculum被检测到,在连续的高氨氮暴露下,前者的丰度虽有一定程度的恢复,但后者未能被驯化,最终系统出现以丙酸为主的LCVFAs积累,产气性能恶化.可见,LCVFAs的互营降解才是氨抑制失稳的关键环节.     

厌氧消化在餐厨垃圾处理中的应用

结合多篇参考文献,从原理和工艺的角度,综述了餐厨垃圾现有的一些处理方法,通过比较各种不同的处理方法,指出厌氧消化法处理的优势;重点论述了厌氧消化处理的方法和具体应用,并且展望其厌氧消化的研究前景.     

餐厨垃圾干式厌氧消化污泥膨胀微生态特征

分别在推流式反应器（PFR）（R1）和完全混合式反应器（CSTR）（R2）中进行餐厨垃圾（KW）中温干式厌氧消化（AD）,并采用MiSeq高通量测序技术分析反应器污泥膨胀前后的微生态特征.结果表明,污泥膨胀后古菌群落结构变化不显著,R1和R2分别以乙酸营养型的Methanosaeta和复合营养型的Methanosarcina为优势产甲烷菌;而细菌群落中某些可能与污泥膨胀有关的菌属的相对丰度显著增大,包括能合成并分泌生物表面活性物质的菌属（如Corynebacterium、Lactobacillus等）和细胞壁含分枝菌酸的菌属（如Actinomyces、Corynebacterium）.反应器在污泥膨胀前均经历了挥发性脂肪酸（VFAs）和氨氮积累,相应的,能贡献系统酸积累（如Petrimonas、Anaerosalibacter和Fastidiosipila等）和氨氮积累（如Proteiniphilum、Tepidimicrobium和Aminobacterium等）的菌属也大量增殖.     

餐厨垃圾渗滤液强化城市污泥消化作用研究

针对城市污水厂污泥热值低、C/N比低,厌氧消化效率低的问题,结合餐厨垃圾渗滤液中有机物含量高、C/N比高的特点,研究了城市污泥、餐厨垃圾渗滤液共消化过程.结果表明:垃圾渗滤液的添加促进了污泥厌氧消化甲烷气的产生,添加生、熟垃圾渗滤液的消化污泥累计产甲烷量分别为542 mL、2102 mL,是未添加渗滤液(参照样)的污泥消化产气量的1.2倍、4.6倍,甲烷单位产量分别为261(参照样)、675.8、971.0 L·kg-1(以VS计);同污泥单独厌氧消化相比,添加生、熟垃圾渗滤液能强化污泥VS/TS的去除,其去除率分别为15.3%和26.3%;通过共消化,污泥上清液的SCOD去除率均高于90%,出水COD也基本一致,并未因垃圾渗滤液的添加而发生大的波动.污泥与餐厨垃圾渗滤液的共消化能够促进有机物的去除,强化甲烷气的产生,实现了污泥与渗滤液的稳定化、无害化和资源化.     

磷酸酯酶活性对餐厨垃圾单相厌氧消化抑制的预警作用

为了研究磷酸酯酶活性对餐厨垃圾单相厌氧消化抑制的预警作用,考察了单相CSTR反应器在容积负荷2.0~8.5kgVS/(m3·d)条件下的酸性和碱性磷酸酯酶活性,并同步分析了挥发性脂肪酸(VFAs)、容积产气率、pH值的变化.结果表明,酸性和碱性磷酸酯酶活性在容积负荷为2.0~4.0kgVS/(m3·d)时,平均值为14.1,9.8μgNP/(h·mL);容积负荷为5.0~7.5kgVS/(m3·d)时,其平均值为138.4,23.6μgNP/(h·mL);容积负荷为8.5kgVS/(m3·d)的超负荷阶段达到峰值318.1,51.5μgNP/(h·mL)后快速下降.磷酸酯酶活性骤升的时间较VFAs、容积产气率骤降超前2d、较pH值的骤降提前1d.磷酸酯酶活性较常规指标VFAs、容积产气率和pH值等对单相厌氧消化抑制具有一定的预警作用.     

R-PFR与CSTR厌氧消化餐厨垃圾运行效率及微生物群落结构对比

以中温餐厨垃圾(FW)厌氧消化反应器为研究对象,结合稳定运行过程中的微生物群落结构特征,考察了两种常见的厌氧消化反应器—完全混合式反应器(CSTR)和有回流的推流式反应器(R-PFR)的运行效率和稳定性.结果表明,两种构型的反应器均能在3.0 kg·m-3·d-1(以VS计)负荷下稳定高效地运行.R-PFR具有更稳定的稳定性指数,如总碱度(TA)和挥发性脂肪酸比TA值(VFA/TA),以及更低的氨氮(TAN)和游离氨(FAN)浓度,但产气效率(如比甲烷产率(SMP))不及CSTR.R-PFR中以Chloroflexi门(37.35%)和Firmicutes门(31.22%)为优势细菌,而CSTR中以Bacteroidetes门(31.14%)与Firmicutes门(44.41%)为优势细菌.CSTR和R-PFR均以Methanosaeta属为优势产甲烷菌(98.72%和84.90%),乙酸型产甲烷途径为主要的产甲烷途径.但CSTR中除Methanosaeta属以外还有一定丰度的混合营养型的Methanosarcina,以及氢营养型Methanospirillum和Methanolinea.CSTR中具有对VFA和TAN更具耐受性的产甲烷菌群,更有利于餐厨垃圾产甲烷过程的稳定进行.由于R-PFR的敏感性较低,有利于处理剧烈变化的底物,但R-PFR容易出现严重的局部酸化现象,不利于长期处理过高负荷的易降解底物(如餐厨垃圾).这些结果可为优化餐厨垃圾厌氧消化工艺设计提供基础依据.