污泥中蛋白类物质厌氧转化影响因素及其促进策略研究进展

蛋白类物质是剩余污泥中的主要有机组分（占有机质的50%～60%）,是污泥厌氧消化产沼气的主要底物,其降解率的提升将对剩余污泥厌氧转化效率的提升和脱水性能的强化起到决定性作用。本文首先重点归纳了蛋白质的厌氧转化机制,蛋白质的厌氧降解主要包括蛋白质水解与氨基酸代谢两个重要的步骤,蛋白质的结构与氨基酸组分差异将决定其厌氧转化性能。其次总结了污泥中蛋白类物质厌氧转化的影响因素,包括蛋白质来源、污泥中其他有机物如多糖、无机物如微细砂（二氧化硅）和金属离子、代谢产物如氨氮等。在此基础上归纳了污泥中的蛋白类物质厌氧转化的促进研究,破坏蛋白质的构象、二级结构与氢键网络等将有效强化其厌氧转化性能,其中高温热水解技术能够发挥有效的作用并得到了广泛应用。最后,系统性总结了污泥中蛋白类物质的前沿解析方法包括氨基酸测定方法、荧光光谱法和宏蛋白组学。明晰污泥中蛋白类物质的厌氧转化机制和限制性因素,不仅可以从源头上强化剩余污泥的厌氧转化效率,完善污泥厌氧消化过程中的氮循环理论,还可能从减少亲水性物质的角度改善其后续的脱水性能。     

污泥厌氧消化功能微生物群落结构的研究进展

污泥厌氧消化处理技术因其具有无害化、资源化和稳定化的特征备受关注。污泥厌氧消化涉及水解发酵、产氢产乙酸和产甲烷多种微生物,并发挥不同的功能。本文介绍了污泥厌氧消化体系中常见的细菌(门水平)和古菌（属水平）群落,如拟杆菌门（Bacteroidetes）、变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、螺旋体门（Spirochaetes）（细菌）和甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）、甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）、鬃毛甲烷菌属（Methanosaeta）（古菌）等。同时也综述了影响厌氧体系中的微生物群落结构的因素,如pH、营养物质、温度、氨氮(NH₄⁺-N)及有毒有害物质等。最后展望了稳定同位素标记、宏基因组学和蛋白质组学等分子生物技术在探查微生物功能方面的应用前景,为进一步分析厌氧体系中未识别的功能微生物提供技术支撑。     

含油废水处理厂污泥的厌氧消化试验

为研究含油废水处理产生的剩余污泥和气浮污泥的厌氧消化性能,试验采取序批式厌氧消化两种含油污泥的方法,对含油污泥的组成变化及产气性能进行测定,并将其结果与市政剩余污泥进行对比。试验结果显示,经过35天的厌氧消化,含油剩余污泥和含油气浮污泥的可挥发固体（VS）降解率分别为4.98%和3.74%,TCOD降解率分别为10%和3.4%,产气量分别为0.97 L/gVS和0.56 L/gVS。经过和市政剩余污泥对比后表明,含油气浮污泥厌氧消化性能差,不宜进行厌氧消化处理;含油剩余污泥厌氧消化性能相对强于含油气浮污泥,但弱于市政剩余污泥。     

影响高含固厌氧消化性能的主要因素研究进展

高含固厌氧消化具有所需反应器体积小、能量需求低、沼渣产量少以及沼渣后续处理简便等优点, 是实现固体废弃物资源化的重要途径, 因此对高含固厌氧消化性能的认识非常重要。本文重点阐述了原料、接种、含固率、温度、碳氮比和颗粒粒径等影响高含固厌氧消化性能的主要因素及其研究进展, 指出这些因素通过改变启动性能、甲烷产量、挥发性固体(VS)降解率和系统稳定性等对高含固厌氧消化过程产生影响, 且每个因素对消化性能的影响都至关重要。此外还指出, 对污水厂剩余污泥的高含固厌氧消化将会成为我国颇具应用前景的处理技术, 并从各个影响因素出发对高含固厌氧消化技术的实施提供了运行参数和优化措施, 以期为高含固厌氧消化技术的进一步完善提供借鉴。     

纳米零价铁对厌氧消化影响的反应动力学模型

污泥厌氧消化是污水处理厂实现“碳中和”的关键环节。然而传统厌氧消化技术普遍存在水解不充分、产甲烷效率低的问题,在工程中表现为污泥的甲烷潜势（B₀）低、产甲烷速率（k）低等,从而使得获得的甲烷气通常不能达到量和质的要求。纳米级零价铁（NZVI）基于能够在厌氧条件下析氢（H₂）腐蚀为产甲烷菌提供电子供体及更有利的厌氧环境,而被认为在厌氧消化领域具有潜在的应用前景。就此,通过在厌氧消化体系中投加不同剂量的NZVI（0、100、300、600和1000 mg·L^-1）,以甲烷潜势（B₀）和产甲烷速率（k）为主要评价指标,并基于一级反应动力学模型探讨了NZVI对厌氧消化过程的主要作用机理。研究结果表明,NZVI能够强化厌氧消化过程产甲烷,主要作用机制在于促进微生物细胞破壁,从而提高污泥的水解酸化程度,得到更高的甲烷潜势（B₀）。     

机械转盘联合超声破解剩余污泥

采用自主设计并制造的机械转盘剩余污泥破解装置对污泥进行破解处理,并联合超声技术以提升破解效果,考察不同运行条件对污泥破解效果的影响,采用响应面法优化处理参数,通过扫描电镜观察破解污泥的细胞形态。实验发现：盘间距离（d）和转盘破解时间（T_m）是影响机械转盘剩余污泥破解液溶解性化学需氧量的增加值（SCOD₊）和效能比（EDR）的重要因素;在d=1.5 mm,转速为2300 r·min^-1运行条件下破解25 min时SCOD₊为3130 mg·L^-1,破解效果良好。根据Central Composite Design实验设计原理,注重剩余污泥破解的能源利用效率,以SCOD₊和EDR为响应指标对机械转盘联用超声破解参数进行优化,当优化条件为d=2.76 mm,T_m 10.89 min,T_u（超声处理时间）=17.2 min时,剩余污泥破解液SCOD₊=7871.78 mg·L^-1,EDR=8.475 mg·L^-1·kJ^-1,在相同总处理时间下分别是单独机械转盘法（2610 mg·L^-1,3.11 mg·L^-1·kJ^-1）的3.02倍、2.7倍,单独超声法（3170 mg·L^-1,3.26 mg·L^-1·kJ^-1）的2.48倍和2.6倍。     

针铁矿促进剩余污泥厌氧消化中的脱氮除碳

剩余污泥厌氧消化因其较低的能源转化率使其发展有所受限,且污泥中高浓度有机质也会影响脱氮效果。理论上,在含铁(Ⅲ)（氢）氧化物的厌氧消化系统中,微生物能通过异化铁还原去除有机物和氨氮（Feammox）,但两者同步去除还有待验证。因此本研究通过向污泥厌氧消化系统中添加针铁矿,探究铁(Ⅲ)（氢）氧化物对同步脱氮除碳的影响。结果显示,随着针铁矿添加量的增加,反应器中有机物浓度逐渐减少。当添加50mmol/L针铁矿时,甲烷累积产量达到695.1mL,相较于没有添加针铁矿的厌氧系统提升了30.3%;TS/VS去除率也提升了21.1%/33.8%,说明针铁矿可有效促进污泥减量化。添加针铁矿的反应器中总氮去除率也有一定提升,当针铁矿添加50mmol/L时,去除率达到21.0%。以上结果表明,添加针铁矿可以在污泥厌氧消化中起到同时脱氮除碳的效果。     

剩余污泥高速转盘破解及破解液厌氧消化特性

采用自主开发并设计制造的高速转盘剩余污泥破解装置进行剩余污泥破解实验,考察不同的运转条件对污泥粒径、破解率的影响,并对破解污泥的厌氧消化特性进行实验研究。实验发现:转盘在高混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度(高黏度)的剩余污泥中高速旋转所产生的流体剪切力是导致污泥破解的主要因素,破解污泥的中值粒径可达15μm以下、破解率在50%以上。高速转盘破解污泥的厌氧消化性能明显提高:在污泥停留时间为10 d的厌氧消化实验中,破解污泥CH4产生量与混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)去除率与未破解污泥的相比分别提高了近20%和12.1%;在不同投配比条件下(3.33%,5%,10%,20%)的半连续式厌氧消化实验中,各个投配比条件下破解污泥的CH4产量均明显提高,若注重污泥的资源化利用考虑,最佳投配比应介于5%—10%。     

城镇污泥热水解与厌氧消化联用技术的原理、效能及应用

污泥厌氧消化在实现污泥减量化、无害化的同时,能够实现污泥中有机物的资源化和能源化,是我国政府主推的污泥处理处置技术之一。为了提高污泥厌氧消化的效率,污泥热水解预处理技术常作为污泥厌氧消化的前处理技术,并已得到工业化应用。污泥热水解预处理技术能够提高污泥的产气率,提高系统的稳定化运行效能。在分析污泥热水解和污泥厌氧消化技术特征的前提下,对当前主要使用的污泥热水解和厌氧消化技术相应的配套装备进行了介绍,分析单元/组合技术的优势,并以实际案例为支撑凝练了各装备的运行效能。在此基础上,对"污泥热水解+厌氧消化装备"的未来发展前景进行了预测。     

污水厂污泥厌氧消化产短链脂肪酸研究进展

污泥厌氧消化产短链脂肪酸是实现污泥资源化的重要途径,短链脂肪酸不仅是产甲烷的底物、污水脱氮除磷的碳源,而且可以作为原料产生一系列高附加值的产品。本文介绍了污泥厌氧消化产有机酸的机理,重点阐述了污泥性质、温度、pH值、碳氮比（C/N）、水力停留时间（HRT）和固体停留时间（SRT）等影响污泥厌氧消化产酸的主要因素及研究进展,指出这些因素通过改变底物性质、微生物活性及二者接触反应时间等对产酸过程产生影响,其中温度和pH值是研究热点,目前大多数研究者认为高温和碱性条件更有利于污泥产酸。此外,还论证了这些影响因素对于实现污泥产酸最大化的重要意义,提出各因素之间的相互关系以及通过调控温度、pH值、碳氮比等发酵影响因素来控制产酸类型是今后值得研究的方向。     

低有机质污泥投加药剂联合低温热水解及后续厌氧发酵研究

污水厂污泥量日益增加,所含的有机物可用于厌氧发酵产甲烷,但目前多数污水处理厂多为低有机质污泥。本文围绕低有机质污泥投加不同药剂联合低温热水解对污泥溶解性物质变化及厌氧发酵规律的影响情况进行研究。结果表明,投加药剂联合低温热水解不仅有助于有机物[可溶糖、可溶蛋白和TVFA（挥发性有机酸（]的溶出与生成,而且有助于后续厌氧发酵产甲烷。在本实验所研究的低温热水解（污泥含固率为8%,热水解处理温度为90℃,处理时间为24 h）及药剂投加量[NaOH：0.018 g·（g DS（^-1、Ca（OH（₂：0.016 g·（g DS（^-1、CaCl₂：0.0375g·（g DS（^-1]的条件下,有机物溶出与生成的效果为NaOH> Ca（OH（₂> CaCl₂,其中热水解联合NaOH中可溶糖、可溶蛋白和TVFA浓度分别达到3051 mg·L^-1、10686 mg·L^-1和5740 mg·L^-1。对于产甲烷促进效果为NaOH> CaCl₂> Ca（OH（₂,其中投加NaOH后最大累积产甲烷量可达到101.9 ml·（g VS（^-1。     

Fe3+在A2O工艺缺氧区的转化规律及其对污泥絮凝性的影响

为了研究铁元素对A²O工艺污泥絮凝性的影响,考察Fe³⁺在污泥上清液、胞外聚合物（extracellular polymeric substances,EPS）与底泥（Pellet）中的分布和迁移转化规律,结合三维荧光光谱（3D-EEM）、原子吸收和X射线衍射仪（XRD）分析Fe的存在形态和结构特征,揭示Fe³⁺与微生物代谢产物的作用机制,探索Fe³⁺对脱氮除磷效率的影响。结果表明：低浓度Fe³⁺（<10 mg·L^-1）能够提高COD和TN去除率,促进微生物活性,增强污泥生物絮凝性;高浓度Fe³⁺（10~40 mg·L^-1）则抑制微生物活性,使EPS总量升高,污泥絮体脱稳,LB、TB层PN/PS是影响污泥絮凝性的关键因素;Fe³⁺的投加强化生物除磷效率,当Fe³⁺浓度为40 mg·L^-1时,TP去除率为93%。Fe³⁺在污泥混合液中的分布规律为TB>上清液>LB>SMP,Fe³⁺在生物体内富集累积,能够改变EPS各层的组分。     

污水处理厂剩余污泥的中温厌氧消化特性研究

对天津某污水处理厂的剩余污泥进行中温厌氧消化试验,研究了在不同HRT下的产气量、有机物去除率等指标,结果表明:剩余污泥经过中温消化,在HRT分别为30、20、10 d时,产气率分别为0.022、0.027、0.033 L/(g[VS].d);CODCr的去除率为18.8%～38.1%;由COD物料衡算得知,基质中40%的固态有机物被分解转化,COD甲烷转化率最高约为32.0%;对剩余污泥基质的元素组成进行分析,经计算推导出基质的模拟分子式为C9.87H16.72O33.81N。研究结果为污水处理厂剩余污泥厌氧消化工艺选择合适的工艺条件提供了理论参考。     

超声波促进处理剩余活性污泥中试研究

文章进行了超声波促进污泥脱水减量并提高污泥厌氧消化效率的中试。中试装置每天可处理3 000 kg含水质量分数在99%以上的剩余活性污泥。实验结果表明,当超声波频率为28.7 kHz、输出电压为70 V,作用时间为2 m in,絮凝剂投加质量分数为8‰(干基)时,污泥滤饼含水质量分数比未经超声波作用的降低2%,体积减少8%,污泥的脱水效果最佳。当超声波输出电压为150 V,作用时间60 m in时,污泥厌氧消化时间比传统方法缩短20 d。同时沼气产生速率比未经超声波作用的提高6倍,前25 d沼气总产量比传统污泥厌氧消化过程增加4—5倍。可见大功率、长时间有利于促进厌氧消化,从而达到污泥减量的目的。     

剩余污泥厌氧水解酸化产VFA的研究

剩余污泥的处理不仅增加了污水处理成本,而且处理不当会造成二次污染。有效解决此问题的方法之一是将剩余污泥进行厌氧水解酸化产VFA,影响剩余污泥的水解酸化产VFA的因素有pH值、温度、搅拌、SRT、污泥浓度、反应器结构、运行方式、预处理方式等,其中预处理是关键。不同预处理方式对VFA的产量和种类影响比较大,是研究的重点和热点。     

微生物电解池产甲烷技术研究进展

微生物电解池（microbial electrolysis cell,MEC）产甲烷技术是以微生物为催化剂,利用外界输入的电能将CO₂或有机污染物转化为甲烷的新技术。MEC在实现CO₂处置与能量转化的同时,能够处理污水、污泥、沼渣等多种污染物并生产甲烷,具有能量转化率高、生产成本低、环境友好等特点,可望成为解决能源紧缺和环境破坏问题的重要途径之一。近年来,MEC在产甲烷生物阴极结构及电子传递途径、产甲烷微生物群落等方面得到了广泛关注,同时,MEC耦合厌氧消化或其他废水处理系统形成的产甲烷新技术也逐渐研发并成为研究热点。本文综述了产甲烷生物阴极、产甲烷微生物群落等方面的研究现状,介绍了MEC耦合厌氧消化或其他系统产甲烷新技术,总结并分析了MEC产甲烷技术的研究方向和实用化过程仍需解决的技术难题。