一体式PN/A工艺处理污泥热水解厌氧消化液性能研究及微生物解析

污泥热水解厌氧消化液是一种典型的高氨氮、高COD且含有抑制性难降解有机物的废水.本研究采用一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化(PN/A)工艺处理污泥热水解厌氧消化液,通过曝气模式优化调控实现了脱氮性能提升,并研究了长期稳定运行的可行性.结果表明,污泥热水解厌氧消化液对氨氧化菌(AOB)与厌氧氨氧化菌(AnAOB)活性均有抑制,且对AnAOB抑制更明显.调整间歇曝气模式且控制DO<0.5mg·L^(-1),可实现80.6%±3.1%总氮去除率,总氮负荷达到(0.069±0.028)kg·m^(-3)·d^(-1),但长期稳定运行有待优化.AOB的优势菌属为Nitrosomonas属,其相对丰度因污泥热水解厌氧消化液的引入先降低,后随曝气模式调整适应后恢复;AnAOB的优势菌属为Ca.Brocadia,其相对丰度随热水解消化液的持续引入而持续降低,对长期稳定运行提出挑战;反硝化菌(DNB)的优势菌属为Thauera,其相对丰度略升高,反硝化脱氮贡献增强.KEGG功能预测表明膜转运及信号传导通路丰度持续降低,影响群落菌属间膜运输途径的物质信息交流,可能是污泥热水解厌氧消化液抑制作用发生的机制.

市政污泥“热水解+高含固厌氧消化”处理工艺设计浅析

厌氧消化工艺因具有良好的污泥稳定化、减量化、资源化特性而在市政污泥处理中得到广泛应用,而“热水解+高含固厌氧消化”工艺具有减少厌氧消化系统占地和投资、大幅提升厌氧消化效率的特点,该工艺可彻底实现污泥无害化,更好实现污泥减量化、稳定化和资源化,在市政污泥处理应用中具有广阔前景。文章依托国内“热水解+高含固厌氧消化”工艺实际工程案例,对工艺流程和各系统组成进行梳理和分析,梳理工艺设计关键参数,并对该工艺的特点及设计要点进行分析,为类似项目的工程设计提供参考。

热水解对初沉污泥高温厌氧消化产气性能的影响研究

厌氧消化是目前城市污水处理厂处理污泥的主要方式,传统污泥厌氧消化有机物转化率和产气性能都较低,采用热水解结合高温厌氧消化进行小试试验,考察热水解工艺对初沉污泥高温厌氧消化产气性能的影响。试验结果表明,热水解后初沉污泥最大粒径、平均粒径和中值粒径分别是处理前的0.49倍、0.55倍和0.51倍,污泥中可以被厌氧微生物分解的有机物含量明显提升,COD溶出率达到27.1%。热水解处理之后的初沉污泥相较于处理之前单位VS总产气量提高了21.93%,有机物转化率提高了4.93%,热水解工艺有效提高了初沉污泥高温厌氧消化的产气性能。

PN/A工艺在热水解污泥消化液处理工程中的应用研究

利用短程硝化厌氧氨氧化(PN/A)工艺在北京某污水处理厂成功启动了处理热水解污泥消化液的工程,调试运行结果表明:在接种生物膜填料数占总填料数18%和生物膜上厌氧氨氧化菌(AnAOB)占比为6.8%的情况下可快速启动PN/A系统,并在3个月内可以达到设计处理水量,总氮去除负荷为0.26kg/(m^(3)·d),总氮去除率达到80%以上.通过定量PCR检测和高通量数据发现AOB和AnAOB丰度不同的空间分布特点,项目调试过程中氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)和AnAOB均呈稳定增长的趋势,经过3个月启动培养后絮体中AOB丰度达到1011数量级,生物膜中的AnAOB达到1012数量级.实际运行数据证明该旁侧处理系统对水厂主流区产生积极影响,可降低日处理量为40×10^(4) t的污水厂2.9mg/L的进水总氮.另外,在该项目后期运行过程中出现反应池缺氧段和末端游离氨(free ammonia,FA)浓度不足的情况,导致短程硝化过程不稳定,通过控制反应池首端与末端FA浓度及剩余氨氮浓度,可实现对短程硝化过程的快速恢复.

蒸汽蓄热器在市政污水处理厂热水解厌氧消化工艺中的应用设计

在日益严格的环保要求下,热水解厌氧消化工艺成为市政污泥减量化、稳定化、无害化、资源化的途径之一。Cambi热水解工艺是全球工程化应用最成熟的工艺,由于其序批式反应机制,蒸汽系统负荷有较大波动,应用于热电联产系统中会导致锅炉负荷不稳定,可能产生锅炉故障等问题。以北京某污泥中心热电联产项目为例,为解决热电联产系统蒸汽负荷波动和蒸汽源产气波动的问题,采用3种方法计算了蒸汽蓄热器理论蓄热量和容积,综合比较确定蒸汽蓄热器设计容积为200 m^(3)。蒸汽蓄热器的应用可达到改善锅炉运行状况、提高锅炉运行热效率和供汽品质、均衡用汽负荷、热电联产稳定性等作用。通过对北京市政污水处理厂进行蒸汽蓄热器应用设计,可为蒸汽波动带来的运行问题和节能设计提供新的解决思路。

污泥典型处理处置过程对矿物油的削减研究——以北京城市生活污泥“热水解+高级厌氧消化+板框脱水+土地利用”为例

测定了北京市某污水处理厂“热水解+厌氧消化+板框脱水”处理过程中各工艺节点的污泥样品的矿物油浓度,计算了矿物油在污泥处理过程中的质量流,开展了园林土地利用实验并检测了土壤-植物系统对矿物油的吸收及削减.该污水处理厂污泥中含有较高浓度的矿物油且处理过程对矿物油无明显削减,板框脱水污泥饼中矿物油浓度为4533.8~10385.9mg/kg,土壤-植物系统平均削减了84.1%的矿物油,但矿物油主要积累于黑麦草叶片以及向日葵花盘等主要可利用部分,因此需要对污泥土地利用处置过程中矿物油生态安全性进一步研究.

温度及有机负荷对高温高含固污泥厌氧消化启动期产甲烷特性影响研究

高含固热水解-高温厌氧消化工艺可有效提升城镇污水处理厂污泥厌氧消化负荷和能量利用率。当不同污泥厌氧消化工艺切换至高含固热水解-高温厌氧消化时,由于受到高氨氮、高温及高负荷的影响,易引发酸积累。为探讨不同工艺启动高温高含固率厌氧消化工艺的可行性,本研究使用稳定运行的中温常规含固率R1反应器[(35±1)℃,总固体(TS)含量为2%]、中温高含固率R2反应器[(35±1)℃,TS含量为10%]、高温常规含固率R3反应器[(55±1)℃,TS含量为2%]和中温高含固率R4反应器[(35±1)℃,TS含量为14%],并以高含固率(10%)热水解剩余污泥为基质开展高温高含固率厌氧消化反应器启动试验,分析启动过程中氢代谢速率、比产甲烷活性以及微生物群落结构变化,并探讨温度、含固率对产甲烷特性的影响。结果表明:由4种不同工况反应器启动高温高含固率反应器后,各组反应器的挥发性固体降解率为39.8%~41.6%,保持了较高的产甲烷性能。乙酸产甲烷活性相较于启动前下降了37.9%~73.4%,但氢利用速率从0.585~4.914 kPa/(g·h)增至6.76~18.25 kPa/(g·h)。氢营养型产甲烷菌Methanothermobacter和Methanoculleus成为高温高氨氮环境下的优势菌种,启动后其相对丰度提至57.84%~83.94%。高温常规含固率厌氧消化反应器在工况切换前初始氢利用速率达到4.914kPa/(g·h),表现出较高的稳定性。因此,由高温常规含固率反应器启动切换至高温高含固厌氧消化工艺是一种可行策略,关键是提升启动期的初始氢利用速率。

铁锰改性油茶壳基生物炭对污泥厌氧消化性能及微生物群落结构的影响

水解阶段是污泥厌氧消化的限速阶段,投加外源添加剂生物炭(BC)是打破水解限制与提高甲烷产量的有效手段。以木本油料加工剩余物油茶壳为原料,制备铁锰改性生物炭(Fe-Mn-BC),并通过扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪、X射线光电子能谱、X射线衍射仪等对材料进行表征测试,探讨其对污泥厌氧消化性能、甲烷产量以及微生物群落结构的影响。结果表明:Fe-Mn-BC具有多孔结构,铁锰颗粒以多种氧化物的形式负载在BC表面;添加Fe-Mn-BC能提高甲烷产量,当投加的Fe-Mn-BC总固体质量分数为80 mg/g时,累积产气量最高达301.59 mL/g,较未添加组提升了45.27%。微生物群落分析发现,添加Fe-Mn-BC的组别古菌群落优势菌泉古菌门(Crenarchaeota)、Candidatus_Methanomethylicus和Candidatus_Methanofastidiosum丰度增加,这些菌群能有效促进有机物水解并提高甲烷产量,表明Fe-Mn-BC的加入不仅能富集产甲烷菌等具有功能性的微生物菌群,有效提高污泥厌氧消化效率,也为油茶壳的资源化利用提供了有效途径。

热水解+高级厌氧消化系统处理脱水泥饼的工程化运用及效果分析

以北京市某污水处理厂新建热水解(THP)+高级厌氧消化系统为研究对象,对系统稳定运行过程中的处理效果进行分析。结果表明,THP+高级厌氧消化系统污泥日均处理能力为54.3 t/d(以绝干泥(DS)处理量计,下同),峰值处理能力可达78.0 t/d,处理后污水处理厂污泥外运量由原来的230 t(含水率80%)降至92 t(含水率60%)。经计算,系统每处理1 t DS消耗水量33.04 t、消耗电量129.35 kW·h、消耗沼气量198.88 m^(3)、消耗脱硫药剂量12.31 kg、消耗铁盐药剂量8.95 kg,并可产生327.15 m^(3)沼气。高级厌氧消化系统有机物平均降解率为50.01%,其产生的沼气中甲烷体积分数为62.0%,锅炉燃气自给率可达100%。THP+高级厌氧消化系统可有效实现污泥的减量化、无害化、资源化利用,具有广泛的应用前景。

热水解高含固污泥的有机物分布及厌氧消化特性

以热水解后高含固污泥及其脱水后固、液分离产物为对象进行厌氧消化试验,通过生物化学甲烷势(BMP)及脱水性能测定,研究其产气量、有机物分布、污泥脱水性能及生物质能转化特性,评估高含固污泥热水解-脱水-脱水液厌氧消化工艺的可行性.结果表明,经热水解预处理的高含固污泥进行厌氧消化后,其毛细吸收时间(CST)及脱水泥饼含水率由247.5±0.9 s和71.1%±1.3%上升至568.0±1.6 s和80.7%±1.0%,即厌氧消化会导致热水解后污泥脱水性能下降.污泥中74.0%的有机物在水热预处理之后被转移至液相,是厌氧消化所产沼气的主要来源.物质能量衡算结果表明,高含固污泥采用热水解-脱水-脱水液厌氧消化工艺可以有效地将消化装置容积大大减少;沼气燃烧所产能量实现该工艺能量自给自足.

厌氧氨氧化技术处理热水解消化液的实验研究

通过厌氧氨氧化技术处理热水解污泥消化液,在不投加任何化学药剂的条件下实现氨氮与总氮的同步去除,通过原水稀释启动或原水直接启动方式均可实现IFAS厌氧氨氧化工艺的启动,系统总氮去除负荷为0.25~0.3kg N/(m3·d),总氮去除率在70%~80%,经臭氧氧化工艺预处理后,IFAS厌氧氨氧化工艺的总氮去除率与去除负荷均有一定幅度的提高.通过分子生物学检测发现,系统内AOB主要存在于絮体污泥内,而对溶解氧耐受能力较低的An AOB则主要分布在生物膜上.

热水解污泥的厌氧消化试验研究

先用热水解对污泥进行预处理,然后进行厌氧消化试验。结果表明,最适宜的热水解温度为170℃、反应时间为30min;经热水解污泥的厌氧消化性能和系统的处理效率都得到显著提高,COD去除率最大时提高了20.18%,日均产气量则增加了79.20%～99.55%。

低温短时热水解对剩余污泥厌氧消化的影响

研究了70～120℃,20min热水解预处理对剩余污泥有机物溶出、重金属释放及厌氧消化的影响.试验结果表明,化学需氧量、碳水化合物、蛋白质、DNA及氨氮(NH4—N)等指标的溶出在110℃以下都随着温度增加而增加,且在90～100℃之间有显著跳跃性增长,在120℃反而有所下降.污泥中微生物细胞在100℃时破裂.通过研究挥发性固体(VS)去除率和沼气产率来表征低温热水解对厌氧消化的影响,这2项指标均在110℃取得最大值.在上述研究基础上进行了相关性分析及回归分析,结果表明,所有的有机物溶出指标及厌氧消化性能均与预处理温度有显著的相关性,而单位降解VS产气与碳水化合物及蛋白质的溶出率呈很好的多元线性关系.

热水解预处理改善污泥的厌氧消化性能

先将污泥进行热水解预处理 ,其后测定生物化学甲烷势 (BMP)来研究热水解对污泥厌氧消化性能的影响 .结果表明 ,热水解预处理能加速污泥中固体有机物的溶解 ,溶解后的有机物进一步水解生成低分子物质 ,其中挥发性有机酸占溶解性COD(SCOD)的 30 %～ 4 0 % ,从而污泥的厌氧消化性能得到明显改善 .最合适的热水解温度和热水解时间为 170℃、30min .此条件下 ,污泥厌氧消化时总COD(TCOD)去除率从预处理前的 38 11%提高到 5 6 78% ,污泥中TCOD的沼气产率从 16 0mL/g提高到 2 5 0mL/g .

游离氨对热水解联合中温厌氧消化处理剩余污泥的影响

热水解预处理强化了污泥厌氧消化过程,但同时增加了微生物受游离氨抑制的风险.对比传统工艺,在有机容积负荷率1.74-4.27g VS/（L·d）条件下,研究了游离氨（FA）对热水解联合中温厌氧消化工艺性能的影响.结果表明,组合工艺甲烷产量较传统反应器提高89%-121%,有机去除率提高1.21-1.46倍.但同时导致系统中游离氨浓度达89-382mg N/L,显著高于传统工艺中37-84mg N/L的范围.游离氨毒性测试显示,传统工艺中FA浓度从43mg N/L升至84mg N/L,没有抑制解乙酸产甲烷途径,而组合工艺中FA升至264mg N/L时,表现出抑制作用,尽管厌氧菌对高浓度FA表现更强的驯化趋势.结合氮负荷试验,FA浓度与基质利用能力,解乙酸产甲烷途径抑制程度和挥发性有机酸积累的关系表明,高有机负荷条件下组合工艺效率可通过控制氮负荷优化.

超声联合低温热水解促进剩余污泥破解和厌氧消化的研究

为了探索超声和低温热水解预处理技术对剩余污泥厌氧消化性能的影响,进行了单独超声、单独热水解和二者联合的实验研究.以温度和超声能量为控制参数,研究了不同预处理技术对污泥破解度DD(Disintegration degree of SCOD)和有机质溶出的影响.结果表明:联合预处理技术对DD和有机质浓度的增加效果比超声和热水解单独作用之和分别高4.04%、36.62mg/L.DD和实际输入能量之间存在较高的线性相关性(R^2=0.977),即在本研究条件下,输入能量越高,污泥破解效果越好.超声和热水解联合预处理后污泥厌氧消化产甲烷量较原泥增加了30.2%~55.4%.DD和厌氧消化性能之间存在二次非线性关系(R^2=0.821),且厌氧消化性能最高达到877.76LCH_4/kg VSS去除,该峰值出现在超声能量12000kJ/kg TS和热水解温度80℃联合作用条件下.

热水解对北京城市污泥厌氧消化性能影响的研究

文章以北京城市污泥为研究对象,通过产甲烷潜力批式试验和完全混合反应器半连续小试和中试试验,结合国内外相关研究成果,从反应器的产气能力、有机物去除能力、系统稳定性和厌氧消化动力学等不同角度研究、评价热水解对北京城市污泥厌氧消化性能的影响。结果表明,污泥经过热水解后挥发性悬浮有机物溶解率达到26.4%,可溶性物质比例提高;在批式试验和半连续试验中,甲烷产率均有不同程度提升,最高达88.9%,有机物去除率均提高23%以上,同时消化系统稳定性得到增强。经厌氧消化动力学分析,复杂有机物的水解速率提高了37.2%,最大基质利用率提高了27%。

热水解对污泥高温厌氧消化产气性能的影响研究

针对城市污泥厌氧消化效率及产气量低等问题,采用新型热水解(Thermal Hydrolysis Pre-Treatment,THP)技术对污泥进行预处理,并结合高温厌氧消化技术进行小试试验,考察THP对污泥粒径、有机物的溶出率及高温厌氧消化产气性能的影响。研究结果表明,经过THP预处理之后,污泥粒径明显减小,为后续厌氧消化处理的水解酸化提供了有利条件;THP使污泥中的有机物得到有效释放,预处理后初沉污泥和剩余污泥中的SCOD、溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质的含量分别提高了14,95,19倍和29,45,19倍;THP明显提升了污泥高温厌氧产气性能,初沉污泥和剩余污泥消化单位有机物(VS)累计产气量分别较未经THP处理的污泥提高了19.96%和39.14%。试验结果可为城市污泥高温厌氧消化预处理工艺的选择提供一定的理论依据。

微电压强化热水解污泥厌氧消化产甲烷速率研究

分别采用碳纤维和不锈钢作为阴阳极加入到厌氧消化装置,在有微电压驱动条件下,能够显著性提高热水解厌氧消化的产甲烷速率,在有外加0.8 V电压条件下,电流稳定在4 mA左右,最大产甲烷速率比空白组高1.78倍,比未加电压的对照组高1.39倍。在放大的试验中,进一步研究了外加电压对产甲烷速率的影响,电流值范围1.5~3.5 mA,产甲烷速率最高为0.18 mL/(d·mL反应体积)。结果显示外部微电压可提高厌氧消化产甲烷的速率,厌氧消化过程中碳氢化合物的浓度是影响微电压性能的关键因素。

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。