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《沈阳农业大学》 2015年
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餐厨垃圾厌氧消化效率研究

裴占江  
【摘要】:本文针对餐厨垃圾在厌氧消化过程中易出现有机酸和氨氮积累而使反应停滞的实际,首先对餐厨垃圾不同厌氧消化工艺进行了比较研究;其次选用序批式厌氧消化技术研究了pH值调控对餐厨垃圾厌氧消化效率的影响,并采用餐厨垃圾分别与牛粪和水稻秸秆的混合厌氧消化技术,研究了餐厨垃圾与其它物料混合后的厌氧消化效率;最后为了进一步提升厌氧消化效率,研究了添加微量金属元素对餐厨垃圾与牛粪混合后的厌氧消化效率的影响。解决了有机酸、氨氮、高浓度盐分、脂肪和蛋白质对厌氧消化的抑制。主要工作如下:1、本文对FW序批式厌氧消化(BT),半连续厌氧消化(SCT),固液两相厌氧消化(SLT)进行了比选研究。研究结果表明SLT生产系统有效提高了厌氧消化效率,单位沼气产量与甲烷含量均显著提高,SLT, SCT及BT的最大沼气日产量分别为430mL·gVS-1d-1、 150mL·gVS-1d-1和270mL·gVS-1d-1,最高甲烷含量分别为68%,57%和50%;SLT的产酸效率及有机酸利用率均显著提高,有机负荷率较SCT提高50%,能够达到9gVS·L-1d-1。因此,餐厨垃圾的SLT工艺有机负荷及消化效率较SCT及BT工艺相比均有大幅提高。2、本试验对pH调控对餐厨垃圾厌氧消化效率的影响进行了研究。在恒温(35℃)条件下,考察不同pH值(5、6、7、8)对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响。结果表明:pH值调控对餐厨垃圾厌氧消化产气影响显著。适宜的pH值对餐厨垃圾厌氧消化过程起着十分重要的作用,当pH值为7.0时,餐厨垃圾厌氧发酵产沼气效率较好,产甲烷菌群活性较高,累计产气量达到3692mL,甲烷含量达到55%以。pH值调控对维持餐厨垃圾厌氧消化系统稳定性有利。各处理在pH值的调控下趋于稳定,产甲烷菌群活性较高,反应体系运行平稳。VFAs中乙酸含量占60%以上,当pH值为7时,乙酸与丁酸所占组分百分比最高,达到77%。对消化液中氨氮的分析表明,经pH值调控后,厌氧消化系统未出现氨氮抑制现象。3、本文对餐厨垃圾(FW)与牛粪(CM)联合厌氧消化效率进行了研究。在初始总固体(TS)负荷为6.7%和中温(35℃)条件下,考察不同FW与CM的TS配比(0:1、1:1、2:1、3:1、4:1、1:0)对混合厌氧消化过程的影响。结果表明:FW与CM联合厌氧消化单位VS沼气产量与甲烷含量均明显提高。FW:CM为2时(T3),沼气产量和甲烷含量均最高,分别为57415mL·gVS-1和69.78%。整个厌氧消化过程T1—T5的pH值稳定在6.0-8.0之间,未出现挥发性有机酸(VFAs)抑制现象,VFAs浓度随着FW的比例增加而升高,FW单独发酵时,VFAs大量累积,第7d时达到35600mg·L-1产甲烷菌群利用丙酸转化为甲烷的效率较低,VFAs中丙酸浓度下降的幅度明显低于乙酸、丁酸。厌氧消化过程中T1—T5也未出现氨抑制现象,氨氮浓度整体呈现先迅速升高,后缓慢下降,再缓慢升高的变化规律。在常温沼气工程应用中,在初始总固体(TS)为6.7%时,建议FW与CM的TS比为2:1。4、应用序批式厌氧消化工艺对餐厨垃圾(FW)与水稻秸秆(RS)联合厌氧消化效率进行了研究。根据初始挥发性含量(VS)不同共设置6个配比组。结果表明:联合厌氧消化较FW与RS单独厌氧消化时系统更稳定,池容产气量更高。在RS中添加FW能够缩短启动时间及增加甲烷产量。但联合厌氧消化效率的高低主要取决于FW/RS的比例。当FW/RS的比例为3:1时,沼气产率最高达到60.55mL·gVS-1d-1,分别比FW与RS单独厌氧消化时分别提高178%和70%。因此,FW与RS联合厌氧消化能够获得较高的沼气产率及更加稳定的系统。5、为了提高餐厨垃圾(FW)与牛粪(CM)联合厌氧消化效率,本试验通过向批式厌氧消化体系中加入微量金属元素(Fe, Co, Ni),研究其对FW与CM联合厌氧消化性能的影响。结果表明:添加微量金属元素有利于维持系统稳定,提高沼气效率。T1-T5的沼气总产量均达到4000mL以上,较CK增加大约55%左右,平均甲烷含量均在60%以上,较CK增加20%左右。Tl-T5的有机酸(VFAs)及氨氮含量变化较平稳未出现酸累积及氨抑制现象,而CK的VFAs及氨氮含量呈现不断上升的趋势。加入微量金属元素后辅酶F420的吸光值开始上升,15d以后吸光值稳定在0.55-0.65之间,由于CK未添加微量金属元素,其吸光值呈现下降趋势。因此,添加微量金属元素是提高FW与CM联合厌氧消化效率的有效途径。6、为了研究微量元素对餐厨垃圾和牛粪混合厌氧发酵的影响,以期得到铁、钴、镍三种微量元素对发酵稳定期产挥发性脂肪酸(VFAs)影响的最佳浓度组合,该文在单因素试验的基础上,采用三因素三水平的中心组合设计及响应曲面分析法,建立了混合厌氧发酵产酸量的二次多项式数学模型,并以挥发性脂肪酸(VFAS)产量为响应值作响应面和等高线,考察了以餐厨垃圾和牛粪为发酵底物发酵产酸时添加的铁、钴、镍三种微量元素的浓度及其交互作用的影响。分析结果表明,三种元素的最佳浓度组合是铁:1.05mg·mL-1、钴:0.02 mg·mL-1、镍:0.53 mg·mL-1。该工艺条件下,VFAs的理论值为367Oppm,实际实验值为3668ppm,与理论值相符。
【学位授予单位】:沈阳农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X799.3

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