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《江南大学》 2010年
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厨余物厌氧产氢过程控制因素优化研究

赵明星  
【摘要】:随着社会经济的发展和人民生活水平的提高,厨余垃圾的产生量逐渐上升。然而由于厨余垃圾数量庞大,且具有有机质含量高和易腐败等特性,如不及时处理,则会引起恶臭污染大气环境,腐败产生的致病菌会引起各种传染疾病,产生的渗滤液含有高浓度的有机质,严重污染地表水和地下水。目前厨余垃圾问题已经对人们的生产生活构成严重威胁。因此寻求厨余垃圾有效的处置方法迫在眉睫,这也是解决各个城市日益严重的“垃圾围城”重要出路之一。 将厨余物厌氧消化产氢,既能解决厨余物的处置问题,又能获得清洁高效的能源。这一途径可以使厨余物达到减量化、无害化和资源化利用。产生的氢气是一种完全清洁且高效的能源。随着能源危机和环境污染的日益严重,氢气被誉为是替代化石燃料的最佳选择。氢气的燃烧值高于任何一种化石燃料,而且燃烧后只生成水,不会产生温室气体。氢气具有广泛的应用范围,能应用于食品行业,化工行业等。 由于厨余物成分复杂且接种物多样,因此影响厨余物产氢效率的控制因素较多,而且对于不同的反应情况,影响各不相同。虽然很多学者针对各自的产氢实验进行过控制因素的研究,但是多数只是针对单一控制因素。对厨余物产氢研究进行全面的控制因素研究,包括物料比、pH、温度、加速底物水解方式、产氢微生物活性强化等方面的优化研究,有利于获得最佳的厨余物产氢模式。 本论文对厨余物产氢过程中的控制因素进行了优化研究,主要从产氢初步条件,包括物料比、初始pH、碳氮比和温度四个方面进行研究,获得产氢基本条件;针对水解是有机物产氢的限制因素这一特点,采用酸碱预处理技术强化底物水解,研究酸碱预处理对产氢的促进作用;在产氢过程中产氢污泥的活性强化能有效提高产氢效率,采用添加金属离子强化产氢污泥,研究稀土元素La3+对产氢污泥的"hormesis"效应,拟探索出最佳的添加浓度;由于产氢为“丁酸型”发酵,采用丁酸胁迫的手段对产氢污泥进行耐受性研究,拟提高产氢污泥的耐丁酸性,从而提高产氢量;最后对丁酸胁迫过程中的污泥性能进行研究,拟从物理和生化两方面对其变化进行分析,获得相关参数。本论文通过以上几部分的研究,拟从厨余物产氢的各个控制因素方面进行优化分析,获得最佳的产氢方式,本论文的主要研究结论如下: 1.通过对物料比,初始pH,碳氮比和温度的逐步优化,得出产氢的最佳物料比为2.5:1,初始pH为7.5,碳氮比为18:1,温度为35℃,此时产氢达到28.34 mL/gVS。而且产氢类型为“丁酸型”发酵。 2.从强化底物水解方面对厨余物进行酸碱预处理。其中经pH2和pH13处理条件下,碳水化合物、蛋白质、脂类和SCOD含量分别比对照提高了87.0%,41.3%,134.7%,78.8%和283.1%,203.2%,259.1%,108.2%。在随后的产氢过程中,经pH13处理组的产氢量最大,达到105.38 mL/gVS,比对照提高了2.66倍。各个反应组中有机酸在前19小时增长迅速,但是从19小时到产氢结束时变化不大,这趋势与产氢变化较一致。对pH2,对照和pH13处理组研究表明,经pH13处理组中碳水化合物和蛋白质都是下降的,而其它两组都是先上升后下降。在整个反应过程中,三个组分的脂类浓度几乎没变化。从整体来看,微生物优先利用的底物是碳水化合物。在三个反应组中,EPS中的蛋白质和胞外多糖在前14和9小时都是增加的,但随后下降,而DNA在整个产氢过程中一直是增加的。EPS最大值是78.60 mg/gVS(pH13组)65.54 mg/gVS(pH2组)45.75mg/gVS(对照组)。胞外多糖是污泥EPS中的主要也是变化最明显的成分。结果显示强酸和强碱预处理对厨余物有机质溶出具有明显效果,采用一定的预处理方式能提高厨余物产氢效率。 3.产氢量先随着添加La3+元素浓度的增加而提高,但从0.5 mg/L后下降。在添加La3+浓度为0.5 mg/L,产氢量达到最大,为43.11 mL/gVS,是对照的1.45倍。Gompertze模型显示,Rm的大小为0.5 mg/L组0.1 mg/L组对照0.05 mg/L组1 mg/L组5 mg/L组。随着添加La3+浓度的提高,产氢延迟λ时间变长。VS和SCOD在前20小时呈迅速增长趋势,但在20小时后保持稳定。不同于VS和SCOD的变化,pH在反应过程中一直呈下降趋势。在添加La3+为0.5 mg/L时,β-糖苷酶、BAA-蛋白水解酶和脱氢酶最大酶活为9912.09μmolPNP/(gTS.h),104.67μmolNH4-N/(gTS.h)和6216.15μgTF/(gTS.h),是对照的1.85,1.48和1.69倍。结果显示添加La3+元素对产氢污泥具有"hormesis"效应,最佳的添加浓度为0.5 mg/L。 4.在丁酸胁迫浓度为4.0 g/L胁迫组,丁酸量达到8417.1 mg/L,比对照提高了31.3%。在4.0 g/L胁迫组中的产氢量达到63.72 mL/gVS,是对照的214%。VS和SCOD在4.0 g/L胁迫组下达到最大,为22.68g/L和21034.9 mg/L,分别是对照的1.32和1.30倍。β-糖苷酶,BAA-蛋白水解酶和脱氢酶分别在前10,5和10小时呈迅速增长的趋势,而此后呈下降趋势。结果显示采用丁酸胁迫方式能提高污泥的耐受性,从而提高产氢量。研究了产氢剩余发酵液继续产甲烷的可行性,连续产甲烷的最终产量为287.4 mL/gVS,比单独产甲烷的甲烷量提高了34.0%。在连续产甲烷过程中,丁酸是主要降解的有机酸。而单独产甲烷过程中,乙酸是主要变化的有机酸。 5.对胁迫过程中的污泥性能进行了研究,表明颗粒污泥在胁迫过程中的平均沉降时间,VS是呈下降趋势。絮体的直径呈下降趋势,而絮体的平均面积呈上升趋势。最终谷氨酸脱羧酶随胁迫浓度的提高先增加后减少,在4.0 g/L胁迫下达到最大值,为12.06μg/(TS.h),比对照提高了77.0%。通过上述研究阐述了在胁迫过程中污泥的理化性质变化情况。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X799.3

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