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《浙江大学》 2014年
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餐厨垃圾厌氧消化产甲烷工艺特性及其微生物学机理研究

郭晓慧  
【摘要】:餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分,我国餐厨垃圾产生量巨大。餐厨垃圾高含水率、高有机质含量和易降解腐败等特性决定了其既具有严重的污染性,又蕴藏着可观的资源和能源,餐厨垃圾资源化处理与利用成为必然趋势。餐厨垃圾中有机物含量丰富,具有很高的理论产甲烷潜势,采用厌氧消化产甲烷工艺处理餐厨垃圾具有广阔前景。然而在餐厨垃圾厌氧消化工艺中,常存在酸化现象严重、负荷提升困难、垃圾消纳能力与产气效率低下等问题,限制了其工程化应用。本文通过餐厨垃圾批式厌氧消化过程影响因素、半连续厌氧消化工艺在负荷逐步提升过程的效能变化特征,以及微生物群落结构与产甲烷途径的动态变化等方面的研究,从微生物学角度揭示餐厨垃圾厌氧消化系统效能提升与稳定性维持的机制机理,提出并验证餐厨垃圾高温静态两相一体化厌氧消化工艺及其性能,以期为高效稳定的餐厨垃圾厌氧消化工艺开发与应用提供理论依据与技术支撑。论文主要结果如下:1、通过大量批式厌氧消化试验发现:食料比(substrate to inoculum ratio, S/I值)对餐厨垃圾厌氧消化系统启动与产气过程影响重大,其次为总固体(total solid,TS)浓度,而微量元素(铁,钴,镍,硒,钼,钨)添加对系统产甲烷没有明显的促进作用。当S/I≤1, TS浓度在2%-8%范围时,餐厨垃圾中温与高温批式厌氧消化系统均能实现快速启动,累积甲烷产量随S/I的增高而增加,甲烷产率随S/I值的增加而降低,中温与高温系统的最高甲烷产率分别为491.14 mL/g VSadded和520.08 mL/g VSadded (volatile solid, VS)。当S/I=2时,会发生明显的酸化现象,中温与高温系统均出现明显的产气停滞期,停滞期随TS浓度的增加而延长,在TS浓度6%时,中温系统产气微弱,高温系统气体产量随TS浓度增加而增加,但增幅较TS浓度≤6%时而言逐渐变小。当S/I2时,不论TS浓度为多少,中温与高温系统均因酸化严重而难以进入快速产气阶段。综合分析表明,以S/I=1、TS=8%和高温的运行方式进行餐厨垃圾批式厌氧消化启动较快,单位容积消纳垃圾和产气的综合效率最高。2、通过负荷逐步提升试验对比分析了餐厨垃圾中温与高温单相半连续厌氧消化反应器,发现中温反应器具有更好的稳定性和更高的容积产甲烷速率。中温反应器在负荷2.5g VS/(L-d)下实现稳定运行,单位基质产甲烷率达415.9 mL/(g VSadded),单位容积甲烷产率为1039.8 mL/(L·d);高温反应器在负荷为2.0g VS/(L·d)时,VFA(主要是乙酸和丙酸)明显积累的情况下,仍可维持相对稳定的基质甲烷产率(336.3 mL/(g VSadded)和容积甲烷产生速率(772.6 mL/(L-d)),但在负荷升至2.5 g VS/(L·d)时因乙酸和丙酸迅速积累,pH急剧下降,产气几近停滞,系统接近崩溃。3、运用微生物分子生物学技术,对比分析了负荷提升过程中,中温与高温系统微生物群落结构与功能组成变化特征,揭示了中温厌氧消化系统稳定性优于高温系统的微生物学机理。中温系统中细菌群落结构复杂多样,随负荷提升系统发育组成变化距离大,多样性与均匀性指数始终却维持在较高水平,而在高温系统中细菌群落以Thermotoga为绝对优势菌,随负荷提升,系统发育组成变化较小,多样性和均匀性指数则降低。与高温系统相比,中温系统细菌群落功能冗余现象更为明显。古菌群落结构在中温系统中随负荷提升逐渐以Methanosaeta为主导的乙酸发酵型产甲烷古菌为主,而在高温系统中随负荷的提升逐渐转变为以Methanothermobacter和Methanoculleus为代表的氢营养型产甲烷古菌为主。高温系统细菌群落结构相对单一,难以及时调整出能应对负荷提升压力的生态结构;在以氢营养型产甲烷途径为主的代谢过程中需产氢与耗氢菌的共生合作,对环境条件控制要求严格;产酸-产氢-耗氢速率间的不平衡随负荷提升而加剧,最终导致系统失稳。该研究结果可为高效稳定的厌氧消化工艺开发提供理论依据。4、自主设计了一套高温静态两相一体化厌氧消化反应器,在此基础上通过小试试验验证了其运行稳定性和产气效率。两相一体化反应器可有效缓解酸化产物对产甲烷过程的抑制作用,并为微生物间的共生代谢作用提供有利的空间结构。在不同有机负荷条件下,将甲烷相污泥回流至水解酸化相,回流污泥量随负荷提升而增加,使进料pH值保持在6.5-7.0之间,可为水解酸化反应提供可靠的接种微生物和适宜的pH条件。反应器以初始负荷4.67 g VS/L进行启动,并实现在负荷7.00 g VS/L下的稳定运行。在负荷为7.00 g VS/L时,平均单位基质气体与甲烷产率分别为0.79 L/g VSadded和0.33 L/g VSadded,平均容积气体与甲烷产生速率分别为5.54 L/(L·d)和2.32 L/(L·d)。该系统运行控制简单,启动快速,综合效能较高,可为高效稳定的厌氧消化工艺开发与应用提供技术支撑。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:X705

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 祖波;祖建;周富春;汪林;;产甲烷菌的生理生化特性[J];环境科学与技术;2008年03期
2 贾传兴;彭绪亚;黄媛媛;李小风;;有机垃圾厌氧消化系统失稳预警指标的研究进展[J];中国给水排水;2011年24期
3 刘研萍;陈雪;朱保宁;袁海荣;周祺;夏瑜;李秀金;;餐厨垃圾厌氧消化中硬脂酸钙的形成及作用[J];环境工程学报;2011年12期
4 徐长勇;宋薇;赵树青;刘晶昊;蒲志红;;餐厨垃圾饲料化技术的同源性污染研究[J];环境卫生工程;2011年01期
5 张恩惠;尹籽深;;餐厨垃圾双相分段式制沼一体化装置研究及工业推广[J];机电产品开发与创新;2013年02期
6 韦元雅;宋鹏;陈五岭;宋锦宁;;堆肥法处理城市有机垃圾研究综述[J];上海环境科学;2008年05期
7 赵京音,姚政;微生物制剂促进鸡粪堆肥腐熟和臭味控制的研究[J];上海农学院学报;1995年03期
8 任南琪,王宝贞;有机废水处理生物制氢技术[J];中国环境科学;1994年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 吴云;餐厨垃圾厌氧消化影响因素及动力学研究[D];重庆大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 尹爱国;林汉森;;生物制氢的研究现状及前景[J];安徽农学通报;2007年02期
2 赵兰;冷云伟;任恒星;李浩;;纤维素原料厌氧产甲烷气的研究进展[J];安徽农学通报(上半月刊);2010年17期
3 尹永强;何明雄;韦峥宇;韦建玉;邓旭能;;堆肥腐熟机理研究进展[J];安徽农业科学;2008年23期
4 李峰;尹成;徐大勇;陈奇;;在《微生物学》教学中补充生物有机肥部分的内容设计[J];安徽农业科学;2010年23期
5 董凌霄;贾文颖;丁绍兰;刘溪坤;汪迪;;HABR启动过程中污泥特性变化研究[J];安徽农业科学;2012年09期
6 庞凤仙;崔彦如;安明哲;张永锋;;能源性微生物的研究现状与应用前景[J];现代农业科技;2009年11期
7 冯国杰;成官文;王瑞平;;菌渣、鸡粪联合堆肥工艺研究[J];安全与环境学报;2007年03期
8 曹东福;黄兵;张续春;;利用有机质发酵产氢的影响因素与应用前景[J];环境科学与管理;2007年04期
9 刘斌;吴克;蔡敬民;李绍辉;俞志敏;金杰;;啤酒厂废水厌氧处理产氢研究[J];包装与食品机械;2006年01期
10 马怀良,许修宏;畜禽粪便高温堆肥化处理技术[J];东北农业大学学报;2005年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王芳;倪学勤;曾东;马志勇;;DGGE技术分析接种菌剂在猪粪堆肥中的动态变化[A];全国畜禽和水产养殖污染监测与控制治理技术交流研讨会论文集[C];2008年
2 金珠理达;王顺利;刘克锋;王红利;;堆肥微生物研究进展[A];微生物实用技术生态环境应用学术研讨会论文集[C];2008年
3 李磊;王彬彬;;生物质能的应用及研究进展[A];经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会(第一卷)[C];2010年
4 和丽忠;陈喜;陈锦玉;佴注;米艳华;张晓林;;蔬菜废弃物无害化处理农药残留量变化研究[A];云南省作物学会2004—2006年优秀论文选集[C];2006年
5 陈润;秦勇;;CO_2煤层处置效应与监测研究进展[A];2011年煤层气学术研讨会论文集[C];2011年
6 丁兆军;舒新前;白广彬;;城市污水厂污泥热解制氢的实验研究[A];第七届全国氢能学术会议论文集[C];2006年
7 廖林仙;邵孝侯;;添加剂在畜禽废弃物堆肥中的应用研究现状与展望[A];江苏土壤肥料科学与农业环境[C];2004年
8 王文杰;;餐厨资源饲料化利用研究进展[A];动物营养研究进展(2012年版)[C];2012年
9 尹永强;韦峥宇;何明雄;韦建玉;宁柳诚;;生物菌剂对烟用有机肥堆制腐熟的作用效果研究[A];广西烟草学会2010年学术年会论文集[C];2010年
10 范东升;尹永强;韦峥宇;何明雄;韦建玉;沈方科;;烟用有机肥堆制腐熟程度研究初报[A];广西烟草学会2008年度学术年会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谢斌飞;淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究[D];浙江大学;2009年
2 潘飞;啤酒厂剩余污泥堆肥高效菌群构建及其新型堆肥工艺研究[D];东华大学;2010年
3 焦安英;甘蔗压榨汁制氢系统的工程控制对策及其微生物群落研究[D];东北林业大学;2011年
4 郑国臣;CSTR和ABR处理有机废水产氢产甲烷特征与效能[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 林波;挥发油及其活性成分组合与富马酸钠共同添加对体外瘤胃发酵和湖羊养分消化的影响[D];浙江大学;2011年
6 刘宏远;生物反应器填埋场系统的仿真研究[D];浙江大学;2003年
7 胡天觉;城市有机固体废物仓式好氧堆肥工艺改进及理论研究[D];湖南大学;2005年
8 谷洁;酶活性及微生物在农业废弃物静态高温堆腐过程变化的研究[D];西北农林科技大学;2006年
9 戚峰;生物质高效水解及发酵产氢的机理研究[D];浙江大学;2007年
10 陈瑛;发酵产氢菌株与混合培养系统种群生态研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 施娟娟;固定化污泥降解冰淇淋废水产氢及固定化载体的改进研究[D];昆明理工大学;2010年
2 廖稷;闽江河口芦苇湿地甲烷和二氧化碳排放通量分析[D];福建师范大学;2010年
3 张田;城市农业活动与设计策略研究[D];山东建筑大学;2011年
4 樊婷婷;多菌种耦合厌氧发酵秸秆产沼气的特性研究[D];湖北工业大学;2011年
5 杨萌;密云水库温室气体通量的时空特征及其影响因素研究[D];北京林业大学;2011年
6 郭子瑞;糖蜜废水制氢系统的调控及其生物强化[D];东北林业大学;2011年
7 毕晶;苏打盐碱土异位生物改良技术研究[D];吉林农业大学;2011年
8 黄惠莹;污水厂剩余污泥水解酸化液发酵产氢试验研究[D];华南理工大学;2011年
9 孙娜娜;生物废弃物监管体系初探[D];中国海洋大学;2011年
10 秦荣邦;厨余垃圾混合厌氧消化试验研究[D];西南交通大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陆熹;李霞;仲小兰;费秋平;朱洪林;;微生物发酵在我国饲料工业中的应用及发展探讨[J];现代农业科技;2008年01期
2 熊婷;霍文冕;窦立宝;高洋;陈瑾;;城市餐厨垃圾资源化处理必要性研究[J];环境科学与管理;2010年02期
3 李荣平;李秀金;;半连续式厨余和牛粪混合厌氧消化[J];北京化工大学学报(自然科学版);2007年S2期
4 李亚新,董春娟,徐明德;厌氧消化过程中Fe、Co、Ni对NH_4~+-N的拮抗作用[J];城市环境与城市生态;2000年04期
5 刘芳,叶滨恭;有机垃圾好氧堆肥过程中微生物生长适应条件的研究[J];重庆环境科学;2003年12期
6 沈耀良,王学华,胡玉才;苏州七子山垃圾填埋场渗沥液设计水质的估算[J];重庆环境科学;1996年04期
7 霍维周,丁雪梅;蚯蚓处理垃圾及产业化问题的探讨[J];城市管理与科技;2002年01期
8 李健;张峥嵘;黄少斌;张永清;;固体废物堆肥化研究进展[J];广东化工;2008年01期
9 王莉;刘应宗;;公共餐厨垃圾饲料化项目生产可行性分析[J];工业工程;2009年05期
10 李士田,王子石,徐方;饲养场对大气环境的影响[J];国外医学(卫生学分册);1990年02期
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 澳洲广播电台 靳少锋 译;[N];北京科技报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 刘晓玲;城市污泥厌氧发酵产酸条件优化及其机理研究[D];江南大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 周晓臣;城镇有机垃圾厌氧发酵中有机酸及氨氮抑制效应研究[D];重庆大学;2006年
2 贾传兴;有机垃圾两相厌氧消化中氮素转化特性的试验研究[D];重庆大学;2007年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 郑明霞;李秀金;李来庆;刘研萍;;蔬菜废物两步批式厌氧消化产气实验研究[J];北京化工大学学报(自然科学版);2007年S2期
2 付云霞;张文阳;王凤;朱亚兰;刘丹娅;;城市生活垃圾中可生化单基质的厌氧消化[J];四川环境;2008年02期
3 邹星星;郑正;陈广银;李继红;杨世关;;稻草中温厌氧消化产气初步研究[J];江苏农业科学;2008年05期
4 鲍安红;;两相连续固体床厌氧消化反应器的试验[J];农机化研究;2009年02期
5 高艳娇;赵树立;刘元;;金属离子对厌氧消化的影响[J];辽宁化工;2010年03期
6 杨浩;邓良伟;孔垂雪;刘刈;李淑兰;樊战辉;;低维持厌氧消化系统及其出水后处理利用技术[J];中国沼气;2010年02期
7 吕波;蒲贵兵;;城市生活垃圾厌氧消化中氮的转化行为研究[J];化学与生物工程;2010年09期
8 蒋铭;闻有成;杨朝晖;刘育英;李小萌;王淳;;信息长廊[J];农业技术与装备;2011年23期
9 李静;丁怡斐;肖勤;;接种对厌氧消化产气的影响研究进展[J];环境科学与管理;2012年02期
10 杨双春;邓丹;梁丹丹;潘一;;国内外厌氧消化模型研究进展[J];科技导报;2012年25期
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1 孙翠平;柴同杰;张红双;姚美玲;李晓霞;段会勇;;特定有益菌对奶牛粪便中温厌氧消化体系中指示菌存活的影响[A];第四届第九次全国学术研讨会暨饲料和动物源食品安全战略论坛论文集(上册)[C];2008年
2 韩艳霄;林聪;黄莹;程东林;;生活垃圾与人粪尿混合厌氧消化的试验研究[A];2011年中国沼气学会学术年会暨第八届理事会第二次会议论文集[C];2011年
3 吴铎;管冬兴;吕凡;邵立明;何品晶;;林可霉素菌渣厌氧消化工况优化及抑制因素分析[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
4 卢旭珍;邱凌;张波;;城市生活垃圾厌氧消化反应动力学分析[A];农村沼气发展与农村小康建设研讨会论文选编[C];2003年
5 吴根义;谭建纯;颜智勇;杨仁斌;;厌氧消化时间对养猪场废水处理影响[A];首届全国农业环境科学学术研讨会论文集[C];2005年
6 王典;孙轶斐;王伟;朱天乐;;生物质废物中温联合厌氧消化的动力学研究[A];中国化学会第28届学术年会第1分会场摘要集[C];2012年
7 潘云霞;;微量金属元素对农业废弃物厌氧消化的作用[A];自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集(2)[C];2009年
8 罗娟;董保成;陈羚;高新星;万小春;赵立欣;;畜禽粪便与玉米秸秆厌氧消化产气特性[A];全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会论文集[C];2011年
9 段娜;林聪;苏珊;;秸秆厌氧消化系统pH调控措施初探[A];2011年中国沼气学会学术年会暨第八届理事会第二次会议论文集[C];2011年
10 吴香尧;;四川省畜禽粪便的能源环境工程建设探讨[A];四川省农村固体废弃物循环再生利用[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前4条
1 吴文伟 马婧一;没有最好 只有最适宜[N];中国建设报;2010年
2 黄朝武;沼气产业:给2.8亿吨秸秆找出路[N];农民日报;2007年
3 本报记者 陈卫东通讯员 房树芬;从技术到制度[N];科技日报;2008年
4 张敬然;新加坡用木材废料生产沼气[N];中国绿色时报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郭晓慧;餐厨垃圾厌氧消化产甲烷工艺特性及其微生物学机理研究[D];浙江大学;2014年
2 裴占江;餐厨垃圾厌氧消化效率研究[D];沈阳农业大学;2015年
3 庞云芝;基于提高麦秸厌氧消化性能的碱预处理方法研究及工程应用[D];北京化工大学;2010年
4 李建昌;水解酶预处理对城市有机生活垃圾厌氧消化的影响[D];昆明理工大学;2011年
5 池勇志;微波结合碱解预处理改善剩余污泥厌氧消化效能的研究[D];天津大学;2010年
6 张记市;城市生活垃圾厌氧消化的关键生态因子强化研究[D];昆明理工大学;2007年
7 夏益华;预处理对水葫芦和稻秸厌氧消化产沼气性能的影响研究[D];浙江大学;2014年
8 左壮;蔬菜废弃物厌氧消化产酸特性及回流调控研究[D];中国农业大学;2014年
9 蔚静雯;剩余污泥温度分级—生物分相厌氧消化系统研究[D];华中科技大学;2013年
10 张翔;厌氧消化-SBR-絮凝组合工艺处理牛粪废水研究[D];郑州大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘高杰;外源氢强化厌氧消化产甲烷过程数学模拟研究[D];北京建筑大学;2015年
2 蒲霜兰;生物炭介导的鸡粪厌氧消化碳氮形态转化特性[D];西北农林科技大学;2015年
3 仲猛;居民生物质垃圾浆料沉降性能及相关分层物厌氧消化研究[D];西南交通大学;2015年
4 梁银春;有机固体废弃物厌氧、好氧发酵特性及细菌多样性对比研究[D];广西大学;2015年
5 李礼;牛粪和鸭粪厌氧消化产气的影响因素研究[D];重庆大学;2008年
6 宋丽;蔬菜废物两级强化水解厌氧消化实验研究[D];北京化工大学;2010年
7 刘德江;家畜粪便厌氧消化特性与应用研究[D];西北农林科技大学;2004年
8 高志坚;玉米秸秆厌氧消化试验研究[D];北京化工大学;2004年
9 宋永民;汽爆玉米秸秆高温固态阶梯厌氧消化的研究[D];山东师范大学;2008年
10 冯璐;食醋工业废弃物厌氧消化性能及预处理技术研究[D];北京化工大学;2013年
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