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餐厨垃圾厌氧消化影响因素及动力学研究

吴云  
【摘要】:餐厨垃圾泛指产生于餐厅、公共食堂等餐饮行业以及居民日常生活中的食物加工下脚料和食用残余,是国内有机垃圾的主要组成部分,在整个有机垃圾中所占比例为40%~60%。其有机质含量高、含水率较高、易腐发臭等特点决定了餐厨垃圾既是一种污染物,又是一种资源。近年来,国内餐厨垃圾产生量迅速加大,由于缺乏有效的处置技术和手段,大量餐厨垃圾被制成动物饲料和泔水油后出售,这对公共食品卫生安全构成了极大的潜在威胁,特别是近年来非典、禽流感、猪链球菌感染、猪流感等传染性疾病的大规模爆发,使人们越来越多地认识到发展经济有效的餐厨垃圾处置技术的重要性。有机垃圾厌氧消化处理技术因具备减量化效果好、处理能耗低、二次污染少及可产生清洁能源等优点,已被越来越的国家所采用。但是,餐厨垃圾厌氧消化处理技术的应用在我国尚处于起步阶段,很多关键性技术问题仍然需要深入研究和探讨。 本文以重庆市餐厨垃圾为试验材料,对其厌氧消化过程及其主要影响因素进行试验研究和理论分析。试验考察了餐厨垃圾水解、酸化以及单相和两相厌氧消化工艺的运行特性和经济性,并对水解、酸化和产气动力学进行了理论分析,得到以下主要结论: (1)破碎预处理和碱液浸泡预处理可以增加餐厨垃圾水解速度,提高水解效率;通过提高温度的方法来达到同时提高水解速率、VS去除效率和酸化效率不具实用性;扩散阻力作用是大粒径有机垃圾水解速率的主要控制因素,减小颗粒粒径能够加快有机垃圾水解过程的进行;新建立的有机垃圾水解经验动力学模型表达形式为: 经试验数据验证,建立的餐厨垃圾水解动力学模型能够对餐厨垃圾可降解有机物水解过程进行合理预测。 (2)污泥接种水平和消化温度并不是决定产酸发酵类型的主导因素,但控制系统pH能够使产酸发酵类型趋势发生改变:当pH为4~5时,趋向于产乙酸型发酵,pH为5~6时,趋向于丙酸累积型发酵,pH为8~9时,趋向于产丁酸型发酵;热碱预处理能够提高酸化产物累积速度和累积量。动力学分析结果表明,热碱预处理后的餐厨垃圾厌氧产酸速率较未处理时有显著提高。 (3)污泥接种水平越高,系统抵抗氨氮抑制性的能力越强,提高温度增强了氨氮对甲烷菌的抑制作用;酸性条件下的氨氮甲烷抑制性低于碱性条件下的甲烷氨氮抑制性。热碱预处理使氨氮累积浓度有所上升,但对氨氮的甲烷抑制性影响不大。 (4)根据有机负荷和指标变化情况,可将单相厌氧消化的产气过程划分为启动阶段、发展阶段、适宜负荷阶段和超负荷阶段;两相厌氧消化的产气过程划分为启动期、增长期和稳定期。与两相厌氧消化相比,单相厌氧消化达到稳定所需时间更长,累积甲烷产量更低,出水COD浓度更高,可承受有机负荷更低,消耗单位质量有机质产甲烷量更低,且运行参数变化幅度较大,系统抵抗外界冲击的能力较弱。但是,单相厌氧消化单位反应器体积有机质去除量更高,且出料生物降解率更高,因此有利于减少投资,降低沼渣处理难度。经济指标分析结果表明,单相厌氧的耗电量较两相厌氧低很多,两相厌氧用水量较单相厌氧低,两相厌氧药品用量显著高于单相厌氧,两者在单位垃圾产甲烷量上相差不大。总体来看,采用单相厌氧所消耗的运行成本更低,经济性更好。 (5)基于碳素转移机理的厌氧消化产气模型能够较好地预测甲烷累积产气量和CO2累积产气量,但是,其计算过程较为繁琐。对单相和两相厌氧消化的累积产气量实测数据进行理论分析,得到了简化的厌氧消化产气速率经验模型,通过添加抑制系数和负荷比对上述经验模型进行了修正,建立了修正后的厌氧消化产气速率经验模型;试验数据验证结果表明,该修正经验模型能够较好地对厌氧消化累积产气量进行预测。


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