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城市生活垃圾厌氧消化的关键生态因子强化研究

张记市  
【摘要】: 厌氧消化城市生活垃圾(MSW)是集环保、能源和资源回收于一体的新的生物处理技术,其中如Dranco、Valorga、Kompogas和Biocel等工艺已经成功实现了工程化运行。然而,在厌氧消化过程中仍存在产气速率、产气量低,发酵周期长,有机物降解效率不高等问题。主要原因有:一是缺乏高效微生物;二是缺乏高效反应器;三是MSW的复杂性和可变异性;四是厌氧工艺过程稳定性差。本文在国内外已有的研究基础上,系统地研究了MSW可变异性与生物降解性、接种物筛选、好氧微生物强化厌氧消化城市有机生活垃圾(OFMSW)、OFMSW与剩余污泥的联合消化、有机负荷(OLR)波动对厌氧过程稳定性影响、温度因子对厌氧消化性能的影响与强化等内容。论文主要研究内容与结论有: MSW是厌氧消化的关键非生物因子,能显著影响厌氧消化的效率。论文在研究MSW可变异性的基础上,比较了城市生活垃圾(MSW)、机械分选城市有机生活垃圾(MS-OFMSW)、人工分选城市有机生活垃圾(HS-OFMSW)和源分城市有机生活垃圾(SS-OFMSW)的物理组成及有机质成分;并分析了它们在不同温度(35℃/55℃)下的厌氧生物降解率分别为47.8%/49.1%、66.7%/68.0%、80.5%/81.5%和86.1%/86.9%,可生物降解物质分数(BF)分别为51.4%、63.7%、72.1%和74.0%。因而它们的产沼气潜力(BMP)存在显著差异,MSW、MS-OFMSW、HS-OFMSW和SS-OFMSW的中温(35℃)BMP分别为215.9mLCH_4/gVS、302.5mLCH_4/gVS、368.8mLCH_4/gVS和391.9mLCH_4/gVS,高温(55℃)BMP分别为221.8mLCH_4/gVS、308.4mLCH_4/gVS、373.7mLCH_4/gVS和395.4mLCH_4/gVS。 OFMSW厌氧消化的生物因子强化结果表明,初始接种物的最大比产甲烷活性(SMA)明显不同,以中温厌氧消化污泥的为最高(224mLCH_4/gVSS·d),其次为来自常温运行的UASB反应器污泥和化粪池底泥,SMA分别为196mLCH_4/gVSS·d和184.8mLCH_4/gVSS·d。经过两次中温培养、富集后,SMA显著提高,能加快OFMSW厌氧过程的启动和提高OFMSW的厌氧降解率;SMA与OFMSW厌氧降解率呈一定的正相关性,即SMA越大,OFMSW厌氧降解率越大。 接种物-OFMSW比率(ISR)会显著影响OFMSW的厌氧消化性能。在相同质量的接种物下,ISR=1是厌氧消化的最适宜值,过大或过小都会影响有机物产气量和反应器利用率。ISR=1时发酵过程稳定性较高,产气速率和产气量较大,同时,有机物降解率和反应器利用率都得到合理的提高。 此外,还利用好氧微生物(作为生物因子)对OFMSW高温厌氧消化进行了强化研究。好氧微生物能提高OFMSW的可生物降解性,增加后续厌氧过程的稳定性,提高产气量和消化效率。其中以好氧生物处理12h的OFMSW厌氧过程稳定性最好、产气量最大(29927.98mL),提高了25.8%。好氧Oh、6h、12h、24h、48h和72h的OFMSW厌氧消化速率常数分别为0.1517d~(-1)、0.1453d~(-1)、0.1428d~(-1)、0.1396d~(-1)、0.1748d~(-1)和0.1819d~(-1)。 为改善消化底物的营养结构和C/N,提高厌氧消化性能,进行了OFMSW-剩余污泥联合消化实验研究。OFMSW-剩余污泥的BMP测试结果表明,理论甲烷产量(TMP)随着OFMSW组分的增加而降低(560CH_4mL/gVS~521 CH_4mL/gVS),而BMP随之增大(223CH_4mL/gVS~414CH_4mL/gVS)。OFMSW-剩余污泥的半连续联合消化结果说明,产气速率随着OFMSW组分的增加而增大,其中以90:10(OFMSW/剩余污泥,VS基)进料(HRT=15d和OLR=4.8gVS/L·d)时的产气速率最大(2456mL/L·d)。 OLR的波动或突变对厌氧过程的稳定性有着显著的影响,主要表现在对产气速率、pH值、CH_4含量和VFA浓度的变化上。OLR对各参数影响的强弱顺序为:VFA浓度>产气速率>甲烷含量>pH值。因而可以通过对上述参数的监测来判断厌氧过程的稳定性,其中以pH监测法最为便捷实用。 在厌氧消化过程的生物因子与非生物因子强化实验中,还研究了半连续和间歇厌氧反应动力学模型,包括有机物产气动力学、降解动力学和大肠杆菌死亡动力学。由产气量和反应器的出口浓度模拟或计算,得出了有关动力学参数。35℃时半连续消化(CSTR)反应速率常数为0.119d~(-1),大肠杆菌死亡速率常数为0.69d~(-1)(以消化污泥符合美国A级污泥排放标准为例)。25℃、35℃、55℃的间歇反应速率常数分别为0.013d~(-1)、0.047d~(-1)、0.1254d~(-1);OFMSW厌氧反应的活化能为58.93kJ/mol;大肠杆菌死亡速率常数分别为0.001d~(-1)、0.0256d~(-1)和16.11d~(-1)(以消化污泥符合城镇垃圾农用控制标准GB8172-87要求为例)。 温度对OFMSW厌氧消化的影响与强化结果表明,55℃为最适宜反应温度。55℃时OFMSW平均产气率为180.80mL/gTS,平均甲烷含量为70.0%,消化时间为20d左右;发酵残留物的比产甲烷活性(SMA)为477mLCH_4/gVSS·d,其中大肠杆菌浓度和蛔虫卵的死亡率分别为10~(-3)MPN/g和100%,符合GB8172-87控制标准的卫生要求。


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