城市生活垃圾厌氧消化的关键生态因子强化研究

【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。