【摘要】：隨著當(dāng)前社會能源短缺和環(huán)境污染問題的日益加劇,厭氧消化以集污染處理、能源回收和生態(tài)良性循環(huán)為一體的獨(dú)特優(yōu)勢成為餐廚垃圾處理和資源化利用的首選方法。然而,大量研究表明餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)長期運(yùn)行時(shí)極易失衡,且失衡機(jī)制尚不明確,同時(shí)還缺乏對其消化性能的有效調(diào)控策略,嚴(yán)重限制了餐廚垃圾厭氧消化的發(fā)展和應(yīng)用。為了破解以上難題,本論文首先研究了餐廚垃圾的批式和半連續(xù)式厭氧消化特性,將系統(tǒng)性能變化與產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的演化規(guī)律進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,解析了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與產(chǎn)甲烷菌群落生態(tài)功能之間的交互作用。結(jié)果表明,餐廚垃圾半連續(xù)式厭氧系統(tǒng)在前50天低負(fù)荷(OLR:4 g VS/L·?day、HRT:20 days)運(yùn)行時(shí)相對穩(wěn)定,而在中等負(fù)荷(OLR:6 g VS/L·day、HRT:15 days)運(yùn)行約65天后,系統(tǒng)性能下降,VFA逐漸累積至26310.8 mg/L, pH值降至4.0以下,VS去除率降至40%以下,產(chǎn)氣停止。在系統(tǒng)失衡階段,丙酸最先累積,濃度從0迅速提高至10000 mg/L以上。丙酸累積是導(dǎo)致VFA抑制的直接原因。在系統(tǒng)長期運(yùn)行過程中,產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化,特別是在失衡階段(Day 129-155),氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanoculleus和Methanobacterium的含量從16.5%和10.7%分別下降至0.2%和2.4%,幾乎消失殆盡,H2/C02合成CH4的途徑受阻,導(dǎo)致系統(tǒng)氫分壓升高,阻礙丙酸代謝,引發(fā)丙酸累積。甲烷八疊球菌屬的增殖受阻,含量從最初的73.5%下降至4.7%,而甲烷鬃菌屬的含量從9.7%上升至80.3%,成為優(yōu)勢菌種。產(chǎn)甲烷菌群落的多樣性也不斷下降,系統(tǒng)的生態(tài)功能逐漸退化,最終反應(yīng)終止。為了調(diào)控餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)的性能,本論文考察了垃圾焚燒廠貯坑滲濾液對餐廚垃圾厭氧消化的強(qiáng)化效應(yīng),驗(yàn)證了這兩種有機(jī)廢物聯(lián)合厭氧消化的可行性,并對維持厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素進(jìn)行了探索。結(jié)果表明,貯坑滲濾液對餐廚垃圾批式厭氧消化有顯著的強(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)批式厭氧系統(tǒng)的初始底物濃度為20-20.5 g VS/L時(shí),基質(zhì)中添加不同比例的貯坑滲濾液(5.6%、11.2%、22.1%)可使系統(tǒng)達(dá)到產(chǎn)氣峰值的時(shí)間分別縮短2、3、4天,甲烷產(chǎn)量提高1%、10%、16%,VS去除率從72.8%升至74.1%、75.9%、77.6%。當(dāng)貯坑滲濾液比例為22.1%時(shí),批式系統(tǒng)的性能最優(yōu)。與貯坑滲濾液聯(lián)合厭氧消化可以解決餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性差的難題。聯(lián)合厭氧系統(tǒng)在低(OLR:4-4.1 g VS/L·day、HRT:20 days)、中(OLR:6.1-6.2 g VS/L·day、HRT:15 days)、高(OLR:8.1-8.3 g VS/L day、HRT:10 days)負(fù)荷階段保持了良好的性能,穩(wěn)定運(yùn)行218天。當(dāng)基質(zhì)中貯坑滲濾液比例為22.7%時(shí),半連續(xù)式系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率為452.2-506.3 mL/g VSadded,甲烷含量為64.2-65.5%,VS去除率為71.6-78.0%,性能最優(yōu)。添加金屬微量元素(Fe:100 mg/L、 Co:2.0 mg/L、Mo:5.0 mg/L、Ni:10.0 mg/L)可以使已失衡的餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定,表明缺乏金屬微量元素是限制餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。與餐廚垃圾相比,貯坑滲濾液含有更豐富的金屬微量元素,能為厭氧微生物補(bǔ)充微量營養(yǎng)素,因而確保了聯(lián)合厭氧系統(tǒng)良好的性能。本研究提出了一條餐廚垃圾和貯坑滲濾液共處置、共利用的途徑及一種通過金屬微量元素對已失衡的餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)實(shí)時(shí)恢復(fù)的方法。鑒于金屬微量元素對厭氧系統(tǒng)的重要作用,本論文對金屬微量元素強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧消化的影響機(jī)制進(jìn)行了解析。結(jié)果表明,金屬微量元素對餐廚垃圾批式厭氧系統(tǒng)存在“低促-高抑”效應(yīng)。Fe、Co、Mo、Ni元素的最佳劑量分別為100、1、5、5 mg/L,系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量比不加金屬微量元素時(shí)分別提高了11.3%、12.4%、11.6%、14.0%。多種金屬微量元素的組合表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)。Fe(100 mg/L)+Co(1 mg/L)+Mo(5 mg/L) +Ni(5 mg/L)組合的促進(jìn)效果最好,可使輔酶F420、F430的濃度、甲烷產(chǎn)量比不加金屬微量元素時(shí)分別提高了52.8%、85.0%、35.5%。金屬微量元素對半連續(xù)式厭氧系統(tǒng)也有顯著的強(qiáng)化效應(yīng),影響機(jī)制是：其一,維持產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不僅能確保甲烷八疊球菌屬始終優(yōu)勢生長,含量保持在67.2%-87.5%之間,而且能保證氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的活性維持在一定水平,含量穩(wěn)定在10%左右；其二,提高產(chǎn)甲烷菌群落的多樣性,確保產(chǎn)甲烷菌群落良好的生態(tài)功能和對環(huán)境變化良好的適應(yīng)能力。兩方面因素共同作用,消除了導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)失衡的限制因素,因而顯著提高系統(tǒng)性能。投加金屬微量元素是調(diào)控餐廚垃圾厭氧消化性能的有效策略。本論文的研究表明,餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)長期運(yùn)行的失衡機(jī)制是：在反應(yīng)前期,由接種泥帶入的大量金屬微量元素足以維持厭氧微生物的生長和代謝活動,系統(tǒng)能在一段時(shí)間內(nèi)維持良好的性能,但由于餐廚垃圾中金屬微量元素的含量很低,隨著系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行,金屬微量元素會不斷流失,直至無法滿足氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌合成多種金屬酶和甲烷八疊球菌屬生長和代謝所需時(shí),一方面會使氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌利用H2/CO2合成CH4的代謝途徑受阻而活性下降,導(dǎo)致系統(tǒng)氫分壓升高,進(jìn)而抑制丙酸代謝,引發(fā)丙酸累積的抑制效應(yīng)；另一方面會使甲烷八疊球菌屬的增殖受限而數(shù)量減少,優(yōu)勢菌種變?yōu)樾瘦^低的甲烷鬃菌屬。兩方面因素共同作用,導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)失衡。在厭氧消化過程中,金屬元素會不斷向生物有效性較低的形態(tài)轉(zhuǎn)化,反應(yīng)20天后,Fe、Co、Ni元素的水溶態(tài)含量從69.6%、40.0%、85.2%分別下降至12.3%、10.8%、35.5%,酸溶態(tài)和可還原態(tài)的含量明顯增加。Mo元素的水溶態(tài)含量從88.8%下降至26.0%,可氧化態(tài)的含量從3.4%大幅增加至62.9%,這大大削弱了金屬元素的施用效果。因此,為了提高金屬元素的施用效果,本研究開展了環(huán)境友好型螯合劑EDDS強(qiáng)化金屬元素生物有效性及減少金屬元素劑量的可行性研究。結(jié)果表明,EDDS能在一定程度上阻礙金屬元素由生物有效性最高的水溶態(tài)向其它形態(tài)轉(zhuǎn)化,使反應(yīng)中期Fe、Co、Mo、Ni元素水溶態(tài)的含量提高143.2%、36.4%、23.8%、42.4%,使反應(yīng)末期水溶態(tài)的含量提高96.6%、52.9%、18.2%、69.6%,從而促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌對金屬元素的吸收和利用,強(qiáng)化金屬元素的施用效果,使輔酶F420和F430的濃度分別提高12.3%和34.2%。通過此方法可以在不顯著降低系統(tǒng)性能的前提下,實(shí)現(xiàn)金屬元素減量50%。本研究提出了一種通過螯合劑EDDS提高金屬元素生物有效性的方法。
【圖文】：

ｒ°－ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ逡逑■１７１邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ＩＩ逡逑色邐Ｓｈａｎｇｈａｉ邋Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ邋Ｓｈｅｎｚｈｅｎ邋Ｎａｎｊｉｎｇ邋Ｓｈｅｎｙａｎｇ逡逑圖１．２我國部分城市生活垃圾中餐廚垃圾所占比例（濕重）Ｐ］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏ打邋ｏｆ邋ｆｏｏｄ邋ｗａｓｔｅ邋ｉｎ邋ＭＳＷ邋ｏｆ邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｃｉｔｉｅｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ逡逑從圖１．２可切發(fā)現(xiàn)，這５個(gè)城市的生活垃圾中餐廚垃圾的比例均較高。其中，上海、逡逑廣州、深圳和沈陽４個(gè)城市中餐廚垃圾占生活垃圾的比例已接近或達(dá)到６０％，只有南京逡逑稍低于５０％�？梢�，目前餐廚垃圾已然成為我國城市生活垃圾的主要成分。逡逑餐廚垃圾占城市生活垃圾的比例受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的影響較大。同一城市逡逑在不同時(shí)期的經(jīng)濟(jì)水平不同，其餐廚垃圾占城市生活垃圾的比例也不同。Ｗ我國典型城逡逑市北京為例，其城市生活垃圾成分隨時(shí)間變化情況如圖１．３所示ＵＳｌ�？桑卓闯�，隨著經(jīng)逡逑濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，北京市城市生活垃圾中餐廚垃圾的比例呈現(xiàn)逡逑出逐漸上升的趨勢，目前已達(dá)６０％Ｗ上。逡逑ｍ。。。邋５邋灄Ｌ逡逑Ｓ題逡逑■■邋Ｃ邋加邋ｓｔｒｕｃｔ

圖１．２我國部分城市生活垃圾中餐廚垃圾所占比例（濕重）Ｐ］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏ打邋ｏｆ邋ｆｏｏｄ邋ｗａｓｔｅ邋ｉｎ邋ＭＳＷ邋ｏｆ邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｃｉｔｉｅｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ逡逑從圖１．２可切發(fā)現(xiàn)，這５個(gè)城市的生活垃圾中餐廚垃圾的比例均較高。其中，上海、逡逑廣州、深圳和沈陽４個(gè)城市中餐廚垃圾占生活垃圾的比例已接近或達(dá)到６０％，只有南京逡逑稍低于５０％�？梢�，目前餐廚垃圾已然成為我國城市生活垃圾的主要成分。逡逑餐廚垃圾占城市生活垃圾的比例受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的影響較大。同一城市逡逑在不同時(shí)期的經(jīng)濟(jì)水平不同，其餐廚垃圾占城市生活垃圾的比例也不同。Ｗ我國典型城逡逑市北京為例，，其城市生活垃圾成分隨時(shí)間變化情況如圖１．３所示ＵＳｌ。可Ｗ看出，隨著經(jīng)逡逑濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，北京市城市生活垃圾中餐廚垃圾的比例呈現(xiàn)逡逑出逐漸上升的趨勢，目前已達(dá)６０％Ｗ上。逡逑ｍ。。。邋５邋灄Ｌ逡逑Ｓ題逡逑■■邋Ｃ邋加邋ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ邋ｄｅｂｒｉｓ逡逑Ｍ化}ｃ逡逑—當(dāng)�！义希蹂澹保梗福惯姡保梗梗斑姡保梗梗颠姡保梗梗稿澹玻埃埃板澹玻埃埃插澹玻埃埃�
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X799


本文編號：2685741