【摘要】：餐廚垃圾以有機組分為主,通過厭氧發(fā)酵工藝將其轉(zhuǎn)化為氫氣、甲烷是能源化處置的重要方式之一。餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中氮的控制有其重要的特殊性,發(fā)酵時有機氮不斷氨化,控制對象不穩(wěn)定,且反應體系內(nèi)產(chǎn)氫菌和產(chǎn)烷菌特性殊異,協(xié)同控制難。本文對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵獨立產(chǎn)氫、獨立產(chǎn)烷以及兩相聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷過程中的氨氮抑促特性進行研究,并針對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵氮抑促特性,研究適于兩相厭氧發(fā)酵的氨氮調(diào)控方法。主要結(jié)論如下： 1)獲取了氨氮控制水平與餐廚垃圾厭氧發(fā)酵氫氣生產(chǎn)之間的相關關系。通過聯(lián)合控制餐廚垃圾與接種污泥配比(Feedstock/Inoculum, F/I)及氨氮水平,可有效抑制產(chǎn)甲烷菌同時促進產(chǎn)氫菌,成功實現(xiàn)厭氧發(fā)酵生物制氫。低濃度氨氮對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫有促進作用。在產(chǎn)氫效果最佳的F/I (F/I=3.9)下,0.5-6.0g/L氨氮添加濃度對氫氣生產(chǎn)具有促進作用,氨氮添加濃度為3.5g/L時獲得最高氫氣產(chǎn)量(121.4mL/gVS),相比未添加氨氮時提高57.3%。高濃度氨氮對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫有顯著的抑制作用。氨氮添加濃度超過6.0g/L開始呈現(xiàn)抑制產(chǎn)氫,7.5和10.0g/L的氨氮添加濃度分別引起氫氣產(chǎn)量減少14.3%和58.7%。 2)獲取了氨氮以及硝氮聯(lián)合氨氮控制水平與餐廚垃圾厭氧發(fā)酵甲烷生產(chǎn)之間的相關關系。低濃度氨氮對產(chǎn)烷有一定的促進作用,高濃度氨氮對產(chǎn)烷有顯著的抑制作用。在6.7g VS/L有機負荷下,氨氮添加濃度為0.5g/L時,甲烷產(chǎn)量提高5.1%；1.54g/L總氨氮濃度(氨氮添加濃度1.0g/L)被認定為氨抑制濃度閾值,氨氮濃度高于該閾值時,甲烷生產(chǎn)呈現(xiàn)受抑制狀態(tài),批式產(chǎn)烷過程中需調(diào)控總氨氮濃度≤1.54g/L。 在產(chǎn)烷氨氮抑促特性研究基礎上,試驗評估了應用硝化工藝脫除循環(huán)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中高濃度氨氮的可行性。通過向厭氧發(fā)酵系統(tǒng)投加硝氮和氨氮,模擬發(fā)酵余液經(jīng)硝化處理后回流至發(fā)酵系統(tǒng)以稀釋氨氮濃度至特定水平。試驗發(fā)現(xiàn),在氨氮添加濃度為1.0g/L條件下,100-750mg/L硝氮可提高甲烷產(chǎn)量,但硝氮添加濃度高于1.0g/L時,甲烷生產(chǎn)受到抑制。在帶有發(fā)酵余液回流的循環(huán)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中,硝化工藝具有很大的潛力,可用于脫除總氨氮濃度小于2.29g/L餐廚垃圾發(fā)酵余液中的氨氮。但當發(fā)酵余液中總氨氮濃度高于2.29g/L時,硝化工藝將不再適用于脫除系統(tǒng)中的氨氮,因為氨氮將被硝氮／亞硝氮所替代,而硝氮／亞硝氮在達到一定濃度時同樣對產(chǎn)甲烷菌具有抑制作用。 3)比較研究了餐廚垃圾與園林垃圾混合干濕發(fā)酵的產(chǎn)氣性能及氨氮抑促特性。餐廚垃圾與園林垃圾混合發(fā)酵確認具有協(xié)同效應,增加原料中餐廚垃圾的百分比可提高甲烷產(chǎn)量,而增加原料中園林垃圾的百分比可縮短發(fā)酵保留時間。15%和20%TS干式發(fā)酵試驗組的甲烷產(chǎn)量高于濕式發(fā)酵(5%和10%TS),而當TS含量增至25%時,甲烷產(chǎn)量顯著下降。干式發(fā)酵反應體系內(nèi)總氨氮濃度遠高于濕式發(fā)酵,具有更大的潛力發(fā)生氨抑制現(xiàn)象。25%TS干式發(fā)酵下總氨氮濃度高達4.2g/L,引發(fā)了對產(chǎn)甲烷菌的初始抑制。 餐廚垃圾與園林垃圾混合批式發(fā)酵試驗中,不同混合配比下最終總氨氮濃度無顯著差異。連續(xù)發(fā)酵試驗中,以餐廚垃圾為單一原料發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的總氨氮濃度遠高于以餐廚垃圾混合園林垃圾為原料的試驗組,且當總氨氮濃度累積至高于1912mg/L時,甲烷生產(chǎn)受到抑制。在高有機負荷率下,餐廚垃圾與園林垃圾混合發(fā)酵相比于餐廚垃圾單一發(fā)酵具有更高的穩(wěn)定性和氨氮耐受性。 4)獲取了氨氮控制水平與餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵氫烷生產(chǎn)之間的相關關系�？刂飘a(chǎn)氫相有機負荷率為9.4g VS/(L·d),水力停留時間為4d,回流比為1.0,產(chǎn)烷相水力停留時間為20d,成功實現(xiàn)兩相聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷。產(chǎn)氫相氫氣產(chǎn)量為47.7mL/g VS,產(chǎn)烷相甲烷產(chǎn)量達335.0mL/g VS.低濃度氨氮(4044mg/L)對產(chǎn)氫相中的氫氣生產(chǎn)有一定的促進作用,高濃度氨氮(4044mg/L)對產(chǎn)氫有顯著的抑制作用�？偘钡獫舛葹�4256mg/L時,氫氣產(chǎn)量減少51.8%,總氨氮濃度為4972mg/L時,氫氣生產(chǎn)完全停止,且在高濃度氨氮下,產(chǎn)氫和產(chǎn)酸微生物均遭受嚴重的氨抑制作用。 產(chǎn)烷相在經(jīng)受總氨氮濃度低于5800mg/L的急性抑制作用后,可恢復到與受抑制前相當?shù)漠a(chǎn)氣水平�？偘钡獫舛雀哂�6200mg/L時,甲烷生產(chǎn)性能只能恢復至低于正常產(chǎn)氣的水平。產(chǎn)烷相在長期經(jīng)受高濃度氨氮(6200mg/L)慢性抑制作用時,甲烷生產(chǎn)受到顯著抑制,總氨氮濃度為9836mg/L時,甲烷產(chǎn)量減少53.2%。利用擴展的Monod方程可較好的模擬氨氮對甲烷生產(chǎn)的影響(R2=0.959)。 聯(lián)合調(diào)整水力停留時間、回流比以及利用穩(wěn)定產(chǎn)氣階段留存的產(chǎn)烷相發(fā)酵余液置換發(fā)酵內(nèi)容物,可有效調(diào)控兩相系統(tǒng)中的總氨氮濃度降低至與氨抑制濃度閾值相當或以下的水平。經(jīng)總氨氮濃度調(diào)控后,產(chǎn)氫相成功恢復氫氣生產(chǎn)性能,產(chǎn)烷相在經(jīng)受氨氮的慢性抑制作用后未能隨總氨氮濃度的降低而恢復產(chǎn)氣性能。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：X799.3;X705
【圖文】：

Stabnikova et al. (2008)在早先混合固液厭氧發(fā)酵（hybrid anaerobic solid-liquid,HASL)系統(tǒng)的基礎上，增加產(chǎn)酸相發(fā)酵余液自回流（圖1.1),結(jié)果表明產(chǎn)酸相發(fā)酵佘液自回流能補充械度以防止產(chǎn)酸相發(fā)生過度酸化，保證產(chǎn)院相中更快的營養(yǎng)供給，提高餐廚邊圾的發(fā)酵效率，且與沒有產(chǎn)酸相自回流的系統(tǒng)相比，改進后的系統(tǒng)生產(chǎn)相同量甲院所需的時間減少40%。^__ ^ f■ W^ 圖1.1混合固液厭氧發(fā)酵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖"(a)無產(chǎn)酸相自回流;(b)帶有產(chǎn)酸相自回流：1，產(chǎn)酸反應器；2,產(chǎn)院反應器;3，廫動泵;4，濕式氣體流量計（Stabnikova etal., 2008)Fig. 1.1 Schematic diagram of the HASL system operated without (a) and with (b) leachaterecirculation in the acidogenic reactor: 1，acidogenic reactor; 2, methanogenic reactor; 3，peristalticpump; 4

勰嘟鈉邢∈停嘹刂頻教囟ǖ乤S、VS水平。2.2試驗裝置2.2.1批式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)批式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)由一個反應瓶、一個排水瓶、一套集水燒杯及連接管線組成（圖2.1)。反應瓶為厭氧發(fā)酵場所，采用0.5 L或1L規(guī)格、實際容積為588 mL或1221 mL(扣除瓶塞、加上連接管的體積）的玻璃瓶，內(nèi)盛裝接種污泥和餐廚泣圾。反應瓶中產(chǎn)生的氣體通過管線進入排水瓶，排水瓶為11^或21^規(guī)格、實際容積為1221 mL或2377-17-

高純氬氣洗氣5 min以形成厭氧條件，最后連接排水瓶和集水燒杯，放入水浴鍋(DK-S28,上海精宏）（圖2.2)開始試驗，水浴鍋的溫度控制在35±1 °C。r…—■———■二一…— 11 filftp]、酬lU J ink反應瓶排水瓶集水燒杯圖2.1批式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)示意圖Fig. 2.1 Schematic diagram of batch anaerobic digestion system

本文編號：2757142