在中國,每年約產(chǎn)生約6×107噸餐廚垃圾,是城市生物質(zhì)廢物的主要組成部分。餐廚垃圾中含有大量可生物降解的有機質(zhì),經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生甲烷,在回收清潔能源的同時可實現(xiàn)廢物的減量化和資源化。然而,餐廚垃圾中碳水化合物含量高,生物水解和酸化的速率快,有機酸產(chǎn)生和利率速率不平衡,導致在傳統(tǒng)單相厭氧消化工藝中常出現(xiàn)由有機酸積累而抑制發(fā)酵產(chǎn)氣的現(xiàn)象。由此,開發(fā)適合餐廚垃圾特性的厭氧消化工藝已成為當前技術研發(fā)的熱點問題。本研究通過開展長期連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗,開發(fā)餐廚垃圾高溫產(chǎn)氫和中溫產(chǎn)甲烷的兩相工藝,并同過開展連續(xù)工藝動力學模型、微生物群落結構解析和物料平衡解析工藝效能。本研究所開展的工作主要包括以下三個部分:(1)餐廚垃圾單相生物產(chǎn)氫;(2)餐廚垃圾兩相連續(xù)生物產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷系統(tǒng);(3)基于產(chǎn)甲烷發(fā)酵液回流的兩相發(fā)酵系統(tǒng)。1.研究采用全混式厭氧反應器開展了連續(xù)80天的高溫(55℃)和超高溫(70℃)生物產(chǎn)氫試驗。試驗發(fā)現(xiàn),控制發(fā)酵系統(tǒng)pH在5.5左右時,高溫反應器可實現(xiàn)穩(wěn)定的生物產(chǎn)氫,而在超高溫反應器中沒有觀察到明顯的氫氣產(chǎn)生。在水力停留時間(Hydraulic retention time,HRT)為5d,容積負荷(Organic loading rate,OLR)為14kg-COD/m3d時,高溫反應器產(chǎn)氣的氫氣濃度達到58.6%。批次動力學試驗發(fā)現(xiàn)酸化是餐廚垃圾產(chǎn)氫的控制步驟。2.研究開展了 270天連續(xù)高溫(55℃)產(chǎn)氫和中溫(35℃)產(chǎn)甲烷兩相厭氧發(fā)酵試驗。研究發(fā)現(xiàn),在產(chǎn)氫相HRT為5d、OLR為14kg-COD/m3d和產(chǎn)甲烷相的HRT為15d、OLR為3.2kg-COD/m3d時,系統(tǒng)獲得較優(yōu)的能量回收效率,總的能量回收率達到1113.6MJ/t-FW,氫和甲烷分別占到總回收能量的8.2%和82.5%。乙酸是產(chǎn)氫反應器中的主要產(chǎn)物,濃度達到4.0 g/L。高通量測序的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷古菌以嗜氫產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium占優(yōu),推測產(chǎn)氫反應器的乙酸在甲烷反應器中部分經(jīng)由互營氧化和嗜氫甲烷化路徑生成甲烷。3.在兩相產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷工藝的基礎上,將甲烷反應器的發(fā)酵液回流至產(chǎn)氫相,提供堿度以減少為控制pH而向產(chǎn)氫反應器投加的堿的量。試驗開展了 120天的連續(xù)實驗,考察回流比為0.3,0.5和1.0對系統(tǒng)的影響。結果表明,回流比為0.3,0.5和1.0時,所需要添加的NaOH的量分別減少了 54%、39%和50%。當回流比0.3時系統(tǒng)效能較優(yōu),產(chǎn)氫反應器的最大容積產(chǎn)氣率為3 L-H2/L,產(chǎn)氫率為135L-H2/kg-VSin;產(chǎn)甲烷反應器的最大容積產(chǎn)甲烷率為2.9L-CH4/L,產(chǎn)甲烷率達到510L-CH4/kg-VSin�；亓鲀上嘞到y(tǒng)的產(chǎn)氫能量提高了 8%,產(chǎn)甲烷能量過程減少了 3%,回收的總能量沒有顯著變化�；亓鲀上嘞到y(tǒng)的總固體(TS)去除率和揮發(fā)性固體(VS)的去除率分別達到69%和87%。本研究通過開展長期的連續(xù)發(fā)酵試驗,得出高溫(55℃)生物產(chǎn)氫和中溫(35℃)產(chǎn)甲烷的兩相工藝是一種合適餐廚垃圾厭氧消化的新工藝,并通過甲烷相發(fā)酵液向產(chǎn)氫相的回流降低了產(chǎn)氫的堿投加量,大幅度節(jié)省了成本。兩相發(fā)酵系統(tǒng)實現(xiàn)了較高的有機物去除效果和較高的能源回收率,提供給了氫和甲烷兩種清潔燃料,系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定的運行。
【學位單位】：中國農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：X799.3;S216.4

【參考文獻】

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1 Jey-R Sabado Ventura;Jehoon Lee;Deokjin Jahng;;A comparative study on the alternating mesophilic and thermophilic two-stage anaerobic digestion of food waste[J];Journal of Environmental Sciences;2014年06期

本文編號：2826364