厭氧消化技術(shù)(Anaerobic digestion, AD)是指在厭氧條件下,利用厭氧微生物的生命活動(dòng),將各種有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳等的過程。與好氧生物法相比較,厭氧消化在有機(jī)物的處理與利用方面具有明顯優(yōu)勢(shì),不僅能降解有機(jī)物、解決環(huán)境污染問題,還可以回收生物氣、獲得潔凈能源。廚余和牛糞是國(guó)內(nèi)兩類主要的有機(jī)固體廢物,產(chǎn)量大、污染危害嚴(yán)重,如果不及時(shí)處理,將影響到周圍環(huán)境和居民的健康。采用單獨(dú)厭氧消化處理廚余或者牛糞,容易出現(xiàn)酸化、pH值低、產(chǎn)氣效率不高等問題。本文旨在利用厭氧消化技術(shù)同時(shí)處理兩種廢物,并獲得了較高的生物氣產(chǎn)量,主要研究?jī)?nèi)容如下： 1、首先,分析了廚余組成及其性質(zhì)的差異,并研究了“三餐”廚余批式厭氧消化的產(chǎn)氣性能。研究發(fā)現(xiàn),“三餐”廚余組成及性質(zhì)差別較大,特別是早餐廚余,VS/TS比例、脂肪含量遠(yuǎn)低于午餐和晚餐廚余,但是Na+、Cl-等無(wú)機(jī)鹽離子含量偏高,累積甲烷產(chǎn)量?jī)H為212.2ml/g VS,比午餐／晚餐廚余低36～41%。因此,午餐和晚餐廚余性質(zhì)相近,可以混合進(jìn)行處理,而早餐廚余可消化性能較低,不要摻雜進(jìn)行厭氧消化。 2、其次,比較了中國(guó)和美國(guó)牛糞性質(zhì)上的差異,并研究了不同構(gòu)型反應(yīng)器如完全混合式反應(yīng)器(Completely stirred tank reactor, CSTR)和推流式反應(yīng)器(Plug flow reactor, PFR)厭氧消化牛糞的產(chǎn)氣性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在進(jìn)料濃度為40,80和128g/L時(shí),CSTR的VS去除率比PFR分別提高17.4～21.5%,3.9～21.5%和0.5～5.3%。 3、通過批式厭氧發(fā)酵試驗(yàn),研究了廚余(Kitchen waste, KW)和牛糞(Cattle manure, CM)混合消化的產(chǎn)氣性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),混合消化能夠明顯提高甲烷產(chǎn)量,而且混合消化中可能存在協(xié)同作用。為了探討KW和CM混合消化的協(xié)同作用,進(jìn)一步研究了混合消化中CM所含堿度、氨氮以及KW酸化對(duì)產(chǎn)甲烷的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),CM中的堿度是提高KW消化產(chǎn)氣的主要的原因,尤其在酸化階段,提高堿度可以降低酸化過程對(duì)甲烷菌的抑制,有利于甲烷菌的生存和繁殖。而KW的加入也使得CM的水解效率提高了近2倍,從而為后續(xù)甲烷化提供了更多的基質(zhì),提高了甲烷產(chǎn)量。因此,在KW和CM的混合消化中,KW和CM相互影響,協(xié)同作用,共同提高了甲烷產(chǎn)量。 4、利用兩相消化系統(tǒng)對(duì)KW和CM混合消化的工藝參數(shù)如混合比例、負(fù)荷率和水力停留時(shí)間分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 (1)在混合比例的試驗(yàn)研究中,研究了3種KW和CM混合比例(1：1,2：1和3：1)對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響。研究發(fā)現(xiàn),KW和CM比例為3：1時(shí)混合消化產(chǎn)氣效果最佳,單位VS產(chǎn)甲烷量分別是CM和KW單獨(dú)消化時(shí)的3.8和1.6倍。 (2)在負(fù)荷率的試驗(yàn)研究中,在1.2～6.1g VS/Ld范圍內(nèi)對(duì)KW和CM混合消化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在所研究負(fù)荷率范圍內(nèi),容積產(chǎn)氣率隨著廚余比例增高而增高,但是單位VS產(chǎn)氣量從0.70L/g VS下降到0.58L/gVS。綜合考慮容積產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣量、出水VFA濃度和VFA/TA比值等指標(biāo),認(rèn)為在負(fù)荷率2.2g VS/L-d時(shí)消化效果最好,KW和CM混合比例為1：1。在KW含量較高時(shí)(KW和CM混合比例為3：1和6：1),丙酸濃度在酸化相和甲烷相中較高,可能是潛在的抑制因素。 (3)通過兩相混合消化系統(tǒng),試驗(yàn)研究了13d總HRT下酸化和甲烷化HRT的不同分配(1d+12d,2d+11d和3d+10d)對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明,在總HRT相同的情況下,越容易降解的有機(jī)物所需酸化HRT越短,反之則越長(zhǎng)。TS和VS去除量和容積產(chǎn)氣率之間有著顯著的線性關(guān)系。 (4)通過兩相混合消化系統(tǒng),試驗(yàn)研究了2d酸化HRT下不同甲烷化HRT (2d+8d,2d+lld,2d+14d)下的產(chǎn)氣情況和有機(jī)物去除效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在相同酸化HRT下,甲烷化HRT越長(zhǎng),容積產(chǎn)氣率則越高。 5、通過簡(jiǎn)化兩相模型,研究了廚余和牛糞兩相混合消化的動(dòng)力學(xué)過程,得出了4種不同物料的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。水解速率常數(shù)ki介于0.43～0.83/d之間,隨著廚余比例提高,水解速率常數(shù)也增大；此外,最大生長(zhǎng)速率常數(shù)μm的范圍是0.8～5.0/d,半飽和濃度Ks的范圍為0.11--0.19g C/L。
【學(xué)位單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2008
【中圖分類】：TQ920.6;X705
【文章目錄】：
附表
摘要
ABSTRACT
符號(hào)說(shuō)明
第一章 綜述
    1.1 概述
    1.2 厭氧消化技術(shù)簡(jiǎn)介
        1.2.1 厭氧消化技術(shù)
        1.2.2 與其它處理技術(shù)相比較
    1.3 廚余和牛糞厭氧消化的研究進(jìn)展
        1.3.1 廚余處理的現(xiàn)狀
        1.3.2 牛糞處理的現(xiàn)狀
        1.3.3 混合厭氧消化
        1.3.4 兩相厭氧消化技術(shù)
        1.3.5 存在的問題
    1.4 課題研究目的和意義
        1.4.1 課題研究目的和意義
        1.4.2 課題研究?jī)?nèi)容
第二章 厭氧消化的基本原理
    2.1 厭氧消化的微生物學(xué)
        2.1.1 厭氧消化的階段論
        2.1.2 厭氧消化微生物
        2.1.3 厭氧消化微生物之間的關(guān)系
    2.2 有機(jī)物的厭氧消化代謝過程
    2.3 厭氧消化的影響因素
        2.3.1 含水率或TS濃度
        2.3.2 C/N比
        2.3.3 溫度
        2.3.4 pH值
        2.3.5 堿度
        2.3.6 負(fù)荷率
        2.3.7 水力停留時(shí)間
        2.3.8 接種物濃度
        2.3.9 抑制因素
    2.4 工藝優(yōu)化
    2.5 厭氧消化模型
        2.5.1 厭氧消化模型的三種類型
        2.5.2 厭氧消化模型的基本要素
        2.5.3 兩相厭氧消化模型
第三章 廚余特性及其厭氧消化性能研究
    3.1 材料與方法
        3.1.1 試驗(yàn)原料
        3.1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法
        3.1.3 批式厭氧消化試驗(yàn)
    3.2 結(jié)果與討論
        3.2.1 3種廚余的組成及性質(zhì)
        3.2.2 3種廚余的厭氧消化性能比較
        3.2.3 厭氧消化殘?jiān)姆柿咸匦?br>    3.3 本章小結(jié)
第四章 牛糞特性及其在PFR和CSTR中厭氧消化性能研究
    4.1 材料與方法
        4.1.1 試驗(yàn)原料
        4.1.2 試驗(yàn)裝置
        4.1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
        4.1.4 分析方法
    4.2 結(jié)果與討論
        4.2.1 牛糞特性分析
        4.2.2 PFR反應(yīng)器
        4.2.3 CSTR反應(yīng)器
        4.2.4 PFR和CSTR的性能比較
    4.3 本章小結(jié)
第五章 廚余和牛糞批式混合厭氧消化產(chǎn)氣性能與參數(shù)研究
    5.1 混合消化與單獨(dú)消化的消化性能對(duì)比研究
        5.1.1 材料與方法
        5.1.2 結(jié)果與討論
        5.1.3 小結(jié)
    5.2 混合消化中協(xié)同作用機(jī)理研究
        5.2.1 材料與方法
        5.2.2 結(jié)果與討論
        5.2.3 小結(jié)
第六章 廚余和牛糞兩相混合厭氧消化產(chǎn)氣性能及參數(shù)研究
    6.1 混合比例對(duì)厭氧消化影響
        6.1.1 材料與方法
        6.1.2 結(jié)果與討論
        6.1.3 小結(jié)
    6.2 負(fù)荷率對(duì)厭氧消化影響
        6.2.1 材料與方法
        6.2.2 結(jié)果與討論
        6.2.3 小結(jié)
    6.3 酸化和甲烷化HRT對(duì)厭氧消化影響
        6.3.1 材料與方法
        6.3.2 結(jié)果與討論
        6.3.3 小結(jié)
    6.4 甲烷化HRT對(duì)厭氧消化影響
        6.4.1 材料與方法
        6.4.2 結(jié)果與討論
        6.4.3 小結(jié)
第七章 廚余和牛糞兩相混合厭氧消化動(dòng)力學(xué)分析
    7.1 模型的目的
    7.2 模型的建立
    7.3 物料衡算
    7.4 本章小結(jié)
第八章 結(jié)論與建議
    8.1 結(jié)論
    8.2 存在問題與建議
參考文獻(xiàn)
附錄1
致謝
攻讀博士期間研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
作者和導(dǎo)師簡(jiǎn)介

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2848932