【摘要】：能源短缺已成為當今世界面臨的重要問題,開發(fā)和利用可再生能源是解決化石燃料枯竭的重要途徑之一。作為城市污染物之一的餐廚垃圾是厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的良好底物,但餐廚垃圾發(fā)酵過程易酸化,發(fā)酵穩(wěn)定性不高,極易失敗。本研究以餐廚垃圾作為主要發(fā)酵對象,利用實驗室批次發(fā)酵試驗,在分析其單獨發(fā)酵結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用混合發(fā)酵的方法篩選最適合與餐廚垃圾發(fā)酵的底物,進而利用堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)混合原料的初始pH值,探究干擾發(fā)酵液酸堿度對發(fā)酵效果和發(fā)酵前期停滯時間的影響,在此基礎(chǔ)上不斷改變調(diào)控策略及接種物的添加方式,旨在尋去餐廚垃圾混合發(fā)酵高效產(chǎn)氣的工藝要點,同時提升餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程穩(wěn)定性,為厭氧發(fā)酵在城市推廣及解決餐廚垃圾城市污染問題提供理論和實踐依據(jù)。主要結(jié)論如下:(1)餐廚垃圾適宜在35℃下進行厭氧發(fā)酵。不同溫度下餐廚垃圾單獨發(fā)酵結(jié)果表明低溫(25℃)發(fā)酵對餐廚垃圾不可行,高溫(55℃)發(fā)酵易發(fā)生銨態(tài)氮抑制現(xiàn)象,中溫(35℃)發(fā)酵下效果較為穩(wěn)定;餐廚垃圾發(fā)酵過程酸化速度較快,一般1~3天即可完成,揮發(fā)性脂肪酸會迅速產(chǎn)生并達到抑制反應(yīng)進行的濃度,用Ca(OH)2適當調(diào)節(jié)發(fā)酵液的p H值,可起到改善酸化的效果,調(diào)節(jié)后產(chǎn)氣量及發(fā)酵液pH值有上升趨勢。(2)牛糞是最適合與餐廚垃圾進行發(fā)酵的物料。通過4種堿度較高的常見發(fā)酵原料(牛糞、羊糞、雞糞和廢水處理廠剩余污泥)與餐廚垃圾進行不同比例混合發(fā)酵研究,結(jié)果表明,餐廚垃圾與牛糞、羊糞、雞糞、污泥混合發(fā)酵的效果較餐廚垃圾單獨發(fā)酵有所提升,但隨餐廚垃圾比例的升高,發(fā)酵效果變差。當餐廚垃圾比例超過10%,發(fā)酵初始系統(tǒng)的堿度極低,當餐廚垃圾比例超過50%,發(fā)酵易失敗。餐廚垃圾與牛糞1:9混合發(fā)酵總產(chǎn)氣量最高,為17960mL;其次是餐廚垃圾與雞糞1:9混合,總產(chǎn)氣量為11848mL;餐廚垃圾與羊糞、污泥的最佳混合比例為5:5、3:7,產(chǎn)氣量分別為8937mL和9611mL。為了加大餐廚垃圾的處理率,選用餐廚垃圾與牛糞濕重比為5:5進行后續(xù)研究。(3)初始pH(6.5、7.0、7.5)調(diào)控可以提高餐廚垃圾和牛糞混合發(fā)酵的效果。研究發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)餐廚垃圾與牛糞等比例混合發(fā)酵過程的初始pH水平為6.0時,不能起到提高發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)氣量的效果。除此之外,與不調(diào)節(jié)pH相比,產(chǎn)氣量分別提高了1.24~7.54倍。初始p H值為7.5時,發(fā)酵系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量均最高,分別為14559mL和7043mL。(4)不同時期干擾發(fā)酵液pH值(6.5、7.0、7.5、8.0)都可提高混合發(fā)酵的產(chǎn)氣效率,但對發(fā)酵初期停滯時間的改善不明顯。結(jié)果表明,2種調(diào)控方式(酸化過程結(jié)束時調(diào)節(jié)、初始和酸化結(jié)束時聯(lián)合調(diào)節(jié))都可提高餐廚垃圾與牛糞混合發(fā)酵的產(chǎn)氣量,最高沼氣產(chǎn)量可達27447mL,最大甲烷產(chǎn)量可達13723mL,Gompertz模型分析得到的停滯時間差別較大,最短為14天,但pH值調(diào)控方式的改變對縮短總體停滯時間沒有明顯影響。當控制pH水平在7.0和7.5時,甲烷產(chǎn)氣量均可達13000mL以上,但當只調(diào)節(jié)一次pH值且p H水平為6.5時,系統(tǒng)的緩沖能力較差,緩沖時間較長,產(chǎn)氣量偏低。(5)接種物添加方式與pH調(diào)節(jié)聯(lián)合處理可以進一步提高餐廚垃圾與牛糞厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量,縮短發(fā)酵初期的緩沖時間。混合發(fā)酵過程兩種方法聯(lián)合處理后,最高沼氣產(chǎn)量可達25626mL,Gompertz模型預(yù)測的平均滯留時間為19.97天,比僅調(diào)節(jié)初始pH平均滯留時間(26.73)縮短了6.73天,最高VS降解率和COD降解率可分別達到44.97%和99.84%。當發(fā)酵系統(tǒng)酸化較嚴重時,添加沼液和調(diào)節(jié)pH方式都可以在一定程度上提高系統(tǒng)的pH、緩解酸化現(xiàn)狀,調(diào)控次數(shù)越多,系統(tǒng)的pH相應(yīng)越高。在發(fā)酵過程中酸化較嚴重的時期,用新鮮的沼液替換發(fā)酵上清液,可以緩解揮發(fā)性脂肪酸的抑制現(xiàn)象。
[Abstract]:Energy shortage has become an important problem facing the world today. The development and utilization of renewable energy is one of the important ways to solve fossil fuel depletion. As one of the urban pollutants, kitchen waste is a good substrate for biogas production by anaerobic fermentation. Taking kitchen waste as the main fermentation object, using batch fermentation test in laboratory, on the basis of analyzing its individual fermentation results, the substrate suitable for fermentation with kitchen waste was screened by mixed fermentation method, and then the initial pH value of mixed raw materials was adjusted by alkaline substances, and the fermentation effect and development of disturbing acidity and alkalinity of fermentation broth were explored. On the basis of the influence of the stagnation time in the pre-fermentation period, the control strategy and the inoculum addition method were changed continuously to find out the key points of the high-efficiency gas production by mixed fermentation of kitchen waste, and to improve the stability of the anaerobic fermentation process of kitchen waste, so as to provide theory and theory for the promotion of anaerobic fermentation in the city and to solve the problem of pollution of kitchen waste in the city. The main conclusions are as follows: (1) Anaerobic fermentation of kitchen waste is suitable at 35 C. The results show that low temperature (25 C) fermentation is not feasible for kitchen waste, high temperature (55 C) fermentation is prone to ammonium nitrogen inhibition, and the effect is stable at medium temperature (35 C). In general, it can be finished in 1 to 3 days. Volatile fatty acids will be produced quickly and reach the concentration of inhibiting reaction. Using Ca (OH) 2 to adjust the P H value of fermentation broth properly can improve acidification effect. After adjusting, the gas yield and P H value of fermentation broth will increase. (2) Cattle dung is the most suitable material for fermentation with kitchen waste. Mixed fermentation of common fermentation materials with high alkalinity (cow dung, sheep dung, chicken dung and excess sludge from wastewater treatment plant) and kitchen waste was studied. The results showed that the mixed fermentation effect of kitchen waste with cow dung, sheep dung, chicken dung and sludge was better than that of single fermentation of kitchen waste. When the proportion of kitchen waste exceeded 10%, the basicity of the initial fermentation system was extremely low, and the proportion of kitchen waste exceeded 50%. Fermentation was easy to fail. In order to increase the treatment rate of kitchen waste, the ratio of wet weight of kitchen waste to cattle manure was 5:5 For the follow-up study. (3) Initial pH (6.5, 7.0, 7.5) could improve the effect of mixed fermentation of kitchen waste and cattle manure. When the initial pH level was 6.0, the stability and gas yield of the fermentation system could not be improved. In addition, the gas yield was increased by 1.24-7.54 times compared with that without pH regulation. When the initial pH value was 7.5, the methane yield and methane yield of the fermentation system were the highest, which were 14559 mL and 7043 mL, respectively. (4) The pH value of the fermentation broth was disturbed at different stages (6.5, P 7.0, 7.5, 8.0) could improve the gas production efficiency of mixed fermentation, but the stagnation time of initial fermentation was not significantly improved. The results showed that the gas production of mixed fermentation of kitchen waste and cow manure could be increased by the two control modes (at the end of acidification, at the beginning and at the end of acidification), and the maximum methane production could reach 27447 mL and the maximum methane production could be achieved. The output of methane can reach 1372mL, and the stagnation time obtained by Gompertz model is very different, the shortest is 14 days. However, the change of pH regulation mode has no obvious effect on shortening the total stagnation time. (5) The combined treatment of inoculum addition and pH regulation could further increase the methane production of anaerobic fermentation of kitchen waste and cow dung, shorten the buffer time in the initial fermentation stage. The average retention time was 19.97 days, which was 6.73 days shorter than that of the initial pH (26.73). The highest VS degradation rate and COD degradation rate could reach 44.97% and 99.84% respectively. When the fermentation system was acidified seriously, adding biogas slurry and adjusting pH could increase the pH of the system to a certain extent, alleviate the acidification status and control times. The more the pH of the system is, the higher the pH is. During the period of serious acidification, the inhibition of volatile fatty acids can be alleviated by replacing fermentation supernatant with fresh biogas slurry.
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S216.4

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本文編號：2243073