餐厨废弃物厌氧发酵特性研究

【摘要】随着人们生活水平的提高,我国餐厨废弃物的产量日益增加。大量的餐厨废弃物如果得不到及时有效地处理就会对生态环境及人类健康造成严重的影响。厌氧发酵技术处理餐厨废弃物既能获得生物质能源沼气又能减轻其造成的环境污染,是解决我国能源紧缺和环境污染问题的有效的手段。目前国内外学者已经开展了针对餐厨废弃物厌氧发酵的研究,根据以往研究,餐厨废弃厌氧发酵有机负荷一般不能超过3kgVS·m-3·d-1,有机负荷过高会导致发酵失败。这是由于餐厨废弃物易降解有机质含量高,发酵时酸化速度快,在发酵过程中难以实现酸碱平衡而导致酸败。有机负荷的制约致使厌氧发酵反应器的容积利用率低,无法实现餐厨废弃物的稳定高效产甲烷,因此,探讨提高餐厨废弃厌氧发酵有机负荷的工艺途径,对提高反应器的容积利用率具有重要意义。为了获得提高餐厨废弃物厌氧发酵有机负荷的工艺路线,本研究首先深入研究了餐厨废弃物中三大主要有机成分淀粉、蛋白质和脂肪单独厌氧发酵特性及其产甲烷潜力,并在此基础上采用混料试验设计探讨有机成分组成对产气性能的影响,并确定适宜的有机成分配比；其次针对餐厨废弃物厌氧发酵过程中容易酸化,反应器难以顺利启动的问题,以单因素试验结果为基础,通过响应曲面法考察接种比例、浓度和温度影响因子对餐厨废弃物厌氧发酵启动过程的交互作用,优化其工艺参数并确定启动条件；再次为了实现对餐厨废弃物的连续稳定产甲烷,以提高厌氧发酵反应器利用效率为目标,在考察半连续式单相厌氧发酵时有机负荷对餐厨废弃物厌氧发酵过程中产酸和产甲烷的影响规律基础上,确定了采用两相污泥回流工艺处理餐厨废弃物,实现了产酸相丁酸型定向酸化,同时产甲烷相中的碱度和微生物的数量显著增加,大大提高了厌氧发酵处理餐厨废弃物的效率。本文主要研究内容及成果如下：(1)研究发现以餐厨废弃物为原料进行厌氧发酵时,其三种主要成分脂肪、淀粉、蛋白质的比例影响发酵过程的进行,比例不当时,会受到长链脂肪酸、挥发性脂肪酸和氨氮的不同程度抑制。当三种有机成分比例适当时,可以发生协同促进作用,有效避免中间代谢产物的抑制,从而可适当提高有机负荷。经优化得最优混合配比为脂肪：淀粉：蛋白质等于36：30：33,此时VS产甲烷率、VS降解率分别为451.36和79.62%。实际的餐厨废弃物蛋白质含量偏低、淀粉的含量偏高,为了实现餐厨废弃物高负荷厌氧发酵,应采取与含氮量较高的原料混合发酵。与最优混合比例相比,实际的餐厨废弃物蛋白质含量偏低、淀粉的含量偏高。(2)餐厨废弃物厌氧发酵过程中容易产乳酸,乳酸菌主要是餐厨废弃物自身携带。乳酸在厌氧发酵过程中降解率最高,主要转化为乙酸和丙酸,两者的比例接近1：3。乳酸负荷在1Ommol·L-1·d-1的运行条件下发酵30d后厌氧体系也出现了缓冲能力不足的现象,其根源是乳酸降解后所产丙酸在厌氧体系内不能及时转化造成累积,因此应尽量避免丙酸和乳酸进入到厌氧体系。(3)餐厨废弃物厌氧发酵启动试验研究结果。在接种比例小于50：50,体系pH在5.5以下,厌氧体系酸化；当接种比例大于50：50,体系pH维持在7.0以上时,产气状态良好,甲烷含量能达到60%。应用响应曲面法中的Box-Behnken设计,以回归模型为基础,对原料浓度、温度和接种率水平组合进行多目标优化,最终确定最优的工艺参数如下：原料浓度为5%、温度为35℃、接种率为65%。在最优条件下,经试验验证得到了与预测值相吻合的结果,VS产甲烷率、VS降解率平均值分别为469.87mL/g和81.95%。(4)在批式启动试验的基础上,探讨单相厌氧发酵时有机负荷对厌氧发酵各阶段间的平衡影响。当有机负荷小于4kg·m-3·d-1时,体系以产甲烷发酵为主。当有机负荷大于4kgVS·m-3·d-1时,厌氧体系主要以产酸发酵为主。pH小于5.5时为乙酸型发酵,pH在5.0左右为丁酸型发酵,pH在4.5以下为乳酸型发酵。(5)两相污泥回流发酵系统延长了污泥停留时间,所能承受的有机负荷为7.36kgVS·m-3·d-1；此负荷下平均VS甲烷产率为399.95mL·g-1。厌氧体系内的挥发性固体浓度和所能承受的有机负荷之间存在指数函数关系,关系式为y=1.61e0.23x(相关系数R2=0.99187,P<0.0001),其中x代表有机负荷、y代表挥发性固体浓度。由此推断湿法发酵所能承受的最大有机负荷为8kgVS·m-3·d-1。
【作者】刘丹；
【导师】李文哲；
【作者基本信息】东北农业大学，生物质转化与利用工程，2014，博士
【关键词】餐厨废弃物；厌氧发酵；甲烷；污泥回流；两相；

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