厨余和牛粪混合厌氧消化产气性能与工艺参数优化研究

【摘要】厌氧消化技术(Anaerobicdigestion,AD)是指在厌氧条件下,利用厌氧微生物的生命活动,将各种有机物转化为甲烷、二氧化碳等的过程。与好氧生物法相比较,厌氧消化在有机物的处理与利用方面具有明显优势,不仅能降解有机物、解决环境污染问题,还可以回收生物气、获得洁净能源。厨余和牛粪是国内两类主要的有机固体废物,产量大、污染危害严重,如果不及时处理,将影响到周围环境和居民的健康。采用单独厌氧消化处理厨余或者牛粪,容易出现酸化、pH值低、产气效率不高等问题。本文旨在利用厌氧消化技术同时处理两种废物,并获得了较高的生物气产量,主要研究内容如下：1、首先,分析了厨余组成及其性质的差异,并研究了“三餐”厨余批式厌氧消化的产气性能。研究发现,“三餐”厨余组成及性质差别较大,特别是早餐厨余,VS/TS比例、脂肪含量远低于午餐和晚餐厨余,但是Na+、Cl-等无机盐离子含量偏高,累积甲烷产量仅为212.2ml/gVS,比午餐／晚餐厨余低36～41%。因此,午餐和晚餐厨余性质相近,可以混合进行处理,而早餐厨余可消化性能较低,不要掺杂进行厌氧消化。2、其次,比较了中国和美国牛粪性质上的差异,并研究了不同构型反应器如完全混合式反应器(Completelystirredtankreactor,CSTR)和推流式反应器(Plugflowreactor,PFR)厌氧消化牛粪的产气性能。结果发现,在进料浓度为40,80和128g/L时,CSTR的VS去除率比PFR分别提高17.4～21.5%,3.9～21.5%和0.5～5.3%。3、通过批式厌氧发酵试验,研究了厨余(Kitchenwaste,KW)和牛粪(Cattlemanure,CM)混合消化的产气性能。结果发现,混合消化能够明显提高甲烷产量,而且混合消化中可能存在协同作用。为了探讨KW和CM混合消化的协同作用,进一步研究了混合消化中CM所含碱度、氨氮以及KW酸化对产甲烷的影响。结果发现,CM中的碱度是提高KW消化产气的主要的原因,尤其在酸化阶段,提高碱度可以降低酸化过程对甲烷菌的抑制,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,从而为后续甲烷化提供了更多的基质,提高了甲烷产量。因此,在KW和CM的混合消化中,KW和CM相互影响,协同作用,共同提高了甲烷产量。4、利用两相消化系统对KW和CM混合消化的工艺参数如混合比例、负荷率和水力停留时间分别进行了试验研究。(1)在混合比例的试验研究中,研究了3种KW和CM混合比例(1：1,2：1和3：1)对甲烷产量的影响。研究发现,KW和CM比例为3：1时混合消化产气效果最佳,单位VS产甲烷量分别是CM和KW单独消化时的3.8和1.6倍。(2)在负荷率的试验研究中,在1.2～6.1gVS/Ld范围内对KW和CM混合消化进行了试验研究。结果发现,在所研究负荷率范围内,容积产气率随着厨余比例增高而增高,但是单位VS产气量从0.70L/gVS下降到0.58L/gVS。综合考虑容积产气率、VS产气量、出水VFA浓度和VFA/TA比值等指标,认为在负荷率2.2gVS/L-d时消化效果最好,KW和CM混合比例为1：1。在KW含量较高时(KW和CM混合比例为3：1和6：1),丙酸浓度在酸化相和甲烷相中较高,可能是潜在的抑制因素。(3)通过两相混合消化系统,试验研究了13d总HRT下酸化和甲烷化HRT的不同分配(1d+12d,2d+11d和3d+10d)对甲烷产量的影响。结果表明,在总HRT相同的情况下,越容易降解的有机物所需酸化HRT越短,反之则越长。TS和VS去除量和容积产气率之间有着显著的线性关系。(4)通过两相混合消化系统,试验研究了2d酸化HRT下不同甲烷化HRT(2d+8d,2d+lld,2d+14d)下的产气情况和有机物去除效果。结果发现,在相同酸化HRT下,甲烷化HRT越长,容积产气率则越高。5、通过简化两相模型,研究了厨余和牛粪两相混合消化的动力学过程,得出了4种不同物料的动力学参数。水解速率常数ki介于0.43～0.83/d之间,随着厨余比例提高,水解速率常数也增大；此外,最大生长速率常数μm的范围是0.8～5.0/d,半饱和浓度Ks的范围为0.11–0.19gC/L。
【作者】李荣平；
【导师】李秀金；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程，2008，博士
【关键词】两相消化；生物气；厨余(KW)；牛粪(CM)；混合消化；

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