城市有机生活垃圾高温厌氧消化工艺及沼渣综合利用研究

论文摘要

城市生活垃圾的厌氧消化处理技术是发达国家特别是欧洲近年来积极开发并获得应用的一项新的垃圾生物处理技术,其中如Dranco、Kompogas和Valorga等工艺已经成功实现了工程化运行。本文在国内外已有的研究基础上,对垃圾的分选、消化工艺及机理、沼渣综合利用技术等进行了较为完整、系统的研究,为城市有机生活垃圾的资源化处理与处置探索一条可行的工艺路线。论文主要研究内容及结论如下: 对城市有机生活垃圾厌氧生物处理的基本原理进行了探讨。从热力学角度探讨了氢分压和吉布斯自由能（△G’）的关系及其对厌氧微生物之间互营联合作用的影响,并重点研究了嗜热产甲烷菌的种类和热稳定性机理,分别对有机垃圾水解产酸、产氢产乙酸和产甲烷过程的生物化学途径进行了讨论。 利用自制的小型破碎筛分设备进行了城市生活垃圾的破碎筛分试验,得到可生物降解部分的破碎筛分率约为64.04%。测定并比较了人工分选和机械分选垃圾的物理组成和有机质成分,得到人工分选和机械分选垃圾的可生物降解分率（基于木质素不可降解）分别为72%和64%;理论产气量为0.795 L/gTS和0.733 L/gTS。人工分选和机械分后的有机选垃圾中温（35℃）生物化学甲烷势（BMP）分别为199.1mL CH4/gVS和162.4mL CH4/gVS;高温（55℃）BMP分别为232.4和180.6 mL CH4/gVS。 不同温度条件下新鲜的城市有机生活垃圾（TS=15.5%,稀释或烘干）厌氧消化实验结果表明,反应温度为55℃的垃圾厌氧反应效果最好,有机质平均产气率为287.7mL/gVSadd、CH4平均含量为66.9%、消化启动时间约为1.5d,反应所需时间为15d左右,消化残留物中的大肠杆菌数和蛔虫卵的死亡率分别为10-2和100%,达到城镇垃圾农用控制标准GB8172-87的要求。 温度波动对城市有机生活垃圾高温厌氧消化工艺运行具有重要的影响。论文模拟了由于加热失败而导致高温厌氧消化工艺的反应温度从55℃突降到20℃（约为昆明市平均室内温度）,在低温短期持续时间分别为1h、5h、12h和24h,长期持续时间为15d,然后快速恢复至高温对工艺的影响。结果表明,温度突降后,产气基本停止,总挥发性脂肪酸（VFA）

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 国内外城市生活垃圾状况
• 1.1.1 城市生活垃圾的概念及组成特性
• 1.1.2 城市生活垃圾产生量的影响因素
• 1.1.3 城市生活垃圾的污染问题
• 1.2 城市生活垃圾处理和资源化技术
• 1.3 厌氧消化工艺研究进展
• 1.3.1 厌氧生物处理工艺发展历史
• 1.3.2 城市生活垃圾厌氧消化工艺研究概况
• 1.3.3 湿式/干式厌氧消化工艺
• 1.3.4 单相厌氧消化工艺
• 1.3.5 两相厌氧消化工艺
• 1.3.6 间歇和连续厌氧消化工艺
• 1.4 城市生活垃圾厌氧生物处理影响因素研究进展
• 1.4.1 预处理
• 1.4.2 接种和接种物
• 1.4.3 原料固含率
• 1.4.4 温度和pH值
• 1.4.5 搅拌
• 1.4.6 挥发性脂肪酸和氨氮
• 1.4.7 联合消化
• 1.5 课题研究的目的意义及研究内容
• 1.5.1 课题的提出及研究意义
• 1.5.2 课题研究内容
• 2 城市有机生活垃圾厌氧消化基本原理
• 2.1 概述
• 2.2 厌氧消化微生物学和生态学研究
• 2.2.1 不产甲烷菌
• 2.2.2 产甲烷菌
• 2.2.3 嗜热产甲烷菌及其热稳定性探讨
• 2.2.4 不产甲烷菌与产甲烷菌之间的微生物生态关系
• 2.3 厌氧消化微生物互营联合作用的热力学分析
• 2.3.1 产氢产乙酸菌与耗氢产甲烷菌的互营联合作用
• 2.3.2 氢分压对挥发性脂肪酸降解的影响
• 2.4 厌氧生物处理的生化机理研究
• 2.4.1 有机垃圾水解发酵的生化机理
• 2.4.2 产甲烷过程的生化机理
• 2.5 城市生活垃圾厌氧消化过程动力学研究
• 2.6 本章小结
• 3 实验装置和方法
• 3.1 实验装置
• 3.1.1 城市生活垃圾分选实验装置
• 3.1.2 城市生活垃圾厌氧消化工艺实验装置
• 3.2 分析项目和方法
• 3.2.1 城市生活垃圾分析
• 3.2.2 实验参数分析
• 4 城市生活垃圾分选及厌氧降解特性研究
• 4.1 概述
• 4.2 城市生活垃圾破碎分选研究
• 4.2.1 破碎机与滚筒筛的工艺参数确定
• 4.2.2 城市生活垃圾破碎筛分率
• 4.3 城市有机生活垃圾厌氧降解特性
• 4.3.1 分选后有机垃圾的物理组成
• 4.3.2 理论产气量和可生物降解物质分率
• 4.3.3 有机生活垃圾的生物化学甲烷势
• 4.4 本章小结
• 5 温度对城市有机生活垃圾厌氧消化工艺的影响
• 5.1 概述
• 5.2 不同反应温度下消化工艺研究
• 5.2.1 实验方案
• 5.2.2 不同温度条件下的累积产气量和产气速率
• 5.2.3 不同温度条件下沼气中甲烷含量的变化
• 5.2.4 不同温度条件下pH值的变化
• 5.2.5 温度对消化启动和病原微生物杀灭率的影响
• 5.2.6 讨论
• 5.3 温度突降对高温厌氧消化工艺的影响
• 5.3.1 实验方案
• 5.3.2 产气量和甲烷含量的变化
• 5.3.3 pH值的变化
• 5.3.4 VFA的变化
• 5.3.5 温度突降后持续15天恢复的实验结果
• 5.3.6 讨论
• 5.4 温度突升对高温厌氧消化工艺的影响
• 5.4.1 实验方案
• 5.4.2 产气量和甲烷含量变化
• 5.4.3 pH值变化
• 5.4.4 VFA的变化
• 5.4.5 讨论
• 5.5 有机生活垃圾批式厌氧消化产气动力学模型
• 5.5.1 模型的基本假设
• 5.5.2 厌氧产气动力学模型的建立
• 5.5.3 动力学参数的求解
• 5.5.4 温度对反应速率常数的影响
• 5.6 本章小结
• 6 城市有机生活垃圾高温厌氧消化工艺研究
• 6.1 概述
• 6.2 接种物的选择
• 6.2.1 接种物的基本性质
• 6.2.2 不同接种物对高温厌氧消化启动的影响
• 6.2.3 接种污泥的比产甲烷活性
• 6.2.4 接种物的氨氮抑制值
• 6.3 原料碳氮比对高温厌氧消化产气率的影响
• 6.4 垃圾固含率与接种量
• 6.4.1 固含率为16.4%时的接种量
• 6.4.2 固含率与接种量的相关性
• 6.4.3 不同固含率在最佳接种量条件下的消化实验
• 6.5 垃圾与粪便物料比对高温联合厌氧消化的影响
• 6.5.1 垃圾与粪便联合消化概述
• 6.5.2 实验方案
• 6.5.3 实验结果与讨论
• 6.5.4 讨论
• 6.6 高温联合厌氧消化过程中氮和磷元素含量的变化
• 6.6.1 氮和磷的分析方法简述
• 6.6.2 全氮和全磷在消化过程中的变化
• 6.6.2 速效氮和速效磷在消化过程中的变化
• 6.7 本章小结
• 7 有机垃圾厌氧消化残留物综合利用研究
• 7.1 概述
• 7.2 沼渣的理化性质分析
• 7.2.1 沼渣中主要养分和病原微生物杀灭率
• 7.2.2 沼渣中重金属含量
• 7.3 沼渣制有机-无机复混肥技术
• 7.3.1 有机-无机复混肥生产的理论探讨
• 7.3.2 有机-无机复混肥的配方设计
• 7.3.3 有机-无机复混肥的生产工艺流程
• 7.3.4 沼渣制有机-无机复混肥的养分含量
• 7.4 盆栽花卉施用复混肥的肥效试验
• 7.4.1 试验环境和花卉品种
• 7.4.2 试验方案
• 7.5 试验结果与讨论
• 7.5.1 非洲菊
• 7.5.2 丹丽报春
• 7.5.3 大花马齿苋
• 7.5.4 香石竹
• 7.5.5 金鱼草
• 7.6 本章小结
• 8 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 附录1 沼渣及有机-无机复混肥实物图
• 附录2 攻读博士学位期间工作成绩
• 致谢
• 参考文献