厨余和牛粪混合厌氧消化产气性能与工艺参数优化研究

论文摘要

厌氧消化技术（Anaerobic digestion, 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/g VS,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（Completely stirred tank reactor, CSTR）和推流式反应器（Plug flow reactor, 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（Kitchen waste, KW）和牛粪（Cattle manure, 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1.2～6.1g VS/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/g VS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2.2g VS/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--0.19g C/L。

论文目录

• 附表
• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 综述
• 1.1 概述
• 1.2 厌氧消化技术简介
• 1.2.1 厌氧消化技术
• 1.2.2 与其它处理技术相比较
• 1.3 厨余和牛粪厌氧消化的研究进展
• 1.3.1 厨余处理的现状
• 1.3.2 牛粪处理的现状
• 1.3.3 混合厌氧消化
• 1.3.4 两相厌氧消化技术
• 1.3.5 存在的问题
• 1.4 课题研究目的和意义
• 1.4.1 课题研究目的和意义
• 1.4.2 课题研究内容
• 第二章 厌氧消化的基本原理
• 2.1 厌氧消化的微生物学
• 2.1.1 厌氧消化的阶段论
• 2.1.2 厌氧消化微生物
• 2.1.3 厌氧消化微生物之间的关系
• 2.2 有机物的厌氧消化代谢过程
• 2.3 厌氧消化的影响因素
• 2.3.1 含水率或TS浓度
• 2.3.2 C/N比
• 2.3.3 温度
• 2.3.4 pH值
• 2.3.5 碱度
• 2.3.6 负荷率
• 2.3.7 水力停留时间
• 2.3.8 接种物浓度
• 2.3.9 抑制因素
• 2.4 工艺优化
• 2.5 厌氧消化模型
• 2.5.1 厌氧消化模型的三种类型
• 2.5.2 厌氧消化模型的基本要素
• 2.5.3 两相厌氧消化模型
• 第三章 厨余特性及其厌氧消化性能研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验原料
• 3.1.2 测定项目及方法
• 3.1.3 批式厌氧消化试验
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 3种厨余的组成及性质
• 3.2.2 3种厨余的厌氧消化性能比较
• 3.2.3 厌氧消化残渣的肥料特性
• 3.3 本章小结
• 第四章 牛粪特性及其在PFR和CSTR中厌氧消化性能研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验原料
• 4.1.2 试验装置
• 4.1.3 试验设计
• 4.1.4 分析方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 牛粪特性分析
• 4.2.2 PFR反应器
• 4.2.3 CSTR反应器
• 4.2.4 PFR和CSTR的性能比较
• 4.3 本章小结
• 第五章 厨余和牛粪批式混合厌氧消化产气性能与参数研究
• 5.1 混合消化与单独消化的消化性能对比研究
• 5.1.1 材料与方法
• 5.1.2 结果与讨论
• 5.1.3 小结
• 5.2 混合消化中协同作用机理研究
• 5.2.1 材料与方法
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.2.3 小结
• 第六章 厨余和牛粪两相混合厌氧消化产气性能及参数研究
• 6.1 混合比例对厌氧消化影响
• 6.1.1 材料与方法
• 6.1.2 结果与讨论
• 6.1.3 小结
• 6.2 负荷率对厌氧消化影响
• 6.2.1 材料与方法
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.2.3 小结
• 6.3 酸化和甲烷化HRT对厌氧消化影响
• 6.3.1 材料与方法
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.3.3 小结
• 6.4 甲烷化HRT对厌氧消化影响
• 6.4.1 材料与方法
• 6.4.2 结果与讨论
• 6.4.3 小结
• 第七章 厨余和牛粪两相混合厌氧消化动力学分析
• 7.1 模型的目的
• 7.2 模型的建立
• 7.3 物料衡算
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 存在问题与建议
• 参考文献
• 附录1
• 致谢
• 攻读博士期间研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介