污泥和餐厨废物两相双温发酵产氢产甲烷研究

【摘要】：两相厌氧发酵产氢产甲烷技术可分别对污泥和餐厨废物进行稳定化处理并制备氢气和甲烷。然而,污泥的碳氮比较低且易降解有机质含量低,气体产率通常较低,而餐厨废物易降解有机质含量过高且碱度不足,容易出现过酸现象。本文采用两相双温发酵产氢产甲烷工艺处理污泥和餐厨废物的混合基质,以优化基质营养配比。污泥和餐厨废物混合发酵产氢产甲烷的能量产率高于污泥或餐厨废物单独发酵。餐厨废物在混合基质中的比例为85%时,总能量产率最高,单位质量挥发性有机固体(VS)的能量产率达14.0kJ/g-VSadded。污泥和餐厨废物混合发酵生成的挥发性脂肪酸(VFA)以乙酸和丁酸为主,而污泥单独厌氧发酵VFA的主要成分是乙酸。溶解性多糖在产氢阶段被快速消耗而在产甲烷阶段有所增加。从氨氮和溶解性蛋白质含量的增加可知蛋白质不断地水解。污泥和餐厨废物混合发酵对初始pH值变化具有较强的适应性,初始pH值为5.5-11.0时氢气或甲烷产率在不同初始pH值下无明显差异,只有初始pH值为4.0时产氢过程被抑制。初始pH值为4.0和11.0时,产氢结束时生成的VFA分别以乙酸和丁酸为主。混合基质产氢发酵中,种泥的曝气处理联合高温(55℃)发酵可获得较高的氢气产率并能有效抑制产氢反应器中甲烷菌活性。污泥和餐厨废物两相双温发酵产氢产甲烷联合消化污泥回流的动态试验能够连续稳定地运行120 d以上。当有机负荷率(OLR)为39.6g-VS/L/d,水力停留时间(HRT)为0.8d时,氢气产率最高,为207.5mL/g-VSremoved。当OLR为4.4g-VS/L/d,HRT为6d时,甲烷产率最高,达554.3mL/g-VSremoved。产氢和产甲烷反应器中氢气和甲烷浓度分别为54.5%-60.9%和71.5%-81.3%。产氢过程生成的VFA主要为乙酸和丁酸。两相双温发酵产氢产甲烷工艺在能量产率、产气特性、VS去除率和系统稳定性等诸多方面优于单相发酵产甲烷工艺。此外,两相双温发酵系统更能适应高负荷的运行条件,不仅能够收集氢气并且甲烷产率也得到显著提高。通过高通量测序分析和分子克隆分析均得出,两相双温发酵产氢产甲烷工艺产氢反应器的优势细菌为梭菌纲,产甲烷反应器以甲烷微球纲为主,而单相发酵产甲烷反应器以甲烷杆菌科为主。 【关键词】：两相厌氧发酵 污泥 餐厨废物 混合发酵 产氢 产甲烷
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ920.6;X70
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-32
• 1.1 污泥处理技术11-14
• 1.1.1 污泥的产生及危害11
• 1.1.2 污泥处理工艺11-13
• 1.1.3 污泥与有机质混合厌氧发酵技术13-14
• 1.2 两相厌氧发酵产氢产甲烷技术14-17
• 1.2.1 两相厌氧发酵产氢产甲烷技术特性14
• 1.2.2 两相厌氧发酵产氢产甲烷技术研究进展14-17
• 1.3 生物制氢技术17-27
• 1.3.1 生物制氢技术研究现状17-18
• 1.3.2 暗发酵代谢途径18-21
• 1.3.3 暗发酵制氢影响因素21-27
• 1.4 分子生物学技术在厌氧发酵领域的应用27-30
• 1.4.1 PCR27-28
• 1.4.2 DGGE和分子克隆28-29
• 1.4.3 FISH29
• 1.4.4 高通量测序技术29-30
• 1.5 本课题的研究目的和内容30-32
• 1.5.1 研究目的和意义30
• 1.5.2 研究内容30-32
• 第二章 技术路线、试验材料与分析方法32-43
• 2.1 技术路线32
• 2.2 分析测试方法32-41
• 2.2.1 常规分析测试方法及实验材料33
• 2.2.2 仪器分析方法33-34
• 2.2.3 分子生物学分析法34-41
• 2.3 批式试验中动力学拟合及计算41-43
• 2.3.1 累积氢气和甲烷产量41
• 2.3.2 产气动力学模拟41-42
• 2.3.3 气体产率、最大比产气速率及能量产率42
• 2.3.4 VS去除率42
• 2.3.5 Monod方程拟合42-43
• 第三章 污泥和餐厨废物混合比例的优化43-57
• 3.1 试验材料和方法43-44
• 3.1.1 接种污泥43
• 3.1.2 发酵底物43-44
• 3.1.3 试验方法44
• 3.2 气体产率和能量产率44-49
• 3.2.1 氢气产率和甲烷产率44-48
• 3.2.2 能量产率48-49
• 3.3 液相成分的变化49-52
• 3.3.1 VFA49-50
• 3.3.2 溶解性多糖、溶解性蛋白质和氨氮50-51
• 3.3.3 p H值51-52
• 3.4 气液相的碳足迹分析52-54
• 3.5 VS去除率54-55
• 3.6 COD平衡55-56
• 3.7 小结56-57
• 第四章 初始p H值对两相发酵产氢产甲烷及菌群结构的影响57-71
• 4.1 试验材料与方法57-59
• 4.1.1 接种污泥57
• 4.1.2 发酵底物57-58
• 4.1.3 试验方法58-59
• 4.2 初始p H值对产氢阶段代谢产物及菌群结构的影响59-65
• 4.2.1 氢气产率59-60
• 4.2.2 产氢阶段p H值的变化60-61
• 4.2.3 产氢末端VFA的分布61-62
• 4.2.4 产氢阶段菌群结构分析62-65
• 4.3 产氢阶段初始p H值对产甲烷过程的影响65-68
• 4.3.1 甲烷产率65-66
• 4.3.2 产甲烷过程中VFA的变化66-68
• 4.4 溶解性多糖、蛋白质和氨氮68-69
• 4.5 COD平衡69
• 4.6 小结69-71
• 第五章 产氢相接种污泥预处理方式及发酵温度的影响71-90
• 5.1 试验材料与方法71-73
• 5.1.1 接种污泥71-72
• 5.1.2 发酵底物72
• 5.1.3 试验方法72-73
• 5.2 氢气产量及动力学拟合73-81
• 5.2.1 累积氢气产量的变化73-77
• 5.2.2 厌氧瓶上空气体含量变化77-79
• 5.2.3 Monod方程拟合79-81
• 5.3 产氢末端固液相成分特性81-84
• 5.3.1 p H值81-82
• 5.3.2 VFA组成82-83
• 5.3.3 VS去除率83-84
• 5.4 微生物群落结构分析84-88
• 5.4.1 各样本组分分析84-86
• 5.4.2 聚类分析86-87
• 5.4.3 多样性分析87-88
• 5.5 小结88-90
• 第六章 两相双温发酵产氢产甲烷工艺的运行性能90-109
• 6.1 试验材料与方法90-94
• 6.1.1 接种污泥90-91
• 6.1.2 底物特性91
• 6.1.3 试验方法及运行装置91-94
• 6.2 不同HRT下两相双温混合基质厌氧发酵产氢产甲烷工艺的运行性能94-98
• 6.2.1 产气性能94-96
• 6.2.2 VFA组成96-97
• 6.2.3 VS去除97-98
• 6.3 两相发酵产氢产甲烷工艺与单相发酵产甲烷工艺运行特性比较98-106
• 6.3.1 产气性能98-100
• 6.3.2 能量产率100-101
• 6.3.3 产甲烷阶段VFA代谢特性101
• 6.3.4 有机物去除特性101-104
• 6.3.5 氨氮与碱度104-106
• 6.4 COD平衡106-107
• 6.5 小结107-109
• 第七章 厌氧发酵反应器内微生物群落结构及其演替规律109-131
• 7.1 试验材料与方法109-111
• 7.1.1 分子克隆109
• 7.1.2 高通量测序109-111
• 7.1.3 FISH111
• 7.2 两相发酵工艺高温产氢反应器中细菌菌群结构分析111-121
• 7.2.1 细菌群落结构111-114
• 7.2.2 细菌、古菌及优势产氢菌的分布114-116
• 7.2.3 细菌群落结构的变化116-121
• 7.3 两相和单相发酵产甲烷反应器中古菌菌群结构分析121-130
• 7.3.1 两相发酵工艺产甲烷相古菌菌群结构121-122
• 7.3.2 单相发酵产甲烷反应器古菌菌群结构122
• 7.3.3 两相与单相发酵产甲烷反应器古菌菌群结构的比较122-125
• 7.3.4 古菌群落结构的变化125-130
• 7.4 小结130-131
• 第八章 结论与展望131-135
• 8.1 结论131-133
• 8.2 主要创新点133-134
• 8.3 建议和展望134-135
• 参考文献135-153
• 发表论文和科研情况说明153-154
• 致谢154-155

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