餐厨垃圾厌氧消化产甲烷工艺特性及其微生物学机理研究

【摘要】：餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分,我国餐厨垃圾产生量巨大。餐厨垃圾高含水率、高有机质含量和易降解腐败等特性决定了其既具有严重的污染性,又蕴藏着可观的资源和能源,餐厨垃圾资源化处理与利用成为必然趋势。餐厨垃圾中有机物含量丰富,具有很高的理论产甲烷潜势,采用厌氧消化产甲烷工艺处理餐厨垃圾具有广阔前景。然而在餐厨垃圾厌氧消化工艺中,常存在酸化现象严重、负荷提升困难、垃圾消纳能力与产气效率低下等问题,限制了其工程化应用。本文通过餐厨垃圾批式厌氧消化过程影响因素、半连续厌氧消化工艺在负荷逐步提升过程的效能变化特征,以及微生物群落结构与产甲烷途径的动态变化等方面的研究,从微生物学角度揭示餐厨垃圾厌氧消化系统效能提升与稳定性维持的机制机理,提出并验证餐厨垃圾高温静态两相一体化厌氧消化工艺及其性能,以期为高效稳定的餐厨垃圾厌氧消化工艺开发与应用提供理论依据与技术支撑。论文主要结果如下：1、通过大量批式厌氧消化试验发现：食料比(substrate to inoculum ratio, S/I值)对餐厨垃圾厌氧消化系统启动与产气过程影响重大,其次为总固体(total solid,TS)浓度,而微量元素(铁,钴,镍,硒,钼,钨)添加对系统产甲烷没有明显的促进作用。当S/I≤1, TS浓度在2%-8%范围时,餐厨垃圾中温与高温批式厌氧消化系统均能实现快速启动,累积甲烷产量随S/I的增高而增加,甲烷产率随S/I值的增加而降低,中温与高温系统的最高甲烷产率分别为491.14 mL/g VSadded和520.08 mL/g VSadded (volatile solid, VS)。当S/I=2时,会发生明显的酸化现象,中温与高温系统均出现明显的产气停滞期,停滞期随TS浓度的增加而延长,在TS浓度6%时,中温系统产气微弱,高温系统气体产量随TS浓度增加而增加,但增幅较TS浓度≤6%时而言逐渐变小。当S/I2时,不论TS浓度为多少,中温与高温系统均因酸化严重而难以进入快速产气阶段。综合分析表明,以S/I=1、TS=8%和高温的运行方式进行餐厨垃圾批式厌氧消化启动较快,单位容积消纳垃圾和产气的综合效率最高。2、通过负荷逐步提升试验对比分析了餐厨垃圾中温与高温单相半连续厌氧消化反应器,发现中温反应器具有更好的稳定性和更高的容积产甲烷速率。中温反应器在负荷2.5g VS/(L-d)下实现稳定运行,单位基质产甲烷率达415.9 mL/(g VSadded),单位容积甲烷产率为1039.8 mL/(L·d);高温反应器在负荷为2.0g VS/(L·d)时,VFA(主要是乙酸和丙酸)明显积累的情况下,仍可维持相对稳定的基质甲烷产率(336.3 mL/(g VSadded)和容积甲烷产生速率(772.6 mL/(L-d)),但在负荷升至2.5 g VS/(L·d)时因乙酸和丙酸迅速积累,pH急剧下降,产气几近停滞,系统接近崩溃。3、运用微生物分子生物学技术,对比分析了负荷提升过程中,中温与高温系统微生物群落结构与功能组成变化特征,揭示了中温厌氧消化系统稳定性优于高温系统的微生物学机理。中温系统中细菌群落结构复杂多样,随负荷提升系统发育组成变化距离大,多样性与均匀性指数始终却维持在较高水平,而在高温系统中细菌群落以Thermotoga为绝对优势菌,随负荷提升,系统发育组成变化较小,多样性和均匀性指数则降低。与高温系统相比,中温系统细菌群落功能冗余现象更为明显。古菌群落结构在中温系统中随负荷提升逐渐以Methanosaeta为主导的乙酸发酵型产甲烷古菌为主,而在高温系统中随负荷的提升逐渐转变为以Methanothermobacter和Methanoculleus为代表的氢营养型产甲烷古菌为主。高温系统细菌群落结构相对单一,难以及时调整出能应对负荷提升压力的生态结构；在以氢营养型产甲烷途径为主的代谢过程中需产氢与耗氢菌的共生合作,对环境条件控制要求严格；产酸-产氢-耗氢速率间的不平衡随负荷提升而加剧,最终导致系统失稳。该研究结果可为高效稳定的厌氧消化工艺开发提供理论依据。4、自主设计了一套高温静态两相一体化厌氧消化反应器,在此基础上通过小试试验验证了其运行稳定性和产气效率。两相一体化反应器可有效缓解酸化产物对产甲烷过程的抑制作用,并为微生物间的共生代谢作用提供有利的空间结构。在不同有机负荷条件下,将甲烷相污泥回流至水解酸化相,回流污泥量随负荷提升而增加,使进料pH值保持在6.5-7.0之间,可为水解酸化反应提供可靠的接种微生物和适宜的pH条件。反应器以初始负荷4.67 g VS/L进行启动,并实现在负荷7.00 g VS/L下的稳定运行。在负荷为7.00 g VS/L时,平均单位基质气体与甲烷产率分别为0.79 L/g VSadded和0.33 L/g VSadded,平均容积气体与甲烷产生速率分别为5.54 L/(L·d)和2.32 L/(L·d)。该系统运行控制简单,启动快速,综合效能较高,可为高效稳定的厌氧消化工艺开发与应用提供技术支撑。 【关键词】：餐厨垃圾 厌氧消化 批式 半连续 中温 高温 两相一体化 微生物学机理
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X705
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-11
• ABSTRACT11-17
• 第一章 绪论17-45
• 1.1 餐厨垃圾的来源、特点及其现状17-18
• 1.2 餐厨垃圾资源化处理技术18-27
• 1.2.1 餐厨垃圾饲料化技术18-19
• 1.2.2 餐厨垃圾肥料化技术19-22
• 1.2.3 餐厨垃圾能源化技术22-27
• 1.3 有机垃圾厌氧消化技术研究进展27-41
• 1.3.1 厌氧消化基本原理27-28
• 1.3.2 厌氧消化过程主要影响因素28-32
• 1.3.3 有机垃圾厌氧消化的工艺类型及性能32-37
• 1.3.4 有机垃圾单相厌氧消化系统的效能提升37-40
• 1.3.5 有机垃圾厌氧消化稳定性预警信号40-41
• 1.4 分子生物技术在厌氧消化微生物学研究中的应用41-43
• 1.5 本论文研究意义与主要内容43-45
• 第二章 餐厨垃圾批式厌氧消化产甲烷过程影响因素研究45-71
• 2.1 引言45-46
• 2.2 试验材料与方法46-48
• 2.2.1 基质与接种物46
• 2.2.2 试验设计46-47
• 2.2.3 试验装置47
• 2.2.4 测试方法与分析47-48
• 2.3 试验结果与讨论48-70
• 2.3.1 S/I值对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷过程的影响48-54
• 2.3.2 TS浓度对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷过程的影响54-62
• 2.3.3 微量元素对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷过程的影响62-70
• 2.4 本章小结70-71
• 第三章 餐厨垃圾单相半连续厌氧消化工艺特性及其微生物学机理研究71-109
• 3.1 引言71-72
• 3.2 材料与方法72-78
• 3.2.1 厌氧反应器及运行设计72-74
• 3.2.2 监测指标与分析方法74
• 3.2.3 污泥产甲烷活性测定74-75
• 3.2.4 长链脂肪酸盐的鉴定75
• 3.2.5 微生物群落结构多样性分析75-78
• 3.3 结果与讨论78-109
• 3.3.1 反应器运行性能78-90
• 3.3.2 中温与高温反应器中微生物群落结构多样性变化与比较90-103
• 3.3.3 微生物群落结构多样性与反应器运行性能之间的联系103-109
• 第四章 餐厨垃圾两相一体化厌氧消化反应器运行性能研究109-123
• 4.1 引言109-110
• 4.2 材料与方法110-111
• 4.2.1 反应器与运行设计110-111
• 4.2.2 监测指标与分析方法111
• 4.3 试验结果与讨论111-122
• 4.3.1 产气性能变化111-113
• 4.3.2 出水VFAs与SCOD的变化113-119
• 4.3.3 出水TS,VS与污泥浓度的变化119-120
• 4.3.4 两相一体化厌氧消化餐厨垃圾的运行效能综合分析与评价120-122
• 4.4 本章小结122-123
• 第五章 结论与展望123-127
• 5.1 主要结论123-125
• 5.2 创新点125
• 5.3 不足与展望125-127
• 参考文献127-149
• 作者简介及其在学期间取得的科研成果149

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