酶促强化水解餐厨废水促进厌氧消化研究

发布时间：2017-10-27 05:11

  本文关键词：酶促强化水解餐厨废水促进厌氧消化研究

  更多相关文章： 厌氧消化 油脂 餐厨废水 脂肪酶预处理 响应面分析

【摘要】：餐厨废水有机质浓度高,且极易腐败酸化产生环境问题。厌氧消化技术能有效去除大部分有机质,并能实现能源的高效回收。但其中高含量的油脂对厌氧产甲烷过程有严重抑制作用,会降低餐厨废水厌氧消化效率及系统的稳定性。本文对华根霉脂肪酶的性质及其对餐厨油脂的水解反应进行研究,以响应面分析得出餐厨油脂最适水解条件;然后采用批次实验研究不同条件下餐厨废水预处理后厌氧消化性能,并确定餐厨废水厌氧消化产甲烷的最适预处理条件;最后考察了连续厌氧膜生物反应器(An MBR)中酶促预处理对餐厨废水厌氧消化效能的影响。主要研究结果如下:(1)从酶用量、水油比、p H和温度四个方面考察了华根霉脂肪酶对餐厨油脂的水解效率。结果表明,酶用量的适宜范围为0.30%~2.00%,水油比为0.30~1.50,p H为7.0~9.0,温度为35.0~50.0 o C。在此基础上,利用响应面分析中的Box-Behnken Design(BBD)进行4因素3水平设计,得到餐厨油脂的最适水解条件:酶用量(油重wt.%)1.15%、水油比(w/w)0.9、p H 8.0、温度42.5 o C,水解率预测值为86.6%,重复实验水解率为88.1±2.2%,与预测值较为接近,表明该响应面模型能对餐厨油脂的水解反应进行较好地预测。(2)为了解决油脂对餐厨废水厌氧消化的影响,对不同条件下(不同外加酶浓度、食微比(F/M)和预处理时间)餐厨废水的厌氧消化性能进行了研究。研究结果表明相比于对照组(0%组),随着外加酶浓度的升高,甲烷日产量二次峰值出现的时间相对延迟,但甲烷累积产量均高于对照组。当外加酶浓度为0.10%、0.50%、1.00%、5.00%和10.00%时,甲烷累积产量分别比对照组增加了124.88%、97.27%、75.06%、66.11%和57.62%,表明加酶预处理有助于提高餐厨废水的甲烷产量,但酶浓度(10.00%)过高对提高甲烷累积产量的优势不明显;体系内挥发性脂肪酸(VFAs)、氨氮(NH4+-N)浓度和脂肪酶活性随外加酶浓度的增加而逐渐升高。在F/M的实验中发现,底物中营养物质浓度过低(F/M 0.25)或过高(F/M 4.00)均不利于产甲烷过程的进行。当F/M为1.00、1.50和2.00时,3组甲烷累积产量随F/M的升高而升高,分别为672.19 m L/g·COD、808.88 m L/g·COD和844.46 m L/g·COD。p H(7.30~8.00)和VFAs均维持在正常水平;NH4+-N呈波动性变化,最大值分别为1716.26 mg/L、1787.78 mg/L和1852.79 mg/L,虽然高于半抑制浓度(1500 mg/L),但此时3组的甲烷日产量仍保持较高水平。预处理时间的长短与油脂水解程度有关,预处理时间(12 h、24 h、36 h、48 h)对甲烷日产量二次峰值出现的时间(第20 d、20 d、21 d、20 d)和甲烷累积产量(798.60 m L/g·COD、761.04 m L/g·COD、755.99 m L/g·COD、823.44 m L/g·COD)的影响较小;预处理时间越短,反应初期,厌氧体系内脂肪酶活性越高。(3)根据外加酶浓度、F/M和预处理时间处理餐厨废水后厌氧消化实验结果,发现各因素的适宜范围分别为0.10%~5.00%、1.00~2.00和0~48 h。以甲烷累积产量为响应值,采用BBD法分析这3个因素对预处理后餐厨废水厌氧消化性能的影响,结果表明各因素的适宜值分别为外加酶浓度0.10%、F/M 1.50、预处理时间48 h,累积产量预测值为700.29 m L/g·COD。重复实验测得实际甲烷累积产量为723.89±46.16 m L/g·COD,在95%置信区间内,与预测值符合。表明响应面分析所得模型能较好地预测外加酶浓度、F/M和预处理时间这三个因素对餐厨废水产甲烷效能的影响。(4)在两组An MBR中研究了加酶预处理对连续餐厨废水厌氧消化效能的影响。以VFAs/碱度的比值为依据提升进水容积负荷,保证了An MBR的稳定运行,两组COD的总去除率维持在95%左右。当容积负荷升至18 kg COD/(m3·d)时,加酶组的沼气产量(600 L/d)比反应器组(540 L/d)提高了11.11%,且加酶组的平均甲烷含量为60%,较反应器组(55%)提高了9.09%,表明酶促预处理能提高沼气产量和沼气中的甲烷含量,提高甲烷转化效率。虽然进水的p H较低,但高污泥浓度和高微生物活性能快速分解VFAs,将厌氧体系内的p H维持在正常水平(7.3~7.8);另外,运行过程中,加酶组VFAs的波动幅度小于反应器组,说明酶促预处理减弱了油脂对微生物的抑制作用,更高的微生物活性有利于维持厌氧体系中的VFAs浓度的稳定。加酶组的膜清洗次数和完整膜污染周期(3次)均低于反应器组(5次),膜污染周期稳定时TMP的平均上升速率更低(6.29 k Pa/d8.75 k Pa/d),说明酶促预处理后进入厌氧罐内的油脂浓度的下降使得油脂在膜表面的黏附作用降低,更有助于减轻膜污染。
【关键词】：厌氧消化 油脂 餐厨废水 脂肪酶预处理 响应面分析
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 国内外研究进展11-15
• 1.2.1 厌氧消化影响因素11-12
• 1.2.2 油脂的厌氧降解途径12-13
• 1.2.3 油脂对厌氧消化的危害13-14
• 1.2.4 油脂的预处理方法14-15
• 1.3 研究目标与内容15-17
• 1.3.1 研究目标15
• 1.3.2 研究内容15-16
• 1.3.3 技术路线16-17
• 第二章 酶促水解餐厨油脂条件优化研究17-27
• 2.1 引言17
• 2.2 试验材料与方法17-18
• 2.2.1 试验材料17
• 2.2.2 试验方法17-18
• 2.2.3 分析方法18
• 2.3 试验结果与讨论18-26
• 2.3.1 华根霉脂肪酶特性分析18-19
• 2.3.2 餐厨油脂水解条件优化19-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 酶促预处理对批次餐厨废水厌氧消化影响研究27-45
• 3.1 引言27
• 3.2 试验材料与方法27-29
• 3.2.1 试验材料27-28
• 3.2.2 试验装置28
• 3.2.3 试验设置28-29
• 3.2.4 分析方法29
• 3.3 试验结果与讨论29-43
• 3.3.1 外加脂肪酶浓度对餐厨废水批次厌氧消化特性的影响29-33
• 3.3.2 F/M对餐厨废水批次厌氧消化特性的影响33-36
• 3.3.3 预处理时间对餐厨废水批次厌氧消化特性的影响36-40
• 3.3.4 响应面分析餐厨废水厌氧消化过程40-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 酶促预处理对连续AnMBR处理餐厨废水厌氧消化性能研究45-54
• 4.1 引言45
• 4.2 试验材料与方法45-47
• 4.2.1 试验材料45
• 4.2.2 试验装置45-46
• 4.2.3 试验方法46
• 4.2.4 分析方法46-47
• 4.3 试验结果与讨论47-52
• 4.3.1 厌氧体系中容积负荷的变化47
• 4.3.2 厌氧体系中COD的变化47-48
• 4.3.3 厌氧体系中沼气产量和甲烷含量的变化48-49
• 4.3.4 厌氧体系中pH、VFAs浓度和碱度的变化49-50
• 4.3.5 厌氧体系中脱氢酶活性和脂肪酶活性的变化50-51
• 4.3.6 厌氧体系中TMP和膜通量的变化51-52
• 4.4 本章小结52-54
• 主要结论与展望54-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-63
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文63

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