农村混合废物干式厌氧发酵工艺优化及沼渣的综合利用

发布时间：2020-04-27 23:44

【摘要】：干式厌氧消化技术是指在固含率高于15%的条件下,利用专性厌氧菌群或兼性厌氧菌群分解各种有机质,产生沼气的生物处理方法。相较于传统的湿式厌氧发酵,这种方法耗能小、容积产气率高、二次污染小,逐渐成为有机废物处理的新趋势,但也存在需求接种量大、反应时间长、系统易出现酸中毒等问题。本文在前人研究的基础上,针对农村秸秆产生量大,干式厌氧发酵系统不稳定等问题,以农村多元废物(秸秆、畜禽粪便、厨余垃圾)为原料,开展了干式厌氧发酵的工艺优化及发酵残留物沼渣综合利用的研究:(1)以小麦秸秆为研究对象,分别使用不同浓度的酸、碱、尿素、沼液以及秸秆发酵菌剂对其进行预处理,将预处理后的秸秆做扫描电镜并进行干式厌氧发酵,探究了不同预处理方式对小麦秸秆结构与产气性能的影响。分析扫描电镜结果可知不同预处理方式对小麦秸秆的稳定结构均有不同程度的破坏,其中碱液水解处理的破坏最为明显,生物预处理造成的破坏显著低于化学预处理。发酵结果表明2.0%碱液水解与0.5%尿素氨化预处理最优,其TS产气率为210.59 mL/g、195.73 mL/g,容积产气率达到了1.35 m3/m3·d、1.20 m3/m3·d。(2)以小麦秸秆为主要原料,与猪粪、厨余垃圾混合干式厌氧发酵,研究不同接种污泥量对发酵的影响。实验设置六个不同接种比处理组(10%、20%、30%、40%、50%、60%),结果表明除10%接种比处理组,其他处理均能实现正常启动。实验初期,各组pH出现了不同程度的下降,但后期都恢复至正常范围,系统表现出了一定的自我调节能力。综合比较TS产气率、容积产气率、甲烷产量和COD削减率以及应用成本等指标,40%接种量为最优条件,其VS产气率为290.30 mL/g·VS,容积产气率可达1.39 m3/m3·d。(3)以小麦秸秆、猪粪、厨余垃圾为原料,搭建可进行渗滤液回流的干式厌氧发酵系统。研究表明添加Fe、Co、Ni三种微量元素能够提高干式厌氧发酵系统的产气量与系统稳定性。同时采用高通量等测序方法对不同发酵过程中的产甲烷菌进行了检测,分析了产甲烷菌群的群落结构多样性及各群落的演替规律。结果表明添加微量元素能够提高系统中产甲烷菌群的多样性与丰度,并提高甲烷八叠球菌在产甲烷菌中的比例。(4)考虑到冬季北方气候寒冷,而绿色屋顶植物普遍管理粗放,选择在冬季北方室外进行沼渣培育佛甲草实验,以期实现沼渣的资源化利用。实验表明向土壤中添加沼渣不仅实现了沼渣的无害化消纳,还可以在不同程度上改善佛甲草的生长情况,其中包括增加株高与覆盖率,提高分蘖能力与叶绿素总量等。综合分析认为沼渣:砂质壤土=3:5的基质培育出的佛甲草综合品质最优。
【图文】：

厌氧,世代周期,厌氧消化过程,微量气体

（50-70%）、CO2（30-50%）以及其他微量气体(NH3、H2S、H2和 O2等)组成。在整个厌氧消化过程中各类微生物“各司其职又相互影响”，形成复杂多级的生态系统，且不同微生物群落对外界环境变化的敏感度及自身代谢世代周期也各有所不同。目前被业内学者普遍接受的是 Zeikus 于 1929 年提出的厌氧四阶段理论，即水解、发酵、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段(如图 1-1)。

基本类型,有机物,挥发性有机酸,甲烷

因此在厌氧发酵的实际应用中，应该将反应器的 pH 值控制在 6.5-7.8，最佳的 pH 环境应该为 6.8-7.2 左右[16]。（5）挥发性有机酸挥发性有机酸是厌氧发酵过程中重要的中间代谢产物与预警因子。挥发性有机酸产生于酸化过程中，其中乙酸可以直接被甲烷八叠球菌、甲烷囊菌等乙酸营养型产甲烷菌利用。也可以被分解为 H2和 CO2供甲烷杆菌、甲烷鬃菌等氢型产甲烷菌利用产生甲烷。而丙酸、丁酸、异丁酸等小分子有机酸则需要先被产氢产乙酸菌降解为乙酸，，才能参与产甲烷过程。根据末端发酵产物的不同，一般将有机物产酸主要分为丙酸型发酵、丁酸型发酵、乙醇型发酵和混合酸型发酵，其基本过程见图 1-2。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X705;S216.4

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