餐厨垃圾厌氧消化特性及调控策略研究

发布时间：2020-05-28 19:48

【摘要】：随着当前社会能源短缺和环境污染问题的日益加剧,厌氧消化以集污染处理、能源回收和生态良性循环为一体的独特优势成为餐厨垃圾处理和资源化利用的首选方法。然而,大量研究表明餐厨垃圾厌氧系统长期运行时极易失衡,且失衡机制尚不明确,同时还缺乏对其消化性能的有效调控策略,严重限制了餐厨垃圾厌氧消化的发展和应用。为了破解以上难题,本论文首先研究了餐厨垃圾的批式和半连续式厌氧消化特性,将系统性能变化与产甲烷菌群落结构和多样性的演化规律进行关联分析,解析了系统运行状态与产甲烷菌群落生态功能之间的交互作用。结果表明,餐厨垃圾半连续式厌氧系统在前50天低负荷(OLR:4 g VS/L·?day、HRT:20 days)运行时相对稳定,而在中等负荷(OLR:6 g VS/L·day、HRT:15 days)运行约65天后,系统性能下降,VFA逐渐累积至26310.8 mg/L, pH值降至4.0以下,VS去除率降至40%以下,产气停止。在系统失衡阶段,丙酸最先累积,浓度从0迅速提高至10000 mg/L以上。丙酸累积是导致VFA抑制的直接原因。在系统长期运行过程中,产甲烷菌群落结构发生了巨大变化,特别是在失衡阶段(Day 129-155),氢营养型产甲烷菌Methanoculleus和Methanobacterium的含量从16.5%和10.7%分别下降至0.2%和2.4%,几乎消失殆尽,H2/C02合成CH4的途径受阻,导致系统氢分压升高,阻碍丙酸代谢,引发丙酸累积。甲烷八叠球菌属的增殖受阻,含量从最初的73.5%下降至4.7%,而甲烷鬃菌属的含量从9.7%上升至80.3%,成为优势菌种。产甲烷菌群落的多样性也不断下降,系统的生态功能逐渐退化,最终反应终止。为了调控餐厨垃圾厌氧系统的性能,本论文考察了垃圾焚烧厂贮坑渗滤液对餐厨垃圾厌氧消化的强化效应,验证了这两种有机废物联合厌氧消化的可行性,并对维持厌氧系统稳定性的关键因素进行了探索。结果表明,贮坑渗滤液对餐厨垃圾批式厌氧消化有显著的强化效应。当批式厌氧系统的初始底物浓度为20-20.5 g VS/L时,基质中添加不同比例的贮坑渗滤液(5.6%、11.2%、22.1%)可使系统达到产气峰值的时间分别缩短2、3、4天,甲烷产量提高1%、10%、16%,VS去除率从72.8%升至74.1%、75.9%、77.6%。当贮坑渗滤液比例为22.1%时,批式系统的性能最优。与贮坑渗滤液联合厌氧消化可以解决餐厨垃圾厌氧系统长期运行稳定性差的难题。联合厌氧系统在低(OLR:4-4.1 g VS/L·day、HRT:20 days)、中(OLR:6.1-6.2 g VS/L·day、HRT:15 days)、高(OLR:8.1-8.3 g VS/L day、HRT:10 days)负荷阶段保持了良好的性能,稳定运行218天。当基质中贮坑渗滤液比例为22.7%时,半连续式系统的甲烷产率为452.2-506.3 mL/g VSadded,甲烷含量为64.2-65.5%,VS去除率为71.6-78.0%,性能最优。添加金属微量元素(Fe:100 mg/L、 Co:2.0 mg/L、Mo:5.0 mg/L、Ni:10.0 mg/L)可以使已失衡的餐厨垃圾厌氧系统恢复稳定,表明缺乏金属微量元素是限制餐厨垃圾厌氧系统稳定性的关键因素。与餐厨垃圾相比,贮坑渗滤液含有更丰富的金属微量元素,能为厌氧微生物补充微量营养素,因而确保了联合厌氧系统良好的性能。本研究提出了一条餐厨垃圾和贮坑渗滤液共处置、共利用的途径及一种通过金属微量元素对已失衡的餐厨垃圾厌氧系统实时恢复的方法。鉴于金属微量元素对厌氧系统的重要作用,本论文对金属微量元素强化餐厨垃圾厌氧消化的影响机制进行了解析。结果表明,金属微量元素对餐厨垃圾批式厌氧系统存在“低促-高抑”效应。Fe、Co、Mo、Ni元素的最佳剂量分别为100、1、5、5 mg/L,系统的甲烷产量比不加金属微量元素时分别提高了11.3%、12.4%、11.6%、14.0%。多种金属微量元素的组合表现出显著的协同效应。Fe(100 mg/L)+Co(1 mg/L)+Mo(5 mg/L) +Ni(5 mg/L)组合的促进效果最好,可使辅酶F420、F430的浓度、甲烷产量比不加金属微量元素时分别提高了52.8%、85.0%、35.5%。金属微量元素对半连续式厌氧系统也有显著的强化效应,影响机制是：其一,维持产甲烷菌群落结构稳定,不仅能确保甲烷八叠球菌属始终优势生长,含量保持在67.2%-87.5%之间,而且能保证氢营养型产甲烷菌的活性维持在一定水平,含量稳定在10%左右；其二,提高产甲烷菌群落的多样性,确保产甲烷菌群落良好的生态功能和对环境变化良好的适应能力。两方面因素共同作用,消除了导致厌氧系统失衡的限制因素,因而显著提高系统性能。投加金属微量元素是调控餐厨垃圾厌氧消化性能的有效策略。本论文的研究表明,餐厨垃圾厌氧系统长期运行的失衡机制是：在反应前期,由接种泥带入的大量金属微量元素足以维持厌氧微生物的生长和代谢活动,系统能在一段时间内维持良好的性能,但由于餐厨垃圾中金属微量元素的含量很低,随着系统持续运行,金属微量元素会不断流失,直至无法满足氢营养型产甲烷菌合成多种金属酶和甲烷八叠球菌属生长和代谢所需时,一方面会使氢营养型产甲烷菌利用H2/CO2合成CH4的代谢途径受阻而活性下降,导致系统氢分压升高,进而抑制丙酸代谢,引发丙酸累积的抑制效应；另一方面会使甲烷八叠球菌属的增殖受限而数量减少,优势菌种变为效率较低的甲烷鬃菌属。两方面因素共同作用,导致厌氧系统失衡。在厌氧消化过程中,金属元素会不断向生物有效性较低的形态转化,反应20天后,Fe、Co、Ni元素的水溶态含量从69.6%、40.0%、85.2%分别下降至12.3%、10.8%、35.5%,酸溶态和可还原态的含量明显增加。Mo元素的水溶态含量从88.8%下降至26.0%,可氧化态的含量从3.4%大幅增加至62.9%,这大大削弱了金属元素的施用效果。因此,为了提高金属元素的施用效果,本研究开展了环境友好型螯合剂EDDS强化金属元素生物有效性及减少金属元素剂量的可行性研究。结果表明,EDDS能在一定程度上阻碍金属元素由生物有效性最高的水溶态向其它形态转化,使反应中期Fe、Co、Mo、Ni元素水溶态的含量提高143.2%、36.4%、23.8%、42.4%,使反应末期水溶态的含量提高96.6%、52.9%、18.2%、69.6%,从而促进产甲烷菌对金属元素的吸收和利用,强化金属元素的施用效果,使辅酶F420和F430的浓度分别提高12.3%和34.2%。通过此方法可以在不显著降低系统性能的前提下,实现金属元素减量50%。本研究提出了一种通过螯合剂EDDS提高金属元素生物有效性的方法。
【图文】：

ｒ°－ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑■１７１逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ＩＩ逡逑色逦Ｓｈａｎｇｈａｉ邋Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ邋Ｓｈｅｎｚｈｅｎ邋Ｎａｎｊｉｎｇ邋Ｓｈｅｎｙａｎｇ逡逑图１．２我国部分城市生活垃圾中餐厨垃圾所占比例（湿重）Ｐ］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏ打邋ｏｆ邋ｆｏｏｄ邋ｗａｓｔｅ邋ｉｎ邋ＭＳＷ邋ｏｆ邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｃｉｔｉｅｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ逡逑从图１．２可切发现，这５个城市的生活垃圾中餐厨垃圾的比例均较高。其中，上海、逡逑广州、深圳和沈阳４个城市中餐厨垃圾占生活垃圾的比例已接近或达到６０％，只有南京逡逑稍低于５０％。可见，目前餐厨垃圾已然成为我国城市生活垃圾的主要成分。逡逑餐厨垃圾占城市生活垃圾的比例受经济发展和人民生活水平的影响较大。同一城市逡逑在不同时期的经济水平不同，其餐厨垃圾占城市生活垃圾的比例也不同。Ｗ我国典型城逡逑市北京为例，其城市生活垃圾成分随时间变化情况如图１．３所示ＵＳｌ。可Ｗ看出，随着经逡逑济的不断发展和人民生活水平的不断提高，北京市城市生活垃圾中餐厨垃圾的比例呈现逡逑出逐渐上升的趋势，目前已达６０％Ｗ上。逡逑ｍ。。。邋５邋灄Ｌ逡逑Ｓ题逡逑■■邋Ｃ邋加邋ｓｔｒｕｃｔ

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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X799


本文编号：2685741