餐厨垃圾两相厌氧发酵氨氮特性与控制方法研究

发布时间：2020-07-15 23:11

【摘要】：餐厨垃圾以有机组分为主,通过厌氧发酵工艺将其转化为氢气、甲烷是能源化处置的重要方式之一。餐厨垃圾厌氧发酵中氮的控制有其重要的特殊性,发酵时有机氮不断氨化,控制对象不稳定,且反应体系内产氢菌和产烷菌特性殊异,协同控制难。本文对餐厨垃圾厌氧发酵独立产氢、独立产烷以及两相联产氢气和甲烷过程中的氨氮抑促特性进行研究,并针对餐厨垃圾厌氧发酵氮抑促特性,研究适于两相厌氧发酵的氨氮调控方法。主要结论如下： 1)获取了氨氮控制水平与餐厨垃圾厌氧发酵氢气生产之间的相关关系。通过联合控制餐厨垃圾与接种污泥配比(Feedstock/Inoculum, F/I)及氨氮水平,可有效抑制产甲烷菌同时促进产氢菌,成功实现厌氧发酵生物制氢。低浓度氨氮对餐厨垃圾厌氧发酵产氢有促进作用。在产氢效果最佳的F/I (F/I=3.9)下,0.5-6.0g/L氨氮添加浓度对氢气生产具有促进作用,氨氮添加浓度为3.5g/L时获得最高氢气产量(121.4mL/gVS),相比未添加氨氮时提高57.3%。高浓度氨氮对餐厨垃圾厌氧发酵产氢有显著的抑制作用。氨氮添加浓度超过6.0g/L开始呈现抑制产氢,7.5和10.0g/L的氨氮添加浓度分别引起氢气产量减少14.3%和58.7%。 2)获取了氨氮以及硝氮联合氨氮控制水平与餐厨垃圾厌氧发酵甲烷生产之间的相关关系。低浓度氨氮对产烷有一定的促进作用,高浓度氨氮对产烷有显著的抑制作用。在6.7g VS/L有机负荷下,氨氮添加浓度为0.5g/L时,甲烷产量提高5.1%；1.54g/L总氨氮浓度(氨氮添加浓度1.0g/L)被认定为氨抑制浓度阈值,氨氮浓度高于该阈值时,甲烷生产呈现受抑制状态,批式产烷过程中需调控总氨氮浓度≤1.54g/L。 在产烷氨氮抑促特性研究基础上,试验评估了应用硝化工艺脱除循环厌氧发酵系统中高浓度氨氮的可行性。通过向厌氧发酵系统投加硝氮和氨氮,模拟发酵余液经硝化处理后回流至发酵系统以稀释氨氮浓度至特定水平。试验发现,在氨氮添加浓度为1.0g/L条件下,100-750mg/L硝氮可提高甲烷产量,但硝氮添加浓度高于1.0g/L时,甲烷生产受到抑制。在带有发酵余液回流的循环厌氧发酵系统中,硝化工艺具有很大的潜力,可用于脱除总氨氮浓度小于2.29g/L餐厨垃圾发酵余液中的氨氮。但当发酵余液中总氨氮浓度高于2.29g/L时,硝化工艺将不再适用于脱除系统中的氨氮,因为氨氮将被硝氮／亚硝氮所替代,而硝氮／亚硝氮在达到一定浓度时同样对产甲烷菌具有抑制作用。 3)比较研究了餐厨垃圾与园林垃圾混合干湿发酵的产气性能及氨氮抑促特性。餐厨垃圾与园林垃圾混合发酵确认具有协同效应,增加原料中餐厨垃圾的百分比可提高甲烷产量,而增加原料中园林垃圾的百分比可缩短发酵保留时间。15%和20%TS干式发酵试验组的甲烷产量高于湿式发酵(5%和10%TS),而当TS含量增至25%时,甲烷产量显著下降。干式发酵反应体系内总氨氮浓度远高于湿式发酵,具有更大的潜力发生氨抑制现象。25%TS干式发酵下总氨氮浓度高达4.2g/L,引发了对产甲烷菌的初始抑制。 餐厨垃圾与园林垃圾混合批式发酵试验中,不同混合配比下最终总氨氮浓度无显著差异。连续发酵试验中,以餐厨垃圾为单一原料发酵系统内的总氨氮浓度远高于以餐厨垃圾混合园林垃圾为原料的试验组,且当总氨氮浓度累积至高于1912mg/L时,甲烷生产受到抑制。在高有机负荷率下,餐厨垃圾与园林垃圾混合发酵相比于餐厨垃圾单一发酵具有更高的稳定性和氨氮耐受性。 4)获取了氨氮控制水平与餐厨垃圾两相厌氧发酵氢烷生产之间的相关关系。控制产氢相有机负荷率为9.4g VS/(L·d),水力停留时间为4d,回流比为1.0,产烷相水力停留时间为20d,成功实现两相联产氢气和甲烷。产氢相氢气产量为47.7mL/g VS,产烷相甲烷产量达335.0mL/g VS.低浓度氨氮(4044mg/L)对产氢相中的氢气生产有一定的促进作用,高浓度氨氮(4044mg/L)对产氢有显著的抑制作用。总氨氮浓度为4256mg/L时,氢气产量减少51.8%,总氨氮浓度为4972mg/L时,氢气生产完全停止,且在高浓度氨氮下,产氢和产酸微生物均遭受严重的氨抑制作用。 产烷相在经受总氨氮浓度低于5800mg/L的急性抑制作用后,可恢复到与受抑制前相当的产气水平。总氨氮浓度高于6200mg/L时,甲烷生产性能只能恢复至低于正常产气的水平。产烷相在长期经受高浓度氨氮(6200mg/L)慢性抑制作用时,甲烷生产受到显著抑制,总氨氮浓度为9836mg/L时,甲烷产量减少53.2%。利用扩展的Monod方程可较好的模拟氨氮对甲烷生产的影响(R2=0.959)。 联合调整水力停留时间、回流比以及利用稳定产气阶段留存的产烷相发酵余液置换发酵内容物,可有效调控两相系统中的总氨氮浓度降低至与氨抑制浓度阈值相当或以下的水平。经总氨氮浓度调控后,产氢相成功恢复氢气生产性能,产烷相在经受氨氮的慢性抑制作用后未能随总氨氮浓度的降低而恢复产气性能。
【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】：X799.3;X705
【图文】：

Stabnikova et al. (2008)在早先混合固液厌氧发酵（hybrid anaerobic solid-liquid,HASL)系统的基础上，增加产酸相发酵余液自回流（图1.1),结果表明产酸相发酵佘液自回流能补充械度以防止产酸相发生过度酸化，保证产院相中更快的营养供给，提高餐厨边圾的发酵效率，且与没有产酸相自回流的系统相比，改进后的系统生产相同量甲院所需的时间减少40%。^__ ^ f■ W^ 图1.1混合固液厌氧发酵系统结构示意图"(a)无产酸相自回流;(b)带有产酸相自回流：1，产酸反应器；2,产院反应器;3，廫动泵;4，湿式气体流量计（Stabnikova etal., 2008)Fig. 1.1 Schematic diagram of the HASL system operated without (a) and with (b) leachaterecirculation in the acidogenic reactor: 1，acidogenic reactor; 2, methanogenic reactor; 3，peristalticpump; 4

勰嘟鈉邢∈停嘹刂频教囟ǖ乤S、VS水平。2.2试验装置2.2.1批式厌氧发酵系统批式厌氧发酵系统由一个反应瓶、一个排水瓶、一套集水烧杯及连接管线组成（图2.1)。反应瓶为厌氧发酵场所，采用0.5 L或1L规格、实际容积为588 mL或1221 mL(扣除瓶塞、加上连接管的体积）的玻璃瓶，内盛装接种污泥和餐厨泣圾。反应瓶中产生的气体通过管线进入排水瓶，排水瓶为11^或21^规格、实际容积为1221 mL或2377-17-

高纯氩气洗气5 min以形成厌氧条件，最后连接排水瓶和集水烧杯，放入水浴锅(DK-S28,上海精宏）（图2.2)开始试验，水浴锅的温度控制在35±1 °C。r…—■———■二一…— 11 filftp]、酬lU J ink反应瓶排水瓶集水烧杯图2.1批式厌氧发酵系统示意图Fig. 2.1 Schematic diagram of batch anaerobic digestion system

本文编号：2757142