餐厨垃圾连续两阶段厌氧产氢产甲烷的研究

发布时间：2020-09-24 22:28

　　在中国,每年约产生约6×107吨餐厨垃圾,是城市生物质废物的主要组成部分。餐厨垃圾中含有大量可生物降解的有机质,经厌氧消化产生甲烷,在回收清洁能源的同时可实现废物的减量化和资源化。然而,餐厨垃圾中碳水化合物含量高,生物水解和酸化的速率快,有机酸产生和利率速率不平衡,导致在传统单相厌氧消化工艺中常出现由有机酸积累而抑制发酵产气的现象。由此,开发适合餐厨垃圾特性的厌氧消化工艺已成为当前技术研发的热点问题。本研究通过开展长期连续厌氧发酵试验,开发餐厨垃圾高温产氢和中温产甲烷的两相工艺,并同过开展连续工艺动力学模型、微生物群落结构解析和物料平衡解析工艺效能。本研究所开展的工作主要包括以下三个部分:(1)餐厨垃圾单相生物产氢;(2)餐厨垃圾两相连续生物产氢和产甲烷系统;(3)基于产甲烷发酵液回流的两相发酵系统。1.研究采用全混式厌氧反应器开展了连续80天的高温(55℃)和超高温(70℃)生物产氢试验。试验发现,控制发酵系统pH在5.5左右时,高温反应器可实现稳定的生物产氢,而在超高温反应器中没有观察到明显的氢气产生。在水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)为5d,容积负荷(Organic loading rate,OLR)为14kg-COD/m3d时,高温反应器产气的氢气浓度达到58.6%。批次动力学试验发现酸化是餐厨垃圾产氢的控制步骤。2.研究开展了 270天连续高温(55℃)产氢和中温(35℃)产甲烷两相厌氧发酵试验。研究发现,在产氢相HRT为5d、OLR为14kg-COD/m3d和产甲烷相的HRT为15d、OLR为3.2kg-COD/m3d时,系统获得较优的能量回收效率,总的能量回收率达到1113.6MJ/t-FW,氢和甲烷分别占到总回收能量的8.2%和82.5%。乙酸是产氢反应器中的主要产物,浓度达到4.0 g/L。高通量测序的发现产甲烷古菌以嗜氢产甲烷菌Methanobacterium占优,推测产氢反应器的乙酸在甲烷反应器中部分经由互营氧化和嗜氢甲烷化路径生成甲烷。3.在两相产氢产甲烷工艺的基础上,将甲烷反应器的发酵液回流至产氢相,提供碱度以减少为控制pH而向产氢反应器投加的碱的量。试验开展了 120天的连续实验,考察回流比为0.3,0.5和1.0对系统的影响。结果表明,回流比为0.3,0.5和1.0时,所需要添加的NaOH的量分别减少了 54%、39%和50%。当回流比0.3时系统效能较优,产氢反应器的最大容积产气率为3 L-H2/L,产氢率为135L-H2/kg-VSin;产甲烷反应器的最大容积产甲烷率为2.9L-CH4/L,产甲烷率达到510L-CH4/kg-VSin。回流两相系统的产氢能量提高了 8%,产甲烷能量过程减少了 3%,回收的总能量没有显著变化。回流两相系统的总固体(TS)去除率和挥发性固体(VS)的去除率分别达到69%和87%。本研究通过开展长期的连续发酵试验,得出高温(55℃)生物产氢和中温(35℃)产甲烷的两相工艺是一种合适餐厨垃圾厌氧消化的新工艺,并通过甲烷相发酵液向产氢相的回流降低了产氢的碱投加量,大幅度节省了成本。两相发酵系统实现了较高的有机物去除效果和较高的能源回收率,提供给了氢和甲烷两种清洁燃料,系统可以长期稳定的运行。
【学位单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X799.3;S216.4

【参考文献】