厨余和牛粪混合厌氧消化产气性能与工艺参数优化研究

发布时间：2020-10-20 17:06

　　 厌氧消化技术(Anaerobic digestion, AD)是指在厌氧条件下,利用厌氧微生物的生命活动,将各种有机物转化为甲烷、二氧化碳等的过程。与好氧生物法相比较,厌氧消化在有机物的处理与利用方面具有明显优势,不仅能降解有机物、解决环境污染问题,还可以回收生物气、获得洁净能源。厨余和牛粪是国内两类主要的有机固体废物,产量大、污染危害严重,如果不及时处理,将影响到周围环境和居民的健康。采用单独厌氧消化处理厨余或者牛粪,容易出现酸化、pH值低、产气效率不高等问题。本文旨在利用厌氧消化技术同时处理两种废物,并获得了较高的生物气产量,主要研究内容如下： 1、首先,分析了厨余组成及其性质的差异,并研究了“三餐”厨余批式厌氧消化的产气性能。研究发现,“三餐”厨余组成及性质差别较大,特别是早餐厨余,VS/TS比例、脂肪含量远低于午餐和晚餐厨余,但是Na+、Cl-等无机盐离子含量偏高,累积甲烷产量仅为212.2ml/g VS,比午餐／晚餐厨余低36～41%。因此,午餐和晚餐厨余性质相近,可以混合进行处理,而早餐厨余可消化性能较低,不要掺杂进行厌氧消化。 2、其次,比较了中国和美国牛粪性质上的差异,并研究了不同构型反应器如完全混合式反应器(Completely stirred tank reactor, CSTR)和推流式反应器(Plug flow reactor, PFR)厌氧消化牛粪的产气性能。结果发现,在进料浓度为40,80和128g/L时,CSTR的VS去除率比PFR分别提高17.4～21.5%,3.9～21.5%和0.5～5.3%。 3、通过批式厌氧发酵试验,研究了厨余(Kitchen waste, KW)和牛粪(Cattle manure, CM)混合消化的产气性能。结果发现,混合消化能够明显提高甲烷产量,而且混合消化中可能存在协同作用。为了探讨KW和CM混合消化的协同作用,进一步研究了混合消化中CM所含碱度、氨氮以及KW酸化对产甲烷的影响。结果发现,CM中的碱度是提高KW消化产气的主要的原因,尤其在酸化阶段,提高碱度可以降低酸化过程对甲烷菌的抑制,有利于甲烷菌的生存和繁殖。而KW的加入也使得CM的水解效率提高了近2倍,从而为后续甲烷化提供了更多的基质,提高了甲烷产量。因此,在KW和CM的混合消化中,KW和CM相互影响,协同作用,共同提高了甲烷产量。 4、利用两相消化系统对KW和CM混合消化的工艺参数如混合比例、负荷率和水力停留时间分别进行了试验研究。 (1)在混合比例的试验研究中,研究了3种KW和CM混合比例(1：1,2：1和3：1)对甲烷产量的影响。研究发现,KW和CM比例为3：1时混合消化产气效果最佳,单位VS产甲烷量分别是CM和KW单独消化时的3.8和1.6倍。 (2)在负荷率的试验研究中,在1.2～6.1g VS/Ld范围内对KW和CM混合消化进行了试验研究。结果发现,在所研究负荷率范围内,容积产气率随着厨余比例增高而增高,但是单位VS产气量从0.70L/g VS下降到0.58L/gVS。综合考虑容积产气率、VS产气量、出水VFA浓度和VFA/TA比值等指标,认为在负荷率2.2g VS/L-d时消化效果最好,KW和CM混合比例为1：1。在KW含量较高时(KW和CM混合比例为3：1和6：1),丙酸浓度在酸化相和甲烷相中较高,可能是潜在的抑制因素。 (3)通过两相混合消化系统,试验研究了13d总HRT下酸化和甲烷化HRT的不同分配(1d+12d,2d+11d和3d+10d)对甲烷产量的影响。结果表明,在总HRT相同的情况下,越容易降解的有机物所需酸化HRT越短,反之则越长。TS和VS去除量和容积产气率之间有着显著的线性关系。 (4)通过两相混合消化系统,试验研究了2d酸化HRT下不同甲烷化HRT (2d+8d,2d+lld,2d+14d)下的产气情况和有机物去除效果。结果发现,在相同酸化HRT下,甲烷化HRT越长,容积产气率则越高。 5、通过简化两相模型,研究了厨余和牛粪两相混合消化的动力学过程,得出了4种不同物料的动力学参数。水解速率常数ki介于0.43～0.83/d之间,随着厨余比例提高,水解速率常数也增大；此外,最大生长速率常数μm的范围是0.8～5.0/d,半饱和浓度Ks的范围为0.11--0.19g C/L。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2008
【中图分类】：TQ920.6;X705
【文章目录】：
附表
摘要
ABSTRACT
符号说明
第一章 综述
    1.1 概述
    1.2 厌氧消化技术简介
        1.2.1 厌氧消化技术
        1.2.2 与其它处理技术相比较
    1.3 厨余和牛粪厌氧消化的研究进展
        1.3.1 厨余处理的现状
        1.3.2 牛粪处理的现状
        1.3.3 混合厌氧消化
        1.3.4 两相厌氧消化技术
        1.3.5 存在的问题
    1.4 课题研究目的和意义
        1.4.1 课题研究目的和意义
        1.4.2 课题研究内容
第二章 厌氧消化的基本原理
    2.1 厌氧消化的微生物学
        2.1.1 厌氧消化的阶段论
        2.1.2 厌氧消化微生物
        2.1.3 厌氧消化微生物之间的关系
    2.2 有机物的厌氧消化代谢过程
    2.3 厌氧消化的影响因素
        2.3.1 含水率或TS浓度
        2.3.2 C/N比
        2.3.3 温度
        2.3.4 pH值
        2.3.5 碱度
        2.3.6 负荷率
        2.3.7 水力停留时间
        2.3.8 接种物浓度
        2.3.9 抑制因素
    2.4 工艺优化
    2.5 厌氧消化模型
        2.5.1 厌氧消化模型的三种类型
        2.5.2 厌氧消化模型的基本要素
        2.5.3 两相厌氧消化模型
第三章 厨余特性及其厌氧消化性能研究
    3.1 材料与方法
        3.1.1 试验原料
        3.1.2 测定项目及方法
        3.1.3 批式厌氧消化试验
    3.2 结果与讨论
        3.2.1 3种厨余的组成及性质
        3.2.2 3种厨余的厌氧消化性能比较
        3.2.3 厌氧消化残渣的肥料特性
    3.3 本章小结
第四章 牛粪特性及其在PFR和CSTR中厌氧消化性能研究
    4.1 材料与方法
        4.1.1 试验原料
        4.1.2 试验装置
        4.1.3 试验设计
        4.1.4 分析方法
    4.2 结果与讨论
        4.2.1 牛粪特性分析
        4.2.2 PFR反应器
        4.2.3 CSTR反应器
        4.2.4 PFR和CSTR的性能比较
    4.3 本章小结
第五章 厨余和牛粪批式混合厌氧消化产气性能与参数研究
    5.1 混合消化与单独消化的消化性能对比研究
        5.1.1 材料与方法
        5.1.2 结果与讨论
        5.1.3 小结
    5.2 混合消化中协同作用机理研究
        5.2.1 材料与方法
        5.2.2 结果与讨论
        5.2.3 小结
第六章 厨余和牛粪两相混合厌氧消化产气性能及参数研究
    6.1 混合比例对厌氧消化影响
        6.1.1 材料与方法
        6.1.2 结果与讨论
        6.1.3 小结
    6.2 负荷率对厌氧消化影响
        6.2.1 材料与方法
        6.2.2 结果与讨论
        6.2.3 小结
    6.3 酸化和甲烷化HRT对厌氧消化影响
        6.3.1 材料与方法
        6.3.2 结果与讨论
        6.3.3 小结
    6.4 甲烷化HRT对厌氧消化影响
        6.4.1 材料与方法
        6.4.2 结果与讨论
        6.4.3 小结
第七章 厨余和牛粪两相混合厌氧消化动力学分析
    7.1 模型的目的
    7.2 模型的建立
    7.3 物料衡算
    7.4 本章小结
第八章 结论与建议
    8.1 结论
    8.2 存在问题与建议
参考文献
附录1
致谢
攻读博士期间研究成果及发表的学术论文
作者和导师简介

【参考文献】

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