（市政工程专业论文）城镇有机垃圾水解及其水解液厌氧消化工艺与性能研究.pdf

中文摘要摘要城镇有机垃圾厌氧消化过程存在着均质困难、水解过程缓慢、发酵后沼液及沼渣难处置、高固体含量厌氧消化的酸抑制和氨抑制等问题针对这些问题，论文进行了批式水解- i ，a s b 组合工艺处理有机垃圾的研究，开展了有机垃圾水解、u a s b 反应器处理有机垃圾水解液、批式水解u a s b 组合工艺处理有机垃圾的工艺参数与效果、微量金属离子对u a s b 反应器处理有机垃圾水解液的促进作用等研究，得到了以下主要结果。比较了厌氧淋滤、厌氧浸泡、厌氧浸泡与兼氧交替、厌氧浸泡与好氧交替以及u a s b 出水厌氧浸泡等方式对有机垃圾水解效果的影响，结果表明采用u a s b 出水浸泡方式是最佳的得出的有机垃圾批式水解工艺参数是：水解时间为7 8 d ；稀释率为0 3 0 0 7 d 1 ；液固比为5 8 ：接触时间第l d 为6 h ，1 d 后为2 4 h 。水解速率与其表面积有关，在传统的一级模型中引入表面积项，对一级模2 s - i型进行修正。修正的水解速率通式为：睾= 一七二= r 其中片状颗粒n 为1 ，圆柱幽s i形颗粒n 为2 ，球形颗粒n 为3 。动力学模型试验研究结果表明，传统一级模型、圆柱形颗粒模型和球形颗粒模型的水解速率常数分别为0 2 4 9 2 、0 5 3 7 6 和0 6 7 4 0 d 1 修正的一级水解模型( 球形颗粒模型或圆柱形颗粒模型) 比传统的一级模型能较好地预测反应器中有机物浓度和出水总c o d 浓度。 研究探求了一种新的快速启动u a s b 反应器的方法，即增大初始接种污泥量( 占反应器体积5 0 ) ，采用较高的水力负荷，对反应器内的污泥进行选择：污泥适应水质后，逐渐增加有机负荷，维持较高的v f a 浓度，对厌氧污泥的优势菌种进行选择在水温为2 8 3 5 时，3 8 d 内完成了u a s b 反应器的启动，使其容积负荷达到8 0 k g c o d ( m 3 d ) 左右，c o d 去除率稳定在8 0 以上u 蟠b 反应器处理高浓度有机垃水解液，当进水c o d 浓度为8 1 1 3 1 2 9 7 1 m g l ，水力停留时间为2 1 5 2 8 5 h ，上升流速为1 0 6 1 8 2 m d ，负荷为9 1 2 k g c o d ( m 3 d ) 时，c o d 去除率可以达到9 0 以上；出水v f a 浓度为4 3 7 5 7 m g l ，与进水相比，出水v f a 浓度降低了，处理过程中没有出现v i a 累积与酸抑制现象；出水氨氮从1 7 6 m g l 增至约1 9 0 0 m g a ，与进水相比，出水氨氮浓度总体增加了，处理过程中没有出现氨氮抑制现象；单位容积产气量为2 0 3 5 3 1 u m d ) ，单位c o d 产气量为0 2 1 n o 5 3 l g c o d ，沼气中甲烷含量为5 8 9 重庆大学博士学位论文8 3 7 。批式水解- i i a s b 组合工艺克服了传统的高固含率有机垃圾厌氧消化过程中v i a 积累与氨抑制的问题。在约8 d 的时间内，处理后垃圾的挥发分为6 5 1 8 7 7 6 0 ，挥发分去除率为3 2 ( p , 4 5 6 9 ，c o d 溶出量为3 0 3 2 4 7 1 0 9 c o d k g v s ，有机垃圾产气量为9 1 0 2 3 5 5 l k g v s 。 建立了批式水解- - u a s b 组合工艺出水氨氮浓度计算模型，找出了氨氮累积的关键控制参数( 回流比) ，为有效预防氨抑制提供了分析工具。建立了u a s b反应器酸碱平衡与p n 值关系式，为避免出现酸抑制提供了理论参考。试验垃圾水解液厌氧消化f o 、c o 、n i 的最优组合添加量为5 0 、1 0 、1 0 m g l 。添加微量金属离子，提高了u a s b 反应器处理有机垃圾水解液的稳定性和处理效果，平均单位产气量和平均单位c o d 的气体转化率分别提高了2 1 5 和1 1 4 添加金属离子，并未改变反应器的菌群结构和优势菌种的类别，但在一定程度上提高了反应器中优势菌种的比例。微量金属离子对u a s b 处理有机垃圾水解液促进作用的可能机理是，促进了优势菌种微生物细胞的合成以及促进了微生物酶的合成和激活酶在生化反应中的催化作用关键词：城镇有机垃圾，厌氧消化，水解，动力学模型，u a s b ，微量金属离子英文摘要a b s t r a c tt h e r e 撒s e v e r a lp r o b l e m si nt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o no f m u n i c i p a lo r g a n i cw a s t e s ,i n c l u d i n gh o m o g e n e o u sd i t 五c u l t y , h y d r o l y s i ss l o w n e s s ，a n da c i da sw e l la sa m m o n i ar e s t r a i n t so f h i g h - s o l i d sc o n t e n t t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，ac o m b i n e db a t c hh y d r o l y s i s -u a s bp r o c e s sf o rt h et r e a t m e n to fo l 弘l l i cw a s t e sw a ss t u d i e di nt h i sp a l 斌om a i nr e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u t0 1 1t h eh y d r o l y s i so fo r g a n i cw a s t e s , t h et r e a l 如c n to ft h eh y d r o l y 6 cl i q u i db yu a s b ，p a r a m e t e r sa n de f f e c t so ft h ec o m b i n e db a t c hh y d r o l y s i s -u a s bp r o c e s sf o rt h eo r g a n i cw a s t et r e a t m c n la d d i t i o n a l l y , p r o m o 矗o ne f f e c to f w o e em e t a li o n so nt h e 仰e a t m e n to ft h eh y d r o l y t i cl i q u i di nu a s bw a sa l s os t u d i e d m a i nr e s e a r c hr e s u l t sw e 船f o l l o w s t h eh y d r o l y t i ce f f e c to fo r g a n i cw a s t e sw a ss t u d i e db yt h ec o m p a r i s o na m o n ga n a e r o b i cl e a c h i n g ,a n a e r o b i cm a r i n a t i o n ,a n a e r o b i c - a n o x i cn 旧r i 删，a n a e r o b i c - a e r o b i cm 缸i n a 垃o na n dc m u e n to fu a s bm 触i n 砒0 m1 1 r e s u l ts h o w st h eu a s be f f l u e n tm a r 碱o ni st h eb e s tw a y 1 1 p a r a m e t e r so fb a t c hb y d r o l y 6 cp r o c e s si n c l u d et h eb y d r o | y t i ct i m eo f7 8 d t h ed i l u t i o nr a t eo f0 3 0 - 0 7 0 d 1 ，t h es o l i d - l i q u i dr a t i o o f 5 8 ，t h e c o n t a c t t i m eo f 6 h o n l 矗d a y , a n d 2 4 h a f t 盯1 t d a y t h eh y d r o l y t i cr a t ei sc o n c e r n e dw i t ht h es u r f a c ea r e a t h ef i r s t - o r d e r h y d r o l y s i sm o d e lw a sm o d i f i e db yi n 臼o d u c m gt h es u r f a c ea 嗽t ot h et r a d i t i o n a lf i r s t - o r d c rm o d e l t h em o d i f i e dh y d r o l y t i cr a t ef o r m u l ai s型查：o 生2 w h e r e ：n = l ( 丑a tg r a i n ) ；n - - - 2 ( c o l u m ng r a i n ) ；n = 3 ( g l o b a lg r a i n ) d t了m - i1 kr e s e a r c ho nd y n a m i c sm o d e ls h o w st h a tt h eh y d r o l y t i cr a t ec o n s t a n t so ft r a d i t i o n a lf i r s t - o r d e rm o d e l , c y l i n d r i c a lm o d e la n ds p h e r i c a lm o d e l 黜0 2 4 9 3 ，0 5 3 7 8a n d0 6 7 4 1 d 。1 ，r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lf u 暑t - o r d e rm o d e l , t h em o d i f i e df i r s t - o r d e rh y d r o l y t i cm o d e li sab e t t e rw a yt of o r e c a s tt h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cs u b s t a n c ei nt h er e a c t o ra n de f f l u e n tt o t a lc o d an o v e lq 1 1 i c ks t a r t - u pm e t h o do fu a s bw a ss t u d i e d , t h a ti s , ah i g ho r i g i n a lq u a n t i t yo f i n o c u l a t i o ns l u d g e ( 5 0 o f t h er e a c t o rv o l u m e ) ，ar e l a t i v e l yh i g hh y d r a u l i cl o a d , a n dt h es e l e c t i o no fs l u d g ei nt h er 蛊l o t o r a ss l u d g ew a sa d a p t e dt ow a t e r q u a l i t y ,t h eo r g a n i cl o a dg r a d u a l l yi n c r e a s e d ；t h ee o n c e n u a t i o no f v f aw a sm a i n t a i n e da tah i g hl e v e l ，a n dd o m i n a n tm i c r o b e si nt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o ns l u d g ew e r es e l e c t e d v n i l e nt h et e m p e r a t mr a n g e df r o m2 8 t o3 5 ，t h eu s a bi 俄l c t o rw a ss u c c e s s f u l l ys t a r t e du pi n重庆大学博士学位论文3 8 d ，也ev o l u m el o a da r r i v e da t8 0 k g c o d ( m 3 d ) ，a n dt h er e m o v a lr a t ew a sa b o v e8 0 w h e ni n _ f l u e n tc o dr a n g e df r o m8 ，1 1 3t o1 2 ，9 7 lm g ，li nt h eu a s br e a c t o r , h r tw a s2 1 5 - 2 8 5 h ；t h eu p f l o wv e l o c i t yw a s1 0 6 - - 1 8 2 m da n dt h el o a dw a s9 一1 2k g c o d ( m 3 d ) ，t h er e m o v a lm t co f c o dr e a c h e dm o r et h a n9 0 a n de f f l u e n tv f aw a s4 3 - 7 5 7 m g l c o m p a r e dw i t hi n f l u e n tv f a , e f f l u e n tv f ac o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e da n dp h e n o m e n o no fv f aa c c u m u l a t i o na sw e l la sa c i dr e s t r a i n td i dn o ta p p e a r c o m p a r e dw i t hi n f l u e n ta m m o n i an i t r o g e n , e f f l u e n ta m m o n i an i n o g e ni n c r e a s e df r o m1 7 6 m g lt oa b o u t1 , 9 0 0 m g l , b u tp h e n o m e n ao fa m m o n i an i t r o g e n 舶s t 阻i n ta l s od i dn o ta 拼壕眦t h eg a sp r o d u c t i o nw a s2 0 3 - 5 3 1 u d ) ，t h eg a sp r o d u c t i o no fu n i tc o dw a s0 2 1 - - 0 5 3 l g c o da n dt h ec o n t e n to f c h 4w a s5 8 9 8 3 7 t h ec o m b i n e db a t c hh y d r o l y s i s - u a s bp r o c e s sc a no v e r c o m ed i s a d v a n t a g e so fv f aa c c u m u l a t i o na n da m m o n i ar e s t r a i n ti nt h et r a d i t i o n a la n a e r o b i cd i g e s t i o no fh i g h 胁o r g a n i cw a s t c s t h ev o l a t i l em a t t e rr a n g e df r o m6 5 1 8 t o7 7 6 0 i na b o u t8d a y s ；t h er e m o v a lr a t eo ft h ev o l a t i l em a t t e rw 雒3 2 o 5 6 9 ；t h ed i s s o l v e o u to fc o dw a s3 0 3 2 - - 4 7 1 0 9 c o d k g v s ，a n dt h eg a sp r o d u c t i o no fo r g a n i cw a s t ew a s9 1 0 - - 2 3 5 5 l k g v s c a l c u l a t i o nm o d e lo f e f f l u e n ta m m o n i an i t r o g e ni nt h ec o m b i n e db a t c hh y d r o l y s i s -u a s bp r o c e s sw a se s t a b l i s h e d k e yp a r a m e t e r ( r e t u mr a t i o ) o nc o n t r o lw a sc o n s i d e r e da sa na n a l y s i st o o lt op r e v e n ta m m o n i ar e s t r a i n te f f i c i e n t l y m o r e o v e r , ar e l a t i o n s h i pb e 蚋v e e na c i d - a l k a l ih d 孟m a n dp hw a ss c t1 l pi nt h eu a s br e a c t o ra sat h e o r e t i c a lp r e f e r e n c et oa v o i da c i dr e s t r a i n t mo p t i m u mq u a n t i t i e so f f e ，c o ，n ic o m b i n a t i o nw 粥5 0m g ，l ，1 0m g l ，a n d1 0m g l 9r e s p e c t i v e l y 啊地e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ea d d i t i o no f t r a c em e t a li o n sw i l le n h a n c et h et r e a t m e n te f f e c ta n ds t a b i l i t yo f u a s br e a c t o r , t h ea v e r a g eg a sp r o d u c t i o np e r u n i t a n d g a s c o n v e r s i o n p e r u n i t c o d i n c r e a s e d b y 2 1 5 a n di i 4 。r e s p e c t i v e l y t h ea d d i t i o no fm e t a li o n sd i dn o tl e a dt oc h a n g e so fm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r ea n dd o m i n a n tm i c r o b i a lc a t e g o r i e s i t , t os o m ee x t e n t , m a d et h ep r o p o r t i o no fd o m i n a n tm i c r o b e sa s c e n di nt h er e a c t o r p o s s i b l em e c h a n i s m so ft h ea d d i t i o nt op r o m o t et h e 仃e a t m c n to f b y d r o l y t i cl i q u i di n c l u d et h ei m p r o v e m e n to f t h es y n t h e s i so fd o m i n a n tm i e r o b i a lc e l l sa n de n z y m e s , a sw e l la st h ea c t i v a t i o no f t h ee n z y m ec a t a l y s i si nt h eb i o l o g i c a lr e a c t i o n k e yw o r d s ：o r g a n i cf r a c t i o no f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n ,i vt r a c em e t a li o n s符号注释索引符号注释索引水解颗粒的表面积( 1 n 2 )水解颗粒的初始表面积( m 2 )u a s b 反应器i 时刻出水氨氮浓度( m g f l )永解反应器i 时刻出水氨氮浓度( m g l )u a s b 反应器i 时刻出水有机氮浓度( m g l )水解反应器i 时刻出水有机氮浓度( m g l )进入u a s b 反应器中能有效转化为氨氮的有机氮浓度( m g ，l )配对相似性系数垃圾初始时刻所含t k n 的量( m s l )总可溶性c o d 浓度( m g l )初始时刻反应器中总的可溶性c o d 浓度o n g 水解液进水中总的可溶性c o d 浓度( m g l )有机物厌氧消化过程中转化为能量的分数有机物厌氧消化过程中合成转化为细胞的分数c 0 2 亨利常数( m o l ( l m 0 )氨离子电离常数乙酸电离常数复合碳酸的一级电离常数c 0 2 亨利常数( 锄，( t o o l ，l ) )颗粒有机物总的水解常数( 1 ( m 2 d ) )有机垃圾氨氮的水解速率常数( 1 ，d )有机垃圾有机氮的水解速率常数( 1 柚溶解性有机物的降解半饱和常数( m g s c o d l )水解产物总的扩散系数( 1 绚单位面积颗粒有机物水解常数( 1 【m 2 d ) )圆柱形有机颗粒的初始长度( 神颗粒有机物水解速率形状系致单位体积未溶解有机物( n s c o d ) 浓度密度( m l 的c 0 2 平衡分压流量o - , d )有机颗粒的初始半径( m )i xa锄锄钿g嘶fbk石五酶kkkhbkkkln，qr重庆大学博士学位论文r第3 章为有机颗粒半径【m ) ；第5 章为回流的水解液占水解反应器稀释水的比率水解反应器液相中氨氮的增加速率( 埘畎l d ) )水解反应器液相中有机氮的增加速率( m g ，皿d ) )u a s b 反应罂中氨氮的增加速率( m g m d ) )水解液中产酸速率( m g v a f ( l d ) )水解液中溶解性c o d 的变化速率( m g s c o d ( l d ) )水解产物的扩散速率( 脚螂0 例m d ”颗粒性有机物水解速率( m g n s c o d ( l d ) )未水解颗粒有机物浓度( m g n s c o d l )固体颗粒表面溶解性有机物浓度( m g s c o d l )液相中溶解性有机物浓度( m g s c o d l )液相中v f a 浓度( m g v f a l )u a s b 反应器的水力停留时间( d )水解反应器稀释率( 1 ，d )多孔性颗粒表面积增加系数时间( d )批式水解反应器固体停留时间( d )反应器体积( l )水解反应器的有效容积u a s b 反应器的有效容积溶解性有机物的最大降解速率( m g s c o d ( l d ) )片状颗粒厚度( m )片状颗粒初始厚度( m )u a s b 反应器中有机氮氨化的转化率进水总碱度( t o o l l )出水总碱度( m o v l )进水总氩氮含量( t o o l l )出水总氨氮含量( m o l l )出水氨氮浓度( m o l l )出永v f a 浓度( 以乙酸计x i n o l ，1 0出水h c 0 3 。浓度( m o l ，l )出水总v f a 浓度，包括化合态与游离态的v f a ( m o i l )x吣mhkqh。j；蚴j。旷甲。，vu hx靳撕啡一一缩写词注释索引缩写词注释索引厌氧消化l 号模型化学需氧量变性梯度凝胶电泳脱氧核糖核酸脱氧核苷酸三磷酸乙二胺四乙酸肠细菌基因问共有重复系列国际水质协会混合液悬浮固体掘合液挥发性悬浮固体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( 氧化型)捆酰胺腺嘌呤二核苷酸( 还原型)非溶解性c o d氧化还原电位聚合酶链式反应随机扩增多态性d n &限制性片断长度多态性核糖核酸核糖体k n a相关系数溶解性c o d十二烷基巯酸钠饱和脂肪酸b 氧化互营养菌互营养丙酸降解菌悬浮固体温度梯度凝胶电泳总凯氏氮总有机碳三羟甲基氨基甲烷总固体总挥发性固体x ii：二焉=怒挈：=箸茹鸥：二重庆大学博士学位论文u a s b删v sv s s上向流厌氧颗粒污泥床挥发性有机酸挥发性固体挥发性悬浮固体独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：专f 研两签字日期：z 唧年占月易日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重麽塞堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重医态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密() ，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密( v ) 。( 请只在上述一个括号内打“4 ”)学位论文作者签名：丧- l ( 褚筒签字日期：2 刃年易月台日导师签名：方) y 4 厦 5 矧枷v签字日期：z 四年厶, e l e t，i 概述l 概述1 1 研究背景城镇有机垃圾是指在城镇居民日常生活中或者为日常生活提供服务的活动中产生的有机固体废物，主要包括居民家庭垃圾、餐厨垃圾、商业和旅馆等服务业垃圾、文教卫生和行政事业等单位生活垃圾、园林垃圾、禽畜粪便、污水污泥等。随着各国社会经济的迅速发展，垃圾产量也持续增加，目前，全球共产生垃圾约5 0 0 亿吨【”。2 0 0 4 年，我国生活垃圾、粪便清运量为3 4 亿吨，其中生活垃圾清运量超过1 5 亿吨【2 】大量泛滥成灾的城镇活垃圾，对周围环境造成了严重的污染垃圾问题，特别是城镇有机垃圾污染问题已成为地球公害，解决城镇有机垃圾处理问题已成为社会关注的热点、难点问题。目前，城镇有机垃圾处理技术主要有卫生填埋、焚烧和生物处理等技术卫生填埋在处理城镇有机垃圾时存在许多问题首先是大量可回收的资源被填埋，造成资源的严重浪费；其次是填埋场占地面积大，要在城市附近选择符合要求的填埋场址日渐显得困难；再其次是存在污染地下水和土壤的安全隐患，填埋场防渗层一旦出现破裂，将会对周围环境造成无可挽救的严重污染后果。正是由于存在这些问题，世界各国，特别是一些发达国家，正设法逐渐减少进入卫生填埋场的垃圾比例1 9 9 9 年，欧盟委员会批准了新的填埋标准，它首先要求所有成员国在未来5 年内将进入到填埋场可生物降解的城市垃圾量降至1 9 9 5 年垃圾量的7 5 ，并最终使进入填埋场垃圾的有机物量控制在5 以内口】这迫使各成员国最近几年纷纷寻找垃圾卫生填埋处理的替代技术。焚烧技术处理城镇有机垃圾的主要缺点是：对垃圾热值有一定的要求，难于适应高含水率城镇有机垃圾的处理；一次性投资大，运行费用高，管理水平和设备维修要求较高，在技术经济欠发达的地区难于推广应用：焚烧产生的烟气若处理不当，很容易对环境造成二次污染，特别是“二恶英”污染问题，是一些城市对垃圾焚烧敬而远之的一个非常重要的原因。因此在发展中国家，焚烧要成为垃圾处理的主流技术还有一个较长的发展历程有机垃圾的生物处理包括好氧生物处理( 即堆肥化) 和厌氧生物处理( 即厌氧消化) 有机垃圾经堆肥化处理后的产品称为堆肥，它是一种人工腐殖质，可增加土壤的有机养料和腐殖质含量然而堆肥化技术能耗大，处理成本高，处理每吨垃圾需消耗5 0 7 5 k w h 的能量闸；堆肥过程的恶臭污染严重，甚至已成为垃圾堆肥厂关闭的主要原因之一；此外高含水率( 6 0 ) 有机垃圾堆肥时，通风供氧的阻力大，容易导致堆体供氧不均匀，局部出现厌氧状态，堆体难于达到高温阶重庆大学博士学位论文段，不能满足城市生活垃圾堆肥无害化卫生要求。有机垃圾采用厌氧消化处理，不仅可以产生沼气( 1 0 0 1 5 0 m 3 t 垃圾) ，它是一种高品质的清洁能料；厌氧消化后的残渣和沼液是优质的有机肥料，可以施用于农田，改良土壤，增加肥效；厌氧消化还可以消除臭气，减少甲烷和二氧化碳的排放量，且每处理一吨有机垃圾可以获得7 5 1 5 0 k w h 的净能量1 4 。因此，有机垃圾厌氧消化处理具有明显的环境和经济优势。从垃圾的生命循环周期来看，与其它技术相比，有机垃圾厌氧消化具有更高的投入产出效益。正是由于此，从1 9 9 0 年至2 0 0 0 年，欧洲采用厌氧消化技术处理的有机垃圾量增加了7 5 0 【s 。至2 0 0 4 年，欧洲共有9 0 个垃圾厌氧消化厂，总处理量达2 7 0 万吨，年，且处理厂的数量和处理的垃圾量仍呈逐年增加的趋势面对垃圾泛滥成灾的现实，世界各国的视线已不再仅仅停留在如何控制和销毁垃圾这一老问题上，而是采取积极的态度和有力的措施，着手科学地处理、利用垃圾，将垃圾列为维持经济持续发展的“第二资源”从生态环境角度看，垃圾固然是一种污染源；而从资源角度看，它却是地球上唯一在增长的一种潜在的资源。可以预见，在今后城镇有机垃圾处理技术中，卫生填埋所占的比例将逐渐降低，其他生态经济效益更高的处理技术所占的比例将逐渐提高，尤其是城镇有机垃圾的厌氧消化技术，由于其很高的生态经济效益，将在城镇有机垃圾处理技术中占有更重要的地位。然而，有机垃圾厌氧消化技术瓶颈在于反应过程缓慢、消化时间长，均质困难。其中最主要的技术问题在于有机垃圾厌氧消化水解过程相当缓慢，在高含固率厌氧消化过程中容易造成v f a 和氨氮的积累，常常导致系统启动困难和运行失败为使厌氧消化能够真正成为垃圾处理的主要方式，必须解决这些制约有机垃圾厌氧消化工程应用的关键问题1 2 有机垃圾厌氧消化处理1 2 1 厌氧消化的基本过程厌氧消化是一个多步骤性、多种微生物参与的过程。在这个过程中，不同微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形成复杂的生态系统。人们对这一复杂反应过程的认识从2 0 世纪3 0 年代厌氧消化的二阶段理论发展到目前的三阶段理论和四阶段理论二阶段理论按细菌引起的生物化学过程，将代谢细菌群分为不产甲烷的发酵细菌和产甲烷细菌两组，将厌氧消化分为产酸和产甲烷两个阶段网。产酸阶段将复杂有机物水解和发酵形成脂肪酸、醇类、c 0 2 和h 2 等，产甲烷阶段将产酸阶段的一些产物转化为c 出和c 0 2 。这一理论简要描述了厌氧消化的过程，在相当长的2l 概述一段时间内指导着产生实践，并被用于厌氧生物处理过程的动力学描述，但这一理论没有全面反映厌氧消化的本质，对甲烷菌如何利用甲醇以上的醇及乙酸以上的有机酸难以解释随着对厌氧消化过程微生物研究的不断深入，人们对厌氧消化中各种微生物种群间的关系有了更深入的了解1 9 6 7 年，布赖恩特( b r y a n t ) 等发现奥氏甲烷杆菌是一种甲烷菌与一种产氢产乙酸菌构成的共生体，并在此基础上于1 9 7 9 年提出了厌氧消化三阶段理论【7 用三阶段理论将厌氧消化过程划分为水解、产酸和产甲烷三个阶段与二阶段理论不同的是，三阶段理论突出了产氢产乙酸细菌在发酵过程中的核心地位，并将其单独划分为一个阶段。在这一阶段中，产氢产乙酸菌将产甲烷菌不能直接利用的丁酸、丙酸、乙醇等转化为h 2 、c 0 2 和乙酸，这较，好地解决了二阶段理论的矛盾，几乎与b r y a n t 提出三阶段理论的同时，z e i k u s 等提出了厌氧消化的四阶段理论一。该理论将厌氧消化过程划分为水解、产酸、产乙酸和产甲烷四个阶段。在这里，产酸阶段是指水解阶段产生的小分子化合物在产酸菌作用下转化为简单的以挥发性脂肪酸为主的末端产物；产乙酸阶段是指在产氢产乙酸菌作用下，将产酸阶段产生的挥发性脂肪酸、酵类、乳酸等转化为h 2 、c 0 2 和乙酸四阶段理论明确每个阶段有独立的微生物菌群，各类菌群的有效代谢均相互密切关联，达到一定的平衡，不能单独分开，是相互制约和促进的过程。有机物厌氧消化过程示意如图1 1 所示l 埘1 2 2 有机垃圾厌氧消化技术的发展用有机废物生产沼气已有一百多年的历史，但其发现是在三百多年前早在1 6 3 0 年海尔曼( v a nh e l m o n 0 首先发现在有机物腐烂过程中可以产生一种可燃气体，并且发现在动物肠道也存在这种气体其后，c a v o l t a l 予1 7 7 6 年断定可降解有机物的数量与可燃气体的产生量有直接联系；h u m p h r yd a v y l s 0 8 年认定在牛粪厌氧消化气体中存在甲烷气体；1 8 5 9 年，在印度盂买建成第一座消化厂；1 8 9 6年，在英国一座小城市( e x e 魄) 中建起一座处理生活污水污泥的厌氧消化池，所产沼气用作一条街道的照明燃料进人2 0 世纪后，随着微生物学科的发展，科学家分离出产甲烷的厌氧细菌，人们已逐步认识到有机物厌氧消化产沼气的微生物学机理且前，世界上有6 0 0 8 0 0 万个家庭式或低技术含量的厌氧消化器，厌氧消化产生的沼气主要用于炊事和照明嗍。尽管有机废物的厌氧消化历史悠久，但将厌氧消化技术应用于处理城镇生活垃圾却是近3 0 年的事2 0 世纪7 0 年代后期，第一个生产规模的厌氧消化厂在美国佛罗里达州建成i l 该厂采用湿法处理，通过加水稀释使反应器中垃圾含固率维持为3 5 ，但由于固液分离、搅拌和浮渣等问题得不到根本的解决，运行3重庆大学博士学位论文效果不好。1 9 8 4 年，g h o s h 使用了改进的系统，即采用固体废物不加水直接进行两阶段消化。第一阶段，固体废物堆成堆，在顶部喷水，有机物水解为短链的脂肪酸；第二阶段，收集起来的渗滤液在厌氧反应器产生甲烷。该系统的缺点是渗滤过程不够完全，废弃物只是部分稳定，排入环境中会产生污染后来相继出现了v 砒o r g a 、d r a n c o 、k o m p o g a s 、l i n d eb r v 、b t a 和l i n d ek c a 等工艺初步分解产酸产乙酸产甲烷图1 1 有机物厌氧消化降解途径f g1 1d c g l g 蜥o np a t ho f a a a e r o b i cd i g e s t i o n有机垃圾厌氧消化目前已形成较完善的技术体系。其工艺按固体含量多少分为湿式厌氧消化与干式厌氧消化；按迸料方式不同分为批式厌氧消化与连续式厌氧消化；按整个消化过程是否在一个反应中进行分为单相厌氧消化与多相厌氧消化；按消化温度不同分为常温厌氧消化、中温厌氧消化以及高温厌氧消化干式消化与湿式消化湿式厌氧消化是指进料的含固量为1 0 1 5 ，于式厌氧消化是指进料的含固量为2 0 4 0 【埘通常，城镇有机垃圾含水率小于8 0 ，采用干式消化可以少加水甚至不加水，且由于干式消化具有更高的有机负荷率和产气效率，近年来，在处理城镇有机垃圾方面，干式厌氧消化逐渐占据主导41 概述地位典型的干式消化工艺有d r a n c o 、v a l o r g a 和k o m p o g a s 等。单相消化与多相消化。单相消化是指有机垃圾的所有消化过程均在一个反应器中完成；多相消化是指有机垃圾消化过程在多个反应器内完成，通常由产酸和产甲烷两个反应器构成，此时又称为两相消化两相消化将产酸相与产甲烷相分离，使产酸茵与产甲烷菌在各自适宜的条件下生长，发挥各自最大的活性，从而提高系统的稳定性与消化效率。g h o s h 等【1 3 1 用试验规模的传统高效反应器和两相反应器处理未分选的垃圾，结果表明，产甲烷量在用两相处理时大约可以提高2 0 0 , 6 然而尽管研究报道两相消化多于单相消化，但在工业应用水平上，欧洲城市有机垃圾单相消化占了绝对优势，两相消化仅占1 0 6 ( 1 9 9 9 ) 5 1 ，这可能是由于现有的两相厌氧消化工艺在消化时间和处理效果方面并没有表现出比单相好很多的优势，而在系统操作和维护方面却比单相复杂的缘故。批式消化与连续式消化批式消化是指反应装置一次进料、接种后密闭，待有机物完成消化过程后，一次清空反应器，并添加新一批物料重复上述过程批式厌氧消化具有工艺简单、造价低的优点，适合于技术经济不发达地区的垃圾处理。连续式消化是指反应器连续进料，且被消化的物料连续从反应器中排出中温消化与高温消化。一般地，中温消化的温度范围为3 0 4 0 ，高温消化的温度范围为5 0 6 0 由于中温消化系统中菌种种类多，易于培养驯化且活性高，热量消耗少，系统运行稳定，容易控制，因此，实际工程中常采用中温消化1 9 9 2 年以前，欧洲的有机垃圾厌氧消化采用的均是中温消化；之后，高温消化所占的比例逐渐上升，至2 0 0 4 年，高温厌氧消化的比例约占2 5 【1 4 1 当前，有机垃圾厌氧消化在工业应用方面主要采用的工艺有干式连续厌氧消化、干式批式厌氧消化、淋滤床厌氧工艺、湿式连续单相厌氧消化和湿式连续多相厌氧消化表1 1 所列为部分现有有机垃圾厌氧消化应用实例l i 卜m 1 3 有机垃圾厌氧消化研究进展1 3 1 有机垃圾厌氧消化的反应动力学研究一个高效的厌氧消化模型有利于了解复杂的厌氧消化系统，预测处理结果，并为系统的日常运行和维护提供参考依据，降低运行费用，提高工艺的稳定性与处理效率。此外，模型还可以用于评价反应器的性能，查找系统运行不良的原因，预测运行费用。因此，建立厌氧消化反应动力学模型，对厌氧处理系统的工艺设计和操作控制至关重要，由此也成为众多研究者的研究热点v a v i l i n 等【l 卅用四种动力学模型一级反应动力学方程、m o n o d t y 程、c o n t o i s方程及两相模型，对猪粪、污泥、牛粪和纤维素的降解进行了模拟，发现在确定5重庆大学博士学位论文i i 卜东翌限媸桑萎鋈嚣塞妇韫坷饕麟蔫永稍嫡+ h卿枣n茧客镫j 卜衣aa宝倒靶一一重蠢o88荟g88是篁昌8一- ”0 目鬃缸一董量霏萋萋墨孥舔蓁萋882葛剐赠艚霎藿蜘碧世期廨期薪鬈璞镁瘴寸镡l 虫镡 虫要翼蚩文螺裙雄露薯龌骥龚晕妥霰晕要壤嶂晕p i褒22晤虫裙| i i 鐾霉罂鼙逛窭翟矮 裙嚣划赠制磐毯倒2毯驾壬瑙籁桐芸尊溪宁霎蔓桐要!桐要赠 l桐赠罟导是萎垂皿h 蓑譬h 蓑召拍手孕h 内寺蓑喜鐾罂厘匠掩曾鲁萃蚤姜鳎琏砸嘏热袈琏囊墓蓉喜蕃是军塞g堆蜊* 址辅番端了。赵五韶壶耧茧誊j ! 倒璀置懈。罂到星藿臻称桐铽赠ph瓣嘣趟一赠晕跪巾晕骐霉皋希冀器宴章如骆甜囊擞罡话*话*篷霹仨| 鬻饪扣错如稍矧熊薅秘社剐商氆酶蝈踞缎零京k堪姆求隶聪巽铽攥剐鬃藿爨键卜镫h 镯h 缎j 摹霉霉鬟鬻文商罢葚羹量琴裴：矗龌萎萋求。长佳副皇趔隶张砖餐一 翟一 谨嚣斗 8 o ) 或过低( 9 0 ) ，需要外加大量的水分，这一方面降低负荷，增加了反应器容积，同时厌氧结束固液分离后续处理的废水量也大大增加。此外，采用高含水率厌氧消化，反应器内易出现分层现象，形成上部浮渣层，中部废水层以及下部污泥层，影响反应器消化效果若采用低含水率厌氧消化，所需外加水分少，固体含量高，可避免物料在反应器中结渣分层，反应器负荷高，所需容积小，单位体积的沼气产量大，固液分离简单甚至可省去，固液分离后续处理的废水量少。但低含水率厌氧消化，搅拌困难，很难使反应器内物料混合均匀此外，含水率过低，还会影响厌氧消化的进程与效果。f u j i s h i m a 等即j 研究了在中温条件下水分含量对脱水污泥厌氧消化的影响，当污泥的水分含量从9 7 o 下降到8 9 o 时，挥发性固体和碳水化合物的去除率分别从4 5 6 和7 1 1 下降到3 3 8 和2 7 8 ；当水分含量从9 1 1 下降到8 9 o 时，葡萄糖产酸菌量从3 1 x 1 0 9 m l - 1 下降到3 1 x 1 0 8 m l 1 ；当污泥含水率低于9 1 1 时，氢甲烷菌和乙酸甲烷菌的数量都降低了一个数量级，甲烷产量下降。l a y 等 3 7 1 研究了水分含量的极限值，在极限值时产甲烷活力降为零对污泥饼来说，极限值为5 6 6 ，但对于肉、胡萝i - 和甘蓝来说，极限值大于8 0 在一个高固体含量的污泥消化中，当水分含量从9 6 下降为9 0 时，产甲烷活力从1 0 0 下降为5 3 。湿式厌氧消化在实际设计中有很多问题需要考虑，特别是对于城市生活垃圾的预处理过程为达到既去除杂质，又保证有机垃圾正常处理，需要采用过滤、粉碎、筛分等复杂的处理。这些预处理过程会导致1 5 2 5 的挥发性固体的损失。重庆大学博士学位论文浆状垃圾并不能保持均匀的连续性，因为在消化过程中重物质沉降，轻物质形成浮渣层，导致在反应器中形成了三种明显的不同密度的物质层。重物质在反应器底部聚集可能破坏搅拌器，因此必须通过特殊设计的水力旋流分离器或者粉碎机去除。干式厌氧消化的难点在于：其一，生物反应在高固含率条件下进行；其二，输送、搅拌困难。然而法国和德国的垃圾厌氧消化运行实践证明，对于机械分选的城市生活垃圾采用干式发酵系统是可靠的嘲由于干式厌氧消化比湿式厌氧消化具有更高的有机负荷率和产气效率，如w a a s a s 湿式工艺产气量为1 0 0 1 5 0 m 3 t 垃圾，而v a l o r g a 干式工艺产气量为2 2 0 2 5 0m 3 t 垃圾，因此越来越受到研究者的关注。上世纪9 0 年代以前，欧洲的有机垃圾厌氧消化主要采用湿式厌氧消化，之