（环境工程专业论文）青岛市有机生活垃圾高温厌氧消化试验研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t a st h et r i a lo p e r a t i o nw o r ko fc l a s s i f i c a t i o no fu r b a nw a s t ei nq i n g d a oi sb e i n g c a r r i e do u lk i t c h e na n do t h e ro r g a n i cw a s t ew i l lb es e p a r a t ef r o mg a r b a g e c o n s i d e r e d i nt h ep o i n to fv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c sf o o dw a s t e ，k i t c h e nw a s t ea n do t h e ro r g a n i c w a s t e ，l a n d f i l l i n ga n di n c i n e r a t i o na r en o tb e s to p t i o nf o rt r e a t m e n ta n dr e s o u r c e r e c o v e r y t h e r e f o r e ，t h ea n a e r o b i cd i g e s t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m eac h a l l e n g i n g o p t i o nf o rt h er e s o u r c er e c o v e r yo f t h i sk i n do fo r g a n i cw a s t e af o o dw a s t et r e a t m e n t p l a n ti su n d e rp r e p a r a t i o n a n a e r o b i cd i g e s t i o nt e c h n o l o g yw i l lb eu s e dt oa c h i e v e o r g a n i cw a s t es t a b i l i z a t i o na n dr e c o v e r yo f b i o g a s t h i se x p e r i m e n ti st h ee x p e r i m e n t a l t e s t t o s t u d yt h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t y o fa n a e r o b i cd i g e s t i o no ff o o dw a s t ea n d v e g e t a b l em a r k e tw a s t e t h er e s u l t ss h o wa sf o l l o w b ym o n i t o r i n gt h eg a sp r o d u c t i o nr a t e ，g a sp r o d u c t i o n ，m e t h a n ec o n t e n t , p hv a l u e ， s c o d ，v f aa n da m m o n i aa n do t h e rp a r a m e t e r so ff o o dw a s t ea n a e r o b i cd i g e s t i o n p r o c e s s ，w ec a nc o n c l u d et h a t a n a e r o b i cd i g e s t i o na n db i o g a sr e c o v e r yo ff o o dw a s t e a n dv e g e t a b l em a r k e tw a s t ei st e c h n i c a l l yf e a s i b l ei nq i n g d a o t h em a x i m u mo r g a n i c l o a d i n go ff o o dw a s t es y s t e mc a na c h i e v e3 9 6k g w s m 3 d ，t h el a r g e s tv e g e t a b l em a r k e tw a s t ea n a e r o b i cd i g e s t i o no fo r g a n i cl o a d i n gu p t o6 2 3k gv s m 3 d w h e ns y s t e ms t a b l e ，i nf o o dw a s t es y s t e m ，o 15m m e t h a n ew e r eg e n e r a t e db y o n ek i l o g r a mv sp e rd a y ；i nv e g e t a b l em a r k e tw a s t es y s t e m ，0 3 9 7m m e t h a n ew e r e g e n e r a t e db y o n ek i l o g r a mv sp e rd a y i np o o r l yr u nf o o dw a s t ea n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e m ，v o l a t i l ef a t t ya c i d si n h i b i t m e t h a n o g e n i cb a c t e r i as e r i o u s l y a tt h es a m et i m e ，h 2 sg e n e r a t e d ， w h i c hc a nr e a c h 4 9 0 p p m a t m o s t u n d e rt h es a n l eo r g a n i cl o a d i n g ，s m a l lf e e d i n ga m o u ra n dh i 曲f e e d i n g f r c n q u e n c yi s e f f e c t i v e ，w h i c hi sh e l p f u lt ot h er e g u l a t i o no fa n a e r o b i cd i g e s t i o n s y s t e m ，a n dt h em e t h a n ep r o d u c t i o ni n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y k e y w o r d s ：f o o dw a s t e ，v e g e t a b l em a r k e tw a s t e ，t h e r m o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o n ， o r g a n i cl o a d i n g i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、意义和目的 1 1 1 研究背景及意义 有机生活垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，约占生活垃圾总量的 5 0 6 0 。由于其具有含水率高、有机物含量高的特点，会产生强烈的恶臭及视觉 污染。特别是餐厨垃圾极易变质、腐烂、发酵，滋生蚊蝇，产生大量毒素，散发 恶臭气体，污染水体和大气1 卅。 目前我国处置餐厨等有机生活垃圾的主要方式是：城市近郊的农民或者个体 商贩通过大型餐饮营业点回收，并运至城郊的小型饲养场，用以喂养家畜；普通 居民产生的餐厨垃圾大部分都混入生活垃圾，作填埋处置。这两种方法都会给环 境带来损害，厨余物中往往含有致病菌和非食用性物质，家畜食用后极易感染疾 病或引起组织病变，再由食物链传染给人类，给人们的身体健康带来极大的危害； 填埋处置需要占用大量土地，且产生大量渗滤液，难以处置。同时，城市餐厨垃 圾和菜市场垃圾等含有高含量的有机质，具有可生化降解性，蕴含大量的生物质 能，探求菜市场垃圾及餐厨垃圾的有效处置手段，实现其无害化、减量化、资源 化利用是目前治理餐厨垃圾等有机生活垃圾污染的热点和需要解决的关键问题之 一【5 7 】o 目前，青岛市正着手建设餐厨等有机生活垃圾处理厂，本实验对于解决菜市 场垃圾及餐厨垃圾的处理，控n - 次污染，提高环境质量具有十分重要的经济和 社会意义，同时对青岛市即将建成使用的餐厨垃圾处理厂也具有很好的参考借鉴 作用。 1 1 2 研究目的 以污水处理厂中温消化污泥为接种物，以青岛市餐厨垃圾和菜场有机生活垃 圾为主要处理对象，进行高温厌氧消化。通过实验条件的变化及各项指标的变化 情况，探讨两类有机生活垃圾厌氧消化产甲烷的技术可行性，并试图找出餐厨垃 圾和菜场垃圾厌氧消化的最优条件及最佳运行参数。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 3 研究内容 。 本课题的研究内容主要有以下四个方面： ( 1 ) 通过青岛市餐厨垃圾及菜市场垃圾各组分理化特性( 酸碱度、含固率、 可降解有机质、杂质含量等) ，分析餐厨垃圾及菜市场垃圾厌氧消化的可行性； ( 2 ) 在连续式消化实验中，分析比较各平行实验稳定运行阶段各参数的变化 情况，单位容积有机负荷日产气率、气体组分及消化基质、消化液、消化残渣理 化性质，并找出两种垃圾高温厌氧消化的最大有机负荷； ( 3 ) 研究得出主要控制参数，如进料方式、增加有机负荷的方式等对消化工 艺过程的影响，实现工艺的有效控制。 ( 4 ) 分析系统出现问题时主要监测指标的变化情况，从而找出系统出现问题 的原因。 创新点：该课题的研究对于后期即将建设投产的餐厨垃圾处理厂的运行具有 很好的借鉴和参考意义。 1 2 青岛市餐厨垃圾的产生特性、性质和特点 随着我国经济迅速发展和人们生活水平的逐渐提高，城市生活垃圾产生量与 日俱增。据国家统计局2 0 0 9 年资料显示【8 】，2 0 0 8 年全国城市垃圾总清运量为 1 5 4 3 7 7 万吨，其中山东省总清运量为9 9 1 4 万吨。由表1 1 我国主要大城市生活 垃圾成分一览表可以看出，我国城市生活垃圾主要以厨余( 餐厨垃圾) 为主，含 量在4 2 3 至7 2 6 之间。据统计，2 0 0 8 年北京餐厨垃圾日产生量约为1 2 0 0 吨， 2 0 1 0 年餐厨垃圾日产生量约为1 4 5 0 吨【9 1 。 表1 1 我国主要大城市生活垃圾成分一览表 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 青岛是山东省的政治、经济、金融和文化中心之一，随着沿海旅游业的快速 发展和外来人口的增多，青岛市生活垃圾产生量迅速升高【1 1 】。由表1 2 可知，青 岛市市内七区的城市垃圾产生量呈逐年递增的趋势。青岛市市内七区2 0 0 4 年至 2 0 0 8 年期间年平均垃圾增长率为7 9 3 。根据青岛市总体规划( 2 0 0 8 年) 确定 2 0 1 0 年中心城区城镇人口规模为3 7 0 万人，到2 0 2 0 年中心城区城镇人口规模为 5 0 0 万人。根据以上资料可以预测，青岛市2 0 2 0 年达到5 5 0 0t d t l 2 】。 表1 2 青岛市( 市内七区) 生活垃圾收运量统计 在青岛市生活垃圾产生量迅速升高的同时，垃圾组分和结构也逐渐发生变化， 有机生活垃圾成分逐渐增多，而无机垃圾成分逐渐降低。由表1 3 青岛市市内四区 2 0 0 6 2 0 0 8 年垃圾组成变化可知，最近几年内，植物垃圾( 主要为餐厨垃圾、菜市 场垃圾等) 在青岛市生活垃圾中占主导地位，约6 1 6 5 。表1 _ 4 为青岛市市内四 区2 0 0 8 年垃圾组成月份变化情况，虽然垃圾成分随月份变化，但植物垃圾仍占主 体地位，约为5 1 7 8 。因此，合理处理处置餐厨垃圾和菜市场垃圾是青岛市生 活垃圾减量化、无害化和资源化的关键。 表1 3 青岛市市内四区2 0 0 6 - - - 2 0 0 8 年垃圾组成变化 注：市内四区指市南、市北、四方、李沧中心城区 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 餐厨垃圾是食物垃圾中最主要的一种，主要包括家庭、食堂和餐饮等产生的 食物加工下脚料和食用残余，其成分十分复杂，是水、油、蔬菜、果皮、米面， 肉、鱼、骨头、废餐具、纸巾、塑料等多种物质的混合物【1 3 】。餐厨垃圾中糖类含 量高，而泔脚则以蛋白质、淀粉及动物脂肪等为主，盐分和油脂含量高，主要来 源于餐饮业、企事业单位食堂、餐厅和居民家庭。餐厨垃圾具有如下特剧1 4 】： 含水率高。餐厨垃圾的含水率高，其收集、运输和处理都存在一定难度。 由于餐厨垃圾的热值仅在2 1 0 0k j k g 左右，且含水率高，一般不能满足垃圾焚烧发 电的热值要求，若与其他垃圾一起焚烧会导致燃烧不充分而产生二嗯英等有害物 质：填埋则会产生大量沼气和渗沥液，渗沥液可能通过地表径流和渗透作用污染 地表水和地下水，对环境造成二次污染。 易腐烂。餐厨垃圾中有机物质含量较高( 占干物质质量的9 3 左右) ，主 要成分为淀粉、食物纤维、动物脂肪等。又因其含水率高，极易腐败发臭：易孳 生致病菌，包括大量沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、肝炎病毒等致病微生物，会造 成多种疾病的大量传播。 营养丰富。餐厨垃圾除含粗蛋白和粗纤维等有机物外，还含有大量的氮、 钾、磷、钙及各种微量元素，具有营养素齐全、再利用价值高等特点。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 餐厨等有机生活垃圾厌氧消化的必要性及可行性 1 3 1 必要性分析 随着沿海旅游业的快速发展和外来人口的增多，青岛市生活垃圾产生量也迅 速攀升。目前，青岛市处置生活垃圾的主要方式是卫生填埋，少部分堆肥。青岛 市即将开展垃圾分类试点工作，在生活垃圾中占有较大比重的餐厨等有机生活垃 圾将被分离出来，如何合理处置这部分垃圾并尽最大可能回收利用资源，成为急 需解决的问题。近年来，随着我国城市废物中有机成分含量日益增加，传统处理 方式逐渐显露出其弊端。下面对几种主要的垃圾处理方式进行比较。 1 3 1 1 卫生填埋 卫生填埋是青岛市生活垃圾处置的主要方法，该方法在处理有机生活垃圾方 面仍存在诸多问题： 选址困难和使用年限短 卫生填埋场的占地面积大，选址一般在郊区，随着城市化进程的加快，无实 际利用价值的土地越来越少。青岛市小涧西垃圾填埋场主要负责除黄岛区外的六 区垃圾的卫生填埋任务，2 0 0 8 年一期填埋工作已接近尾声，2 0 10 年进行了二期工 程扩建，扩建后的二期填埋场在保持现状垃圾填埋量满负荷运行的情况下，使用 年限也只剩1 0 年。目前国家对填埋场的选址、环境评价和审批等方面的日益严格， 城市地价不断攀升，征地费用也持续增加，要不断的提供新的垃圾填埋场地满足 填埋需求就更加困难。一般填埋场的投资在4 0 0 0 万人民币以上，使用年限只有1 0 15 年。在生活垃圾分类管理的前提下，关键问题是如何提高有机生活垃圾资源化 ：卜 利用效率【”】。 渗滤液难处理 有机生活垃圾如果直接进行填埋，在降解的过程中会产生高浓度的渗沥液。 大量有机生活垃圾进入填埋场，也会使填埋场对环境存在潜在的污染时间延长。 填埋场产生的渗滤液浓度高，化学成分复杂，比较难处理。目前我国填埋场大部 分执行生活垃圾填埋场污染控制标准( g b1 6 8 8 7 2 0 0 8 ) ，与旧标准相比，新标 准对渗滤液处理后尾水的几个关键因子，包括c o d 、b o d 和n h 4 + n 采用了旧标 准中的1 级排放标准，同时增加了6 种重金属的浓度、色度、总氮和总磷的排放 要求。随着环保标准的提高，填埋场的初期运行费用和垃圾渗滤液的处理成本也 提高。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 在2 0 0 9 年1 0 月2 7 日青岛十四届人大常委会第十三次会议审议通过的青岛 市海洋环境保护规定( 草案) ，规定“现有向胶州湾排放废水的污水处理厂，应 进行升级改造，自本规定施行后二年内执行g b l 8 9 1 8 城市污水处理厂污染物排 放标准一级a 标准”。该标准的执行意味着渗滤液污水处理站的出水排放标准与 生活污水处理厂将执行同一标准，处理成本大大增加。 恶臭污染严重 通常情况下，有机生活垃圾极易降解，在降解过程中产生h 2 s 、n h 3 等大量恶 臭气体，具有持续时间长、影响范围广等特点，严重污染周围大气环境，填埋场 的恶臭污染是群众对填埋场信访的主要问题之一。 难以回收有用资源 生活垃圾垃圾卫生填埋时，填埋场会产生沼气等填埋气体，但填埋气体较难 收集，产气量不足以维持发电装置持续运行，只能采用火炬点燃处理填埋气体， 造成发电设备闲置。 因此，填埋并不是处置餐厨等有机生活垃圾的最好方式。 1 0 1 2 好氧堆肥 青岛市已于2 0 0 9 年建成堆肥厂，采用好氧堆肥工艺处理生活垃圾。在试运行 期间，分选后的生活垃圾连续堆肥产品中存在腐熟程度低、氮磷元素流失严重、 部分重金属超标等问题，严重限制堆肥产品的应用范围【1 4 1 。生活垃圾堆肥处理存 在的诸多问题，限制了堆肥化处理的应用与发展。在生活垃圾分类收集情况下， 单独将餐厨等有机生活垃圾堆肥处理仍存在问题，如餐厨等有机生活垃圾的高含 水率、高含油量、高含盐量等特点对堆肥处理影响较大。因此堆肥也不是处置餐 厨等有机生活垃圾的最好方式。 1 3 1 3 焚烧 焚烧是一种技术比较成熟的垃圾处理方式，在减容9 0 的同时，可回收垃圾 中的能源用来发电。青岛市即将建成垃圾焚烧厂，焚烧将成为继填埋后另一种处 置生活垃圾的主要方式。但是由于餐厨等有机生活垃圾含水率高，热值低，一般 为2 1 0 0 3 1 0 0k j k g ，不能满足垃圾焚烧发电的发热量要求( 5 0 0 0k j 慨以上) ，需 要额外添加更多的辅助燃料以支持燃烧，这样势必造成处理费用的进一步增加， 还会因不完全燃烧产生二嗯英等毒害物质【l6 1 ，公众反对现象严重。另外餐厨等有 机生活垃圾中的n a c l 也可能会增加产生二嗯英的风险，还会提高飞灰中重金属的 浸出率【1 7 1 。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 1 4 厌氧消化 有机生活垃圾的厌氧发酵技术已引起国内外的广泛关注，它在消纳大量有机 废物的同时，可获得高质量的清洁能源沼气和液体肥料，实现资源和能源的回收， 该技术自动化程度高，需要的人力少，容易控制恶臭污染气体，不产生二次污染。 由以上分析可知，厌氧消化不仅能够有效减少垃圾填埋量，有效延长填埋场 的使用寿命，同时还能够回收能源，减少温室气体排放，杜绝二次污染。因此， 在青岛市生活垃圾采取分类管理的前提下，实行餐厨等有机生活垃圾厌氧消化处 理技术是十分必要的。 1 3 2 可行性分析 1 3 2 1 技术成熟可靠 欧洲是世界上应用厌氧消化技术处理生物质废物最普遍的地区，德国、瑞士、 比利时等欧洲国家的生物质厌氧消化技术占据世界领先地位，经过数十年的发展， 已经形成了许多成熟的工艺，例如德国的l i n d e 工艺和b t a 工艺、瑞士的k o m p o g a s 工艺、比利时的d r a n e o 工艺、法国的v a l o r g a 工艺等。 而在我国，早在2 0 世纪7 0 年代，农村小沼气池就在我国南方部分地区得到 了蓬勃发展，人们利用厌氧消化技术对畜禽粪便、农作物秸秆等生物质废物进行 沤肥产沼，并利用产生的沼气作为取暖、做饭等日常生活的能源。如今，畜禽粪 便处理等厌氧消化的规模化工程更是飞速发展。近年来，随着世界各国对城市生 物质废物厌氧处理技术的关注，很多专家学者都对此展开了研究，并取得了很多 有意义的成果2 0 1 。 随着国家对环保产业的投资逐渐加大，餐厨等有机生活垃圾厌氧消化技术逐 渐得到认可，在北京和上海等大城市已相继建成或筹建有机生活垃圾厌氧消化处 理技术。上海普陀垃圾综合处理厂是国内第一个采用厌氧消化技术处理城市生活 垃圾的项目，年处理能力为2 2 7 5 万吨，北京现有高安屯和南宫两座大型垃圾处理 厂处理餐厨垃圾，还筹划在海淀、丰台、东城、西城等区择址新建日处理能力在 4 0 0 吨的大型餐厨垃圾处理设施。 因此，厌氧消化技术在国内有着良好的研究和应用基础。 1 3 2 2 良好的环境和经济效益 运用厌氧消化技术处理有机生活垃圾具有良好的环境效益。杜欣等运用生命 周期评价的方法，比较了餐厨垃圾的两种典型的资源化处理工艺一好氧堆肥和湿 7 青岛理工大学工学硕学位论文 热处理对环境的影响。结果表明，好氧堆肥对全球变暖的贡献较大，碳排放为3 3 7 7 k gc oe q t ，湿热处理为1 6 3 1k gc oe q t 。在环境影响负荷方面，湿热处理的环境 影响负荷总值是好氧堆肥的6 2 5 ；湿热处理是一种对环境影响较小的餐厨垃圾处 理工艺【18 1 。厌氧消化技术能够最大限度实现垃圾的循环和再利用，在处理过程中 避免有害有毒气体和液体的排放。k u l e r 等报道，每吨城市固体有机生活垃圾用“分 选+ 厌氧消化+ 填埋”方式处理比用“分选+ 堆肥+ 填埋”的方式处理产生的二氧化碳 的量要少0 2 吨。 同时，运用厌氧消化技术处理有机生活垃圾具有良好的经济效益。在厌氧生 物处理中，每吨有机生活垃圾产生1 0 0 1 5 0 m 3 沼气，经济效益相当可观；餐厨垃 圾进行厌氧消化处理的残留物无论是作肥料还是作饲料，都可取得较好的经济效 益【1 9 】。 由以上分析可知，青岛市实行餐厨等有机生活垃圾厌氧消化同时具有技术、 经济和环境可行性。 1 4 厌氧消化技术研究进展 1 4 1 厌氧消化机理 厌氧消化过程的主要途径大体分为水解、产酸脱氢和产甲烷三个阶段。 第一阶段：水解阶段 水解阶段由兼性细菌产生的水解酶类，将大分子有机物或不溶性物质分解为 低分子可溶有机物。不溶性大分子有机物在细菌胞外酶的作用下分别分解为长链 脂肪酸、氨基酸和可溶性糖类【1 0 1 。 第二阶段：产酸和脱氢阶段 产酸阶段的微生物群落为产氢、产乙酸细菌，这群细菌只有少数被分离出来， 1 9 6 7 年布莱思特从奥卡氏杆菌分离出s 菌株和m o h 菌株；上一阶段水解形成的 溶解性小分子有机物被产酸菌作为碳源、能源，最终产生短链的挥发性酸。有些 产酸菌能利用挥发酸生成乙酸、氢和二氧化碳 2 0 】。 第三阶段：产甲烷阶段 产甲烷阶段是两组生理上不同的专性厌氧的产甲烷菌群，一组是将氢气和二 氧化碳合成甲烷或一氧化碳和氢气合成甲烷；另一组是将乙酸脱羧生成合二氧化 碳。有2 8 的甲烷来自氢的氧化和二氧化碳的还原；7 2 的甲烷来自乙酸盐的裂解： 产甲烷反应由严格的专性厌氧菌完成，这类细菌将产酸阶段产生的短链挥发性酸 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 氧化成甲烷和二氧化碳【2 5 】。 厌氧消化三阶段机理如图1 1 所示。 图1 1 厌氧消化机理示意图 1 4 2 厌氧消化影响因素 ( 1 ) 温度 温度对甲烷菌的厌氧消化代谢速率影响极为明显，一般不宜选用低温厌氧消 化；对于产甲烷菌代谢来说，温度每升高l o c ，反应速率增加2 - 4 倍；温度变化 正负3 c 时，对厌氧消化有抑制作用，而在正负在5 c 以上，有可能酸中毒或不产 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 气【2 1 1 。吴满昌等【2 2 】模拟加热失败导致温度从5 5 c 突降到2 0 c 时对高温有机生活 垃圾厌氧消化影响时发现，温度突降后，几乎不产气，总v i a 和乙酸、丙酸含量 快速积累。刘伟等【2 3 】研究了温度条件对牛粪厌氧发酵产气特性的影响，结果表明， 高温组总产气量明显高于中温和常温组。在规定的时间内，温度越高，总产气量 越大。张翠丽等 2 4 】研究不同发酵温度对产气速率、产气量及发酵时间的影响时发 现：一定的温度范围内，厌氧发酵的产气速率的最高值出现的时间和发酵周期随 温度的升高而缩短，其峰值和产气量随温度的升高而增加。吴满昌等【2 5 1 认为城市 生活垃圾厌氧处理的较佳温度为5 5 ，消化程度比较彻底，产气率较高，启动时 间较快，有利于病毒、病菌的灭活作用。 ( 2 ) 营养物质 氮、磷是厌氧消化所需要的最主要的营养物质，这些元素是厌氧细胞合成与 生长必需的；厌氧细菌的经验分子式c 5 h 7 0 2 n p o 0 6 ，因此，细胞合成所需的氮和磷 是分别为细胞的挥发有机物的1 2 和0 2 t 2 6 1 。一般来说，可生物降解有机物质应 占总固体的7 0 9 5 ，否则不适合做厌氧消化的有机底物。反应所需的其他物质 包括n a 、k 、c a 、m g 、c 1 、s 、f e 、c u 、z n 等，这些矿质元素等微生物的必要物 质，其主要作用为：构成细胞物质、维持酶活性、调节细胞内渗透压等【2 7 】。 ( 3 ) p h 值 p h 对厌氧消化的影响较大，尤其是在启动阶段。合适的p h 有利于产甲烷微 生物的生长代谢，并建立产酸与产甲烷微生物群落之间的平衡。李东等【2 8 1 研究p h 值对厨余垃圾和废纸原料比例= 6 2 ：3 8 时，p h 为6 5 ，7 2 和7 9 的3 组厌氧消化甲 烷产率分别为9 7 ，2 4 7 和2 7 9m l g ，甲烷含量稳定在6 0 一8 0 。厌氧消化过程 中p h 值变化对其余各项指标变化影响较为明显。苑宏英等【2 9 1 研究p h 对剩余污泥 厌氧发酵产生的c o d 、磷及氨氮的影响，结果表明，对剩余污泥进行p h 值调节， 能够实现s c o d 值的大幅度增高；酸性条件下溶出磷酸盐的浓度明显高于碱性， 中性条件( p h = 7 0 和p h = 8 o ) 产生的浓度与不调p h 值比较接近且为最低。 ( 4 ) 氨氮 大多数研究者认为，n h 3 是氨氮产生抑制性的主要原因。刘冰等【3 0 】研究高氨 氮在厌氧发酵中的抑制作用时发现：氨氮对厌氧颗粒污泥中的产甲烷菌存在正反 两个方面的影响。低浓度时对产甲烷菌有促进作用，而高浓度时则对产甲烷菌有 抑制作用。曹先艳等【3 1 1 以尿素作为氮源时对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响时，研 究结果表明，随着尿素添加量的增大，体系中氨氮的浓度逐渐增大，当氨氮浓度 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 在3 5 8 - - - 7 8 9g l 的范围内，对氢气的产生有促进作用；氨氮浓度超过7 8 9g l 时， 体系的氢气产量开始下降，氨氮浓度为6 2 4g l 时得到最大氢气产率。徐家英等【3 2 】 研究发现，当氨氮浓度为3 3 9 0m g l 时，是厌氧发酵的刺激浓度，可以增加发酵反 应器的产气量；当氨氮浓度为4 8 9 0m g l 时，是厌氧发酵的半抑制浓度，发酵产气 量降低一半。 ( 5 ) 硫酸盐和h 2 s 高浓度的硫酸盐对厌氧消化的抑制影响，除了硫酸根离子本身所造成的离子 强度改变之外，主要是硫酸盐还原作用过程及其代谢产物所带来的影响。主要表 现为：1 ) 基质的竞争性利用，硫酸盐还原细菌可以利用乙酸盐与h 2 作为生长基 质，与产甲烷细菌之间存在基质的竞争性利用；2 ) 硫酸盐还原产物硫化物对细菌 生长的直接抑制作用，又称次级抑制作用。以h 2 s 的毒性最大，因为它能自由地 透过细胞膜，h 2 s 毒性与水溶液p h 值有关【3 3 】。莫文英掣3 4 1 研究硫酸盐对不同浓度 有机废水厌氧消化的影响时发现，随有机废水浓度的升高，硫酸盐对甲烷菌抑制 作用加强。 ( 6 ) 预处理 目前，预处理方式对有机生活垃圾和污泥的厌氧消化的影响已得到广泛研究， 主要方式为：超声波处理、加热处理、微波处理和射线辐照等。沈劲锋【3 5 】采用2 8 7 k i - i z 的低频超声波处理石化污水处理厂的剩余活性污泥，厌氧消化2 5d 的总产气 量比未经超声波处理的污泥总产气量提高了5 3 。张洪林等【3 6 】研究高温预处理对 剩余污泥减量化的影响，经预处理后，有机物易于从污泥中溶出，厌氧消化后， 总产气量增加，沉降性能得到明显改善。冯磊等【3 7 】研究微波预处理对秸秆厌氧消 化影响时表明，微波预处理对秸秆厌氧消化有明显效果，微波强度越大，反应的 p h 值下降越快，秸秆厌氧消化最大日产气量越提前。 1 4 3 工程实例 ( 1 ) 国外 国外城市有机生活垃圾厌氧消化处理起源于2 0 世纪7 0 年代伴随能源危机而 发展起来的。一些发达国家中，厌氧消化技术己成功的市场化，出现了象瑞士 k o m p o g a s 公司、比利时o r g a n i cw a s t es y s t e m s 等专业公司。据统计【3 8 1 ，到2 0 0 8 为止，德国已建成沼气工程3 9 0 0 处，总装机容量达到1 4 0 0m w ，其中典型的沼气 发电工程主要有k l e i ns c h w e c h t e n 沼气发电工程、f a r mw i e s e n a u 沼气发电工程、 f r i e d e r s d o r f 沼气发电工程、s c h t i l l n i t z 沼气发电工程等【3 9 】。1 9 9 6 年奥地利w b l s 处 青岛理工大学工学硕士学位论文 理厂，采用l i n d e k c a d r e s d e n 技术处理规模为1 5 0 0 0t ；2 0 0 0 年7 月加拿大 n e w m a r k e t 处理厂建成运行，每年处理1 5 0 0 0 0 t 有机生活垃圾；荷兰v a g r o n 处理 厂采用w a b i o 技术，年处理垃圾为2 5 万t 。 ( 2 ) 国内 国内厌氧消化技术大多学习西方成熟的技术，比较典型主要有由百玛士环境 投资公司投资建设的上海金山生活垃圾综合处理厂和北京董村生活垃圾综合处理 厂。此外，上海普陀垃圾综合处理厂是国内第一个采用厌氧消化技术处理城市生 活垃圾的项目，工程投资约2 4 亿元，年处理能力为2 2 7 5 万吨。 在中国，已建成运行的餐厨垃圾处理厂主要存在于北京、宁波、乌鲁木齐等 城市，主要采用堆肥化和饲料加工。还有一批项目正在建设或筹建之中，如北京 董村餐厨垃圾处理厂、兰州市餐厨垃圾处理厂等采用厌氧消化技术。如北京现有 高安屯和南宫两座大型垃圾处理厂处理餐厨垃圾，还筹划在海淀、丰台、东城、 西城等区择址新建日处理能力在4 0 0 吨的大型餐厨垃圾处理设施。厦门市正在筹 建一座餐厨垃圾处理厂，用来处理全市的餐厨垃圾柏1 。在乡镇地区，随着农业禽 畜养殖化程度的大幅增加，禽畜粪便的厌氧消化产甲烷技术得到广泛发展。截止 到2 0 0 7 年，吉林省扶余县正常运行使用的沼气池约有2 0 0 0 个【4 1 1 。根据农业部科 教司统计显示【4 2 1 ，到2 0 0 4 年为止，国内利用禽畜粪便厌氧消化中，建成大中型沼 气工程2 6 7 1 处，总池容积达2 8 6 2 7 万立方米，年产沼气量1 7 6 1 8 9 2 万立方米， 沼气发电6 5 1 4 6 8 6 万千瓦时、供气4 7 9 万户。 1 4 4 沼渣和沼液的综合利用 在现代化农业中，农药化肥等大量使用发挥自身作用的同时，对脆弱的生态 环境的破坏会产生十分严重的后果：农药中毒、农药污染、化肥污染和威胁生物 多样性等【4 3 1 。与此同时，随着农业有机废物厌氧消化技术的不断应用，沼液、沼 渣的资源化利用逐渐受到重视。沼液、沼渣是有机废物经厌氧发酵或厌氧消化后 的剩余物质。经厌氧消化，9 5 的寄生虫卵被杀死，而养分大部分得以保留。沼液 沼渣主要成分见表1 2 。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 沼液、沼渣中含有大量的氮、磷、钾化合物、含有一定的菌体蛋白、含有丰 富的氨基酸、丰富的维生素、大量的酶类、丰富的核苷酸、含有一定量的激素和 丰富的矿物质等，沼液、沼渣可以用作优质的有机肥料、饲料添加剂、营养饵料 和生物农药使用【4 5 1 。沼液、沼渣的应用能提高土壤肥力、增加作物产量、改善农 产品品质、提高作物抗病虫害能力、提高经济和社会效益等作用f 4 6 1 。在北京【4 7 1 ， 在实施沼渣综合利用后，每6 6 7m 2 蔬菜增收2 5 0 0 2 8 0 0 元，每日能消纳沼液2 0 4 m 3 。杨正宏掣4 8 】将沼气、沼渣施用于温室蔬菜发现，增施沼渣和沼液后，温室蔬 菜在增加产量的同时，也增加了经济效益，并改善了蔬菜品质，很受消费者欢迎。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 实验材料 第二章实验材料与方法 2 1 1 污泥接种 试验用接种污泥取自青岛市麦岛污水处理厂的污泥消化池，外观为黑色液体。 麦岛污水处理厂处理的主要是生活污水，污水处理采用b i o s t y r 生物滤池，污泥处 理采用中温厌氧消化。污泥的基本理化性质见表2 1 。 表2 1 接种污泥的基本理化性质 2 1 2 餐厨垃圾 随机抽取进入青岛市太原路固体废弃物中转站的市南、市北餐厨垃圾车取样， 主要成分为米饭、面食、蔬菜、肉类、菜汤等。取样后，先手工分拣出贝壳、骨 头以及塑料等杂物，再破碎以增大样品表面积，提高其流动性。经过处理后的餐 厨垃圾置于2 5 c 的冰柜中冷冻保存，实验时恢复至室温进料。餐厨垃圾基本理化 性质见表2 2 。 表2 2 餐厨垃圾基本理化性质 2 1 3 菜场垃圾 实验用菜场垃圾取自青岛市太原路固体废弃物中转站垃圾i 临时堆放场堆放的 菜市场垃圾，主要成分为菜叶等有机生活垃圾。菜场垃圾取多样混合，经过分拣、 破碎等预处理后，置于2 5 c 以下冷冻保存，迸料前取出并恢复至室温。菜场垃圾 基本特性见表2 3 。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 表2 3 菜场垃圾基本理化性质 处理后的餐厨垃圾和菜场垃圾见图2 1 。 ( a ) 餐厨垃圾( b ) 菜场垃圾 图2 ，1 处理后的餐厨垃圾和菜场垃圾 2 2 实验装置 实验装置采用自制高温厌氧反应器，直径o 41 3 1 ，高o 5m ，总容积6 2 8l ，有 效容积约4 0 l 。消化罐外部设有水浴控温系统以维持高温条件( 5 4 - - 5 7 c ) ，搅拌桨 转速为r m i n ；消化罐内部和外部水浴部分均设有温度测量表、压力测量表、进料 口( 直径l o o m m 球阀，手动开关) ，反应器底部设有出料和取样口( 直径1 0 0 m m 阀门，手动开关) 出料口，消化罐外部设有1 0c i l 4 0c n l 观察窗，便于观察消化 罐内物料的变化情况。消化罐上部导气管设有三通，一分支连接煤气表，实验过 程中将煤气表导出管连接于盛有饱和食盐水的大桶里，观察消化过程产气情况， 另一分支用于连接气体成分分析装置。 消化罐各部分结构如图2 - 2 所示。 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 创业燃趾 ( a )( b ) ( c )【d ) 图2 2 实验用消化罐示意图 ( a ) 消化罐结构示意图( b ) 实验用发酵罐( c ) 进料口 ( d ) 出料口 2 3 实验场地 该实验在青岛市固体废物处置有限公司太原路垃圾中转站的污水处理车间进 行，实验时间为2 0 1 0 年6 月2 1 日 - - 2 0 1 0 年9 月1 3 日，其中餐厨垃圾厌氧消化进 行了6 4 天，菜场垃圾厌氧消化进行了8 5 天。在此期间，温度、产气量、累积产 气量试验基地测量，气体成分采用沼气快速测定仪，其余指标均在青岛理工大学 化学实验室进行分析。 2 4 实验过程 实验同时在两个消化罐内进行，其中1 ；f j 消化罐用于餐厨垃圾厌氧消化实验， 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 存消化罐用于菜场垃圾厌氧消化实验。 系统启动初期，分别在两个消化罐内加入4 5l 消化污泥和lk g 餐厨垃圾，进 行污泥驯化，在此阶段温控系统每天升高2 ，直至达到高温厌氧消化所需的5 5 。 此后根据每日反应器内产气情况、p h 、v f a 等指标的变化调整有机生活垃圾投加 量。实验运行初期，采用逐步提高进料量的方式提高有机负荷，后期采用缩短水 力停留时间的方式提高负荷，以期达到最佳的有机负荷及水力停留时间。 实验从2 0 1 0 年6 月2 1 日开始，每隔2 4h 记录温度和产气量，并现场检测气 体组分。从第1 2d 开始，每天在消化罐内物料搅拌均匀后于出料口采集样品约5 0 0 m l ，进行理化性质分析。实验过程中采用碳酸钠人工调节系统p i - i ，具体调节方式 为：在系统p h 值过低时，从出料口放出小部分料液，加入适量固体结晶碳酸钠， 搅拌溶解后从进料口加入消化罐内，由搅拌桨将其与原料液搅拌混合均匀。根据 两个系统的不同p h 值及各项指标变化情况，1 撑餐厨垃圾厌氧消化罐分别于7 月 2 1 日、7 月2 7 日、7 月2 8 日加入结晶碳酸钠5 0 9 、1 0 0 9 、1 0 0 9 ，2 存菜场垃圾厌氧 消化罐于7 月2 1 日一次性加入结晶碳酸钠1 2 0 9 。 2 5 分析测试方法 2 5 1 一般指标测试方法 厌氧消化过程中消化液中各指标的测定t 取适量样品于离心管中，在4 0 0 0 r m i n 转速下离心2 0m i n ，取上清液和固体进行相关指标检测。实验中需要测定分 析的主要项目及测试方法如表2 4 所示。 表2 4 分析测试项目及方法 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 5 2 挥发性脂肪酸各组分的测定 挥发性脂肪酸( v l a ) 各组分浓度由岛津g c 2 0 1 0 气相色谱仪测定，采用h p i n o w a x3 0x0 2 5m i l l 毛细管柱，氢火焰离子化检测器( f i d ) ，分流比4 0 ：1 。 载气：n 2 ，流速为5 0 8m l m i n 左右；空气流速4 0 0m l m i n ，氢气流速4 0 m l m i m 进样口温度2 2 0 c ；检测器温度2 5 0 。c ，进样量为1ul 。升温程序为： 1 0 0 保持1m i n ，然后开始升温，升温速率为5 m i n ，到2 0 0 后保持2m i n l 需要测定的v f a s 主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸和己酸，图 2 3 是这七种挥发性有机酸的色谱图。图中，除2 m i n 左右的峰为溶剂峰之外，从 左到右7 个峰依次是乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸和己酸，其对应 的保留时间分别为6 0 5 8m i n 、7 4 4 2r a i n 、7 8 5 4m i n 、9 3 2 0m i n 、1 1 2 1 5m i n 和1 3 4 1 4 m i n 。 图2 3 挥发性有机酸气相色谱图 实验采用外标法对v f a 进行定量分析，按峰面积计算样品中各种v f a 的浓度。 表2 4 列出了各种v f a 的密度及其在标准状态下的沸点。 表2 - 4 标准状态下各种有机酸的密度和沸点 1 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 5 3 产气量及气体组分测定 产气量的测定采用连接在消化罐上的家用煤气表：检测甲烷气体是用导管与 仪器相连，采用沼气快速测定来分析甲烷含量，每次检测时待气体读数稳定后， 记录气体含量。本实验采用便携式沼气分析仪分析产气中各组分( c h 4 、c 0 2 、0 2 、 c o 、h 2 s ) 含量。 2 5 4 实验仪器 现场监测过程用到的部分仪器见图2 4 。 ( a ) ( c ) ( b ) 一啊露麓裹阳1 1 匿夏萋= _ - _ _ 露至薹叠 ( d ) 图2 4 现场监测部分仪器 ( a ) 自动监控系统 ( b ) 温度表( c ) 沼气快速测定仪( d ) 煤气 1 9 iillt； lr 实验过程中所用的主要仪器如表2 - 5 所示。 表2 5 实验仪器 _ = = 一 仪器名称 刑昙 一。一 = ：二= ： 精密p h 计p h s 3 c 型 电子分析天平 f a 2 0 0 4 n 电热恒温鼓风干燥箱d h g 9101 2 s a 型 离心机 雷勃尔 c o d 恒温加热器 j h 1 2 型 火焰原子吸收分光光度计 岛f l t a a 6 8 0 0 气相色谱仪 麟g o c 2 0 1 0 便携式沼气分析仪 g a 2 0 0 0 2 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 第三章餐厨垃圾厌氧消化研究 3 1 最大有机负荷 餐厨垃圾厌氧消化过程中有机负荷的增加方式为逐步提高进料量，整个实验 过程中有机负荷和进料量的变化情况见图3 1 。 审 毒 堂 撂 斌 器 餮 4 5 4 l 0 5 o l591 31 72 u2 52 93 3 3 74 l4 44 95 35 66 1 时间d 图3 1 餐厨垃圾厌氧消化过程有机负荷和进料量的变化 在实验过程中，通过逐渐增加进料量的方式来提高系统的有机负荷，进而提 高系统系统产甲烷菌群的代谢活性。图3 1 考察了不同有机负荷下系统的运行效 率。在系统运行过程中，当有机负荷逐步提高至3 9 6k g v s m 3 d 时，系统运行情况 较稳定，当迸一步提高有机负荷时，由于进料量过大，系统出现酸累积，产甲烷 性能下降，因此确定本研究餐厨垃圾的最高有机负荷为3 9 6k gv s m 3 d 。在相关文 献中，徐衣显等【5 l 】采用连续半干式餐厨垃圾厌氧消化时反应器有机负荷率可达到 3 0g l d 。彭绪亚等【5 2 】研究高盐分餐厨垃圾厌氧消化时，有机负荷可达到3k gv s 1 1 1 3 d 。s u n k e eh a n 【5 3 】研究u a s b 厌氧发酵产甲烷时，在高挥发性固体负荷下有机 负荷可达到11 9k g m 3 d 。可见，常规反应器中有机负荷维持在3 0k g v s m 3 d ，而 本次餐厨垃