（环境工程专业论文）餐厨垃圾厌氧暗发酵产氢研究：添加金属离子的作用.pdf

d e g r e ep a p e ro fm a s t e rc a n d i d a t ei n2 0 1 0 u n i v e r s i t y e n r o l l m e n n t e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y a n a e r o b i cb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nf r o mf o o dw a s t e ：a n a e r o b i c b i o h y d r o g e np r o d u c t i o ni r o m1 0 0 w a s t e ： e f f e c t so fm e t a li o n s d e p a r t m e n t ： p r o g r a m ： e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e e n v l r o r i m e n t a le ng l n e e r l n g r e s e a r c ha r e a ：e n v i r o n m e n t a lm i c r o o r g a n i s m s u p e r v i s o r ：圣h 垒q 坠p i 塾g 班x 垃y 堑 c a n d i d a t e ： m 曼坠g 董垒i q i n 2 0 1 0 5 华东师范大学学位论文原创性声明 i lyiiiillllllllllt7llllll4llllll2llllll5llltl7ultll3ll硼 郑重声明：本人呈交的学位论文鬟勇煅氧习敏膳缁霸彩藤彩堡孱船的脚，是在华 东师范大学攻读谚左博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 歪釜鍪日期：2 0 p 年多月je l 华东师范大学学位论文著作权使用声明 餐厨娥氧舷旃关铴勉菇勿盔属韶孑约棚系本人在华东师范大学攻读学位期 间在导师指导下完成的硕士博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所 有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如 国家图书馆、中信所和“知网送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范 大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单 位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复 制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密”学位论文书， 于年月同解密，解密后适用上述授权。 ( v ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名垄煎互! ；至多本人签名童垒鍪 别莎年么月f 日 孟飞琴硕士学位论文答辩委员会成员、评阅人名单 姓名职称单位备注 华东师范大学河口海岸 陆健健教授主席 国家重点实验室 华东师范大学科技处， 李恺副教授 华东师范大学生命科学学院 徐亚同教授华东师范大学环境科学系 周志华研究员中科院上海生命科学研究院 张士成副教授复旦大学环境科学与工程系 史家梁教授华东师范大学环境科学系 朱文杰教授华东师范大学生命科学学院 华东师范大学2 0 1 0 届硕上学位论文 摘要 餐厨垃圾厌氧暗发酵制氢是一种既可解决环境污染问题，又可制备清洁燃料 的符合可持续发展理念的餐厨垃圾生物处理技术。目前生物制氢技术中存在产氢 效率低、氢气百分含量低等问题。为提高生物制氢能力，本研究以米浆作为发酵 底物，以矿化垃圾作为添加剂，研究金属离子对制氢体系产氢的影响。采用二次 二因子、二次三因子和二次四因子回归通用旋转组合实验设计和统计学方法，对 四种金属离子对厌氧发酵产氢的影响进行了单一因子和联合因子作用研究，揭示 了多种金属离子共存时产生的总影响效应、交互和主因子作用，为各混合物构建 了专用数学模型。 主要研究结论如下： 1 单质铁、镁离子、镍离子和钼酸根离子4 种金属离子单独作用时，与不添 加金属离子的对照组相比较，实验组的比产氢率都有明显的提高，其中在单质铁 添加浓度为7 5 0 m g l 时，比产氢率最大提高1 8 8 1 7 ；镁离子添加浓度为2 2 5 m g l 时，比产氢率最大提高6 5 9 1 9 ；镍离子添加浓度为0 5 m g l 时，比产氢率最大 提高2 3 5 6 8 ；钼酸根离子添加浓度为0 4 m g l 时，比产氢率最大提高2 7 9 6 0 。 从拟合的结果来看，不同浓度的单质铁( 0 1 0 0 0 m g l ) 、镁离子( o - 3 0 0 m g l ) 、 镍离子( o - 2 m g l ) 和钼酸根离子( 0 1 6 m g l ) 的添加量，不同程度地提高了 体系的最大产氢潜力，缩短了发酵的延滞时间，从而促进了体系产氢量的增加。 2 不同浓度的二元金属混合物对餐厨垃圾厌氧发酵产氢体系的影响不同。 分别拟合了6 个累积氢气产量与金属浓度的回归模型，其中单质铁和镁离子、单 质铁和镍离子的拟合结果经检验显著( p 0 0 1 ) 且拟合效果好( 尺为0 8 1 0 4 ) 8 4 4 ) ； 其余4 个拟合结果效果一般( 尺为0 4 2 2 0 6 7 4 ) 。本实验条件下，二元金属混 合物的联合影响效应因两种金属离子的浓度区间而异。 3 不同浓度的三元金属混合物对餐厨垃圾厌氧发酵产氢体系的影响不同。 分别拟合了3 个累积氢气产量与金属浓度的回归模型，其中单质铁、镁离子和镍 离子的拟合结果经检验显著( 尸 0 0 1 ) 且拟合效果好( r 为0 9 2 1 ) ；其余2 个 拟合结果效果一般( 尺为0 4 8 8 加7 2 0 ) 。本实验条件下，三元金属混合物的联 合影响效应，因三种金属离子的浓度区间而异。 4 用统计学方法研究了单质铁、镁离子、镍离子和钼酸根离子四元金属混合 物对产氢的影响，结果表明，不同浓度的四元金属混合物对产氢发酵的效应不同， l 平东师范大学2 0 1 0 届硕上学位论文 拟合效果一般( 尺为0 5 3 5 ) 。对累积氢气产量影响最大的是单质铁，其次是镁离 子，影响最小的是钼酸根离子和镍离子。在本实验条件下，单质铁、镁离子、钼 酸根离子和镍离子四种金属离子混合物的影响效应因四种金属离子的浓度区间 而异。 关键词：餐厨垃圾；发酵产氢；金属离子；联合效应；统计学方法 a b s t r a c t b i o h y d r o g e np r o d u c t i o nf r o mf o o do r i g i nw a s t ei saf o o dw a s t eb i o - t r e a t m e n t t e c h n o l o g yw h i c hc a l ls o l v ep o l l u t i o np r o b l e m ，b u ta l s op r o d u c ec l e a nf u e l sa c c o r d i n g w i t ht h ec o n c e p to fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t c u r r e n t l y , s o m ep r o b l e m se x i s ti nt h e b i o l o g i c a lh y d r o g e np r o d u c t i o n ，s u c ha sl o we f f i c i e n c yo fh y d r o g e n p r o d u c i n g ，l o w p e r c e n t a g e so fh y d r o g e n t oi m p r o v ec a p a c i t y o f h y d r o g e np r o d u c t i o n ，t h e b i o - h y d r o g e nf e r m e n t a t i o ns y s t e mc o m p o s e do fr i c es l u r r ya sl e a v e n i n g ，a g e dr e f u s e a sa d d i t i v ew a ss t u d i e do nt h el a bs c a l e ，t os t u d ym e t a li o n so nh y d r o g e np r o d u c t i o n o ft h es y s t e m s i n g l ea n dc o m b i n e de f f e c t so ff o u rk i n d so fm e t a li o n s ( i r o n ， m a g n e s i u m ，n i c k e la n dm o l y b d e n u m ) o nh y d r o g e np r o d u c t i o no ft h es y s t e mw e r e i n v e s t i g a t e du s i n gs e c o n do r d e rr e g r e s s i o nc u r r e n tr o t a t i o nd e s i g na n ds t a t i s t i c a l m e t h o d s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h et o t a le f f e c t ，m u t u a li n f l u e n c ea n dp r i n c i p a lf a c t o r e f f e c to fv a r i o u sm e t a li o n sc o e x i s t e n c e i ti sh e l p f u lt oe s t a b l i s hb i o l o g i c a ld e d i c a t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e l n er e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： 1 t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sw e r et a k e nb ya d d i n gd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f f e ，m 9 2 + ，n i 2 + a n dm 0 6 + t ot h eb i o h y d r o g e nf e r m e n t a t i o ns y s t e mi n d i v i d u a l l y h y d r o g e ny i e l do fa l le x p e r i m e n t a lg r o u p sw e r eh i g h e rt h a nt h a to fc o n t r o lg r o u p t h e b e s ti o nc o n c e n t r a t i o no ff e ，m 9 2 + ，n i 2 + a n dm 0 6 + w e r e7 5 0 m g l , 2 2 5 m g l , 0 5 m g l a n d0 4 m g l a n dt h eh y d r o g e ny i e l di n c r e a s e db y1 8 8 1 7 ，6 5 9 1 9 ，2 3 5 6 8 a n d 2 7 9 6 0 c o m p a r e dt ot h a to ft h ec o n t r o lg r o u p ，r e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h ef i t t i n g r e s u l t s ，a d d i n g d i f f e r e n ti o nc o n c e n t r a t i o n so fi r o n ，m a g n e s i u m ，n i c k e la n d m o l y b d e n u mc a ni m p r o v et h em a x i m u mh y d r o g e np r o d u c t i o np o t e n t i a lt ov a r y i n g d e g r e e s ，s h o r t e nt h ef e r m e n t a t i o nl a gt i m e ，a n dp r o m o t eh y d r o g e np r o d u c t i o no ft h e b i o - h y d r o g e nf e r m e n t a t i o ns y s t e m 1 i 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 2 t h ee f f e c t so fm i x t u r co f e a c ht w oi o n so ff e ，m 9 2 + ，n i 2 + a n dm 0 6 + a td i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n sw e r ec o n d u c t e du s i n gs e c o n do r d e rr e g r e s s i o nc u r r e n tr o t a t i o nd e s i g n s i xr e g r e s s i o nm o d e l sa b o u tc u m u l a t i v eh y d r o g e np r o d u c t i o na n di o nc o n c e n t r a t i o n h a db e e ne s t a b l i s h e db ys o f t w a r es p s s1 5 0 ，t h ef i t t i n gr e s u l t so fm i x t u r eo ff ea n d m 9 2 + a n dm i x t u r e o ff ea n dn i 2 + w e r eb e t t e rt h a nt h a to fo t h e rm i x t u r e s ( r ：o 8 1 0 - - 0 8 4 4 , p 0 0 1 ) c o m b i n e di n f l u e n c eo fd i f f e r e n t i o n sa n dp r i n c i p a lf a c t o r e f f e c to fd i f f e r e n tm i x t u r e sw e r ef o u n dt ob ed i f f e r e n ta td i f f e r e n ti o nc o n c e n t r a t i o n i n t e r v a l s 3 t h ei n f l u e n c e so fm i x t u r eo fe a c ht h r e ei o n so ff e ，m 9 2 + ，n i 2 + a n dm o “a t d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sw e r ec a r r i e do u t t h r e er e g r e s s i o nm o d e l sb e t w e e na b o u tt h e c u m u l a t i v eh y d r o g e np r o d u c t i o na n di o nc o n c e n t r a t i o nh a db e e nb u i l tb ys o f t w a r e s p s s1 5 0 t h ef i t t i n gr e s u l t so fm i x t u r eo ff e ，m 9 2 + a n dn i 2 + w a sb e t t e rt h a nt h a to f o t h e rm i x t u r e s ( r ：0 9 2 1 ，p 0 0 1 ) c o m b i n e di n f l u e n c eo fd i f f e r e n ti o n sw a sf o u n dt o b ed i f f e r e n ta td i f f e r e n ti o nc o n c e n t r a t i o ni n t e r v a l s 4 t h ec o m b i n ea c t i o no ft h ef o u rm e t a li o n sw a sa n a l y z e db ys t a t i s t i c a lm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t h y d r o g e np r o d u c t i o n w e r e d i f f e r e n t a td i f f e r e n ti o n c o n c e n t r a t i o n sa n dt h ec o m b i n e de f f e c tw a sc h a n g e dw i t hd i f f e r e n ti o nc o n c e n t r a t i o n i n t e r v a l s a c c o r d i n g t o p r i n c i p l ec o m p o n e n ta n a l y s i s ，f e h a dm o r ei n f l u e n c eo n c u m u l a t i v eh y d r o g e np r o d u c t i o n ，n e x tw a sm 孑+ ，m 0 6 + a n dn i 2 + b a s e do ne x p e r i m e n t r e s u l t s ，t h er e g r e s s i o n m o d e l sb e t w e e nt h et o t a l h y d r o g e np r o d u c t i o n a n d c o n c e n t r a t i o nh a db e e nd r a w no u t ，w h i c hh a db e e nt e s t e do r d i n a r ys i g n i f i c a n c ea n d c o m m o ng o o d n e s so ff i t o nt h et o t a lh y d r o g e np r o d u c t i o ni st h es i n g l eg r e a t e s t i m p a c t o nq u a l i t yo fi r o n ，f o l l o w e db ym a g n e s i u m ，a n dt h el e a s ti m p a c t sa r e m o l y b d e n u ma n dn i c k e l k e yw o r d s ：f o o dw a s t e ；f e r m e n t a t i v eh y d r o g e np r o d u c t i o n ；m e t a li o n s ；j o i n te f f e c t ； s t a t i s t i c a lm e t h o d s i l l 华东师范文学2 0 1 0 届硕士学位论文 符号说明 t s ：t o t a ls o l i d ，总固体含量； v s s ：v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d ，挥发性悬浮固体含量； v f a ：v o l a t i l ef a t t ya c i d s ，挥发性脂肪酸。 使用单位说明 m l n d g 米浆： m l n d gv s s ： m l h 2 h gv s s ： m o l h 2 m o l 总糖： 比产氢量，反应过程中产生的氢气总体积与反应开始加入的米 浆的重量的比值； 比产氢率，反应过程中产生的氢气总体积与反应开始时初始体 系中v s s 的比值； 比产氢速率，单位时间内，产生的氢气总体积与反应开始时初 始体系中v s s 的比值； 以总糖计算的比摩尔比产氢率，反应过程中产生的氢气与反应 开始时初始体系中总糖的摩尔比值。 i v 牟东师范文学2 0 1 0 届硕七学位论文 目录 摘要l a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 研究意义1 1 3 研究内容2 1 4 仓0 新点2 1 5 技术路线3 第二章餐厨垃圾生物制氢国内外研究进展4 2 1 餐厨垃圾的特性与现状4 2 2 餐厨垃圾的处理技术5 2 3 餐厨垃圾生物制氢技术及原理8 2 3 1 生物制氢技术8 2 3 2 生物制氢原理9 2 3 3 生物制氢类型。1 0 2 4 餐厨垃圾生物制氢工艺的影响因素1 1 第三章实验装置和实验方法1 7 3 1 实验材料1 7 3 2 实验装置1 8 3 3 分析测试方法。1 8 3 3 1 气体测试方法1 8 3 3 2 挥发性脂肪酸测试方法。1 9 3 3 3 葡萄糖测试方法1 9 3 3 4 金属指标测试方法。1 9 3 3 5 其他测试方法。2 0 3 4 实验方案设计2 0 3 4 1 单一金属离子的实验设计2 0 3 4 2 多种金属离子的实验设计2 1 3 4 3 数据处理和分析方法。2 4 第四章单一金属离子对餐厨垃圾发酵产氢的影响2 5 4 1 单质铁。2 5 4 1 1 实验设计2 5 4 1 2 实验结果及讨论2 5 4 2 镁离子2 8 4 2 1 实验设计2 8 4 2 2 实验结果及讨论。2 9 4 3 镍离子。3 1 4 3 1 实验设计。3 1 4 3 2 实验结果及讨论3 2 4 4 钼酸根离子3 4 4 4 1 实验设计3 4 4 4 2 实验结果及讨论3 5 4 5 本章小结3 7 v 华东师范太学2 0 1 0 届硕七学位论文 第五章二元金属离子对餐厨垃圾发酵产氢的影响3 8 5 1 单质铁+ 镁离子3 8 5 1 1 实验设计3 8 5 1 2 实验结果及讨论3 9 5 2 单质铁+ 钼酸根离子4 1 5 2 1 实验设计4 1 5 2 2 实验结果及讨论。4 2 5 3 单质铁+ 镍离子4 5 5 3 1 实验设计4 5 5 3 2 实验结果及讨论4 5 5 4 镁离子+ 钼酸根离子4 8 5 4 1 实验设计。4 8 5 4 2 实验结果及讨论4 8 5 5 镁离子+ 镍离子5 1 5 5 1 实验设计。5 1 5 5 2 实验结果及讨论5 1 5 6 钼酸根离子+ 镍离子5 4 5 6 1 实验设计5 4 5 6 2 实验结果及讨论5 4 5 7 本章小结5 7 第六章三元金属离子对餐厨垃圾发酵产氢的影响。5 8 6 1 单质铁+ 镁离子+ 钼酸根离子5 8 6 1 1 实验设计5 8 6 1 2 实验结果及讨论。5 9 6 2 单质铁+ 镁离子+ 镍离子6 2 6 2 1 实验设计6 2 6 2 2 实验结果及讨论。6 3 6 3 镁离子+ 钼酸根离子+ 镍离子6 6 6 3 1 实验设计6 6 6 3 2 实验结果及讨论6 7 6 4 本章小结7 0 第七章四元金属离子对餐厨垃圾发酵产氢的影响。7 1 7 1 实验设计。7 1 7 2 实验结果及讨论7 3 7 3 本章小结7 5 第八章结论与展望7 6 8 1 结论7 6 8 2 研究展望7 7 参考文献7 9 硕士期间研究成果8 5 j 改谢8 6 v i 平东师范大学2 0 1 0 届硕十学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本论文获得上海市科学技术委员会重大课题“有机垃圾高效厌氧发酵综合利 用研究 ( 0 6 d z l 2 0 0 6 ) 的资助。 本课题前期研究发现，以矿化垃圾为添加剂可以提高餐厨垃圾厌氧制氢体系 的产氢效率，并开展了基本工艺条件和运行参数等的相关研究。本论文在此基础 上研究添加金属离子对以矿化垃圾为添加剂的餐厨垃圾厌氧发酵体系产氢效能 的影响，以期提高餐厨垃圾产氢效率，有效实现餐厨垃圾的资源化利用。 1 2 研究意义 当今能源短缺和环境污染成为人类所面临的最大挑战。而氢气作为燃料，具 有高热值、高热效率、无污染等优点，成为目前最具发展潜力的一种新能源。传 统的化学制氢方法采用电解水或热解石油、天然气等，这些方法需要消耗大量的 电力或矿物资源，生产成本也普遍较高。生物制氢以其清洁和可再生等突出优 点，受到了世人越来越多的重视。目前生物制氢主要是光合生物产氢和微生物厌 氧暗发酵产氢。光合生物产氢对光照强度和时间有较高要求，对太阳能的转化率 仍然较低，实际生产应用有一定困难；厌氧暗发酵制氢过程具有微生物比产氢速 率高、不受光照时间限制、可利用的有机物范围广和工艺简单等优点，具有发展 潜力，是理想的制氢方法。 同时，餐厨垃圾是居民生活、食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生 的厨余垃圾和废弃食用油脂的统称。近年来，餐厨垃圾的产生量逐年增大，我国每 天餐厨垃圾的产生量超过2 0 0 0 0 t 。餐厨垃圾含水率高，脱水性能较差，高温易腐， 易孳生蚊蝇、病菌。如果直接作为饲料使用，会对牲畜进而人类健康造成危害。 因此，有关餐厨垃圾的合理利用和处理方式的研究己日益引起重视。因此，将餐 厨垃圾作为厌氧暗发酵制氢的有机来源，既可解决生活垃圾的环境污染问题，又 可制备清洁的燃料能源，具有现实而又长期的战略意义。 但是，单独的餐厨垃圾厌氧暗发酵的产气量低且氢气浓度不高一直制约其发 展，如何在外加添加剂的情况下促进厌氧发酵高效产氢成为研究的重点。添加矿 化垃圾对于餐厨垃圾产氢发酵的促进不仅是通过其中富含的c a 2 + 、m 9 2 + 等离子的 华东师范土学2 0 1 0 届硕十学位论文 浸出对体系p h 值的提升实现的，而且也与矿化垃圾的来源和特定的形成条件是 有关。通过添加矿化垃圾以及金属离子，研究其对提高生物制氢产量有十分重要 的意义。 1 3 研究内容 为提高生物制氢能力，本研究以米浆作为发酵底物，以矿化垃圾作为添加剂， 研究金属离子对制氢体系产氢的影响。 1 ) 研究单质铁、镁离子、钼酸根离子、镍离子四种金属离子对产氢性能的 影响，并利用改进的g o m p e r t z 模型对不同金属离子浓度体系的产氢过程进行了 非线性拟合，从而得到不同体系的发酵产氢动力学常数。 2 ) 二次二因子实验，研究单质铁+ 镁离子、单质铁+ 钼酸根离子、单质铁+ 镁离子、镁离子+ 钼酸根离子、镁离子+ 镁离子、钼酸根离子+ 镍离子的金属离子 组合对产氢性能的影响，并利用m i n i t a b l 4 0 以及s p s s l 5 0 进行数据处理，从而 得到可以提高产氢效果的最佳金属离子浓度组合。 3 ) 二次三因子实验组合包括单质铁+ 镁离子+ 钼酸根离子、单质铁+ 镁离子+ 镍离子、镁离子+ 钼酸根离子+ 镍离子的金属离子组合对产氢性能的影响，并利 用m i n i t a b l 4 0 以及s p s s l 5 0 进行数据处理，从而得到可以提高产氢效果的最佳 金属离子浓度组合。 4 ) 二次四因子实验组合单质铁+ 镁离子+ 钼酸根离子+ 镍离子的金属离子组 合对产氢性能的影响，并利用m i n i t a b l 4 0 以及s p s s l 5 0 进行数据处理，从而得 到可以提高产氢效果的最佳金属离子浓度组合。 1 4 创新点 1 ) 生物制氢过程中添加金属离子对产氢性能的影响方面已经进行了大量的 研究，本论文是基于添加了矿化垃圾的产氢体系，矿化垃圾中成分复杂，含有各 种金属离子，本研究旨在利用添加矿化垃圾的产氢体系，从产氢量、产氢速率、 比产氢率等方面，进一步研究添加金属离子对产氢性能的影响； 2 ) 采用二次多因子回归通用旋转组合设计方法设计实验，以寻求在不降低 实验精度的基础上减少实验次数，但能更方便地找到提高产氢效果的最佳金属离 伊1 子浓度组合。 2 年东师范文学2 0 1 0 届硕十学位论文 1 5 技术路线 j 幽一企属直军髟晌 i 1 平置脶同3 彩叫叫 i 确 产 产 一二元金属离子影响 定 结 氢氢 最 小小 佳 论 试试 ， 金 与 装预 属 置试 一三元金属离子影响 离 建 构验 子 议 建 组 厶 口 ll i d 弄厶属直军影晌 i 叫凹兀孟，禺同 影“l 哪i 图1 - 1 技术路线 3 平东师范文学2 0 1 0 届硕士学位论文 第二章餐厨垃圾生物制氢国内j l - 研究进展 在未来的生物制氢技术中，利用微生物从含碳水化合物的工农业废弃物或有 机废水中获取氢气具有巨大的潜力。厌氧菌利用碳水化合物作为能量来源，并将 其转化为氢气。这个过程不需要太阳能，还可以同时实现产能和除废的双重目的。 因此，从可再生的有机废水或有机废弃物中利用厌氧发酵过程生产氢气，在生物 制氢和环境保护领域展现了巨大前景。 2 1 餐厨垃圾的特性与现状 餐厨垃圾指的是在居民日常生活以及食品力n - r _ 中产生的食物废料，主要来源 于学校食堂、超市、餐馆等餐饮服务业以及农贸市场等地点，是城市生活垃圾的 主要组成部分。近年来，随着我国城市人民生活水平的提高，餐厨垃圾的产生量 迅速增加。据统计【1 1 ，国内主要城市的餐厨垃圾产生量均已超过1 0 0 0 t d ，其中北 京高达1 6 0 0t d ，上海达1 3 0 0t d ，杭州也在1 0 0 0t d 左右。 餐厨垃圾组成十分复杂，随季节及地域波动很大，而且餐厨垃圾由于其高含 水率和低热值的特点，一直缺乏妥善的处理和利用方法。例如，餐厨垃圾直接用 来喂猪，产生垃圾猪，会引发人畜共患疾病等。另外，由于水份高，发热量低， 一般为2 1 0 0 3 1 0 0 l 【j k g ，如与其它生活垃圾进行焚烧，不能满足垃圾焚烧发电的 发热量要求( 即5 0 0 0l 以上) ，而且还能产生二恶英等毒害物质1 2 1 。 由于我国城市生活垃圾分类体系尚不完善，数量巨大的餐厨垃圾对现有的城 市生活垃圾收运和处理处置产生了许多不良影响。因此，如何将餐厨垃圾单独收 集，并进行高效资源化利用已逐渐成为国内外餐厨垃圾处理研究关注的热点之 一。 总体上，我国餐厨垃圾具有以下特性【3 1 。 1 ) 产量大。餐厨垃圾的产生量越来越大，据统计，目前上海市每天餐厨垃 圾的产生量己达1 3 0 0 余吨。对餐厨垃圾的及时收集、处理直接牵涉到市容环境、 卫生等众多方面的协调工作。 2 ) 高含水率。较高的含水率( 约8 0 - 9 0 ) 对餐厨垃圾的收集、运输和处 理都带来难度。餐厨垃圾渗沥水还可通过地表径流和渗透作用，污染地表水和地 下水。 3 ) 易腐性。餐厨垃圾中有机物含量高。在温度较高的条件下会快速腐烂发 4 平东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 臭，造成滋生病菌、病毒的传播和感染等。 4 ) 环境危害大。餐厨垃圾的以上这些特性对人和周围环境造成不良影响， 影响人的视觉、味觉等的舒适感和生活卫生条件。 2 2 餐厨垃圾的处理技术 国际上餐厨垃圾单独处理的方法有很多，有卫生填埋、高温好氧堆肥、餐厨 垃圾处理机处理，以及饲料化等。这些处理方法都存在着不少缺点，如卫生填埋 需要占用土地、产生渗滤液过多，产生二次污染；高温好氧堆肥的缺点主要是由 于垃圾中杂质太多，无法经堆肥进行完全分解，从而影响堆肥品质，而且产生的 气味问题较难解决；餐厨垃圾处理机目前主要是把垃圾粉碎后直接排人下水道， 容易堵塞水管，增加污水处理厂的负荷，增加水耗等缺点；目前我国还没有建立 餐厨垃圾处理管理体系，缺乏相应的管理政策和适宜的处理技术，最普遍的处理 方式就是与其它垃圾混合在一起【4 捌，这势必会对现有的城市生活垃圾收运和处 理处置产生许多不良的影响。 1 土地填埋处理技术 土地填埋技术是在地球表面浅地层中按一定要求处置废物，其设计、施工质 量和运行管理应能保证减少所填埋的废物对环境和周围人体健康的影响。填埋法 一般分为卫生填埋法和安全填埋法。当填埋场填满后，要使用最终覆盖层将填埋 场加以封闭。这是建立在保护环境基础上的固体废物最终处置的重要手段。 餐厨垃圾的有机物中可生物降解组分比例较高，很适合于填埋场气体利用技 术。因为餐厨垃圾的产气速度很快，稳定时间比较短，有利于垃圾填埋场的恢复 使用。其缺点主要因为过高含水率导致填埋后产生较多渗滤液。过高渗滤液也对 填埋的土地、及填埋设施要求较高，这导致填埋成本升高。因此渗滤液污染控制 是填埋场设计、运行和封场的关键性问题，其中设计的一个重要作用就是阻断渗 滤液同环境的联系。另外，因为餐厨垃圾厌氧发酵产生沼气，如无收集措施会造 成二次污染。 2 好氧堆肥法 好氧堆肥法是利用微生物人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质 转化的生物化学反应过程。自然界中有很多微生物具有氧化、分解有机物的能力， 而城市有机废物则是堆肥微生物赖以生存、繁殖的良好物质条件。利用固体废物 中微生物的新陈代谢作用，进行微生物的自身繁殖，从而将可生物降解的有机物 5 华东师范文学2 0 1 0 届硕上学位论文 转化为二氧化碳、水和热，同时生成腐殖质。 国内有研究将好氧工艺应用于餐厨垃圾处理，当通风量为o 2m 3 h ，处理量 为0 6 k g d 以下时，该工艺能耗低，反应速度快，减重效果好，且剩余污泥产量 最少，这在技术上是可行的【6 】。席北斗【7 】等研究表明添加锯末、树叶、秸杆和干 马粪等蓬松剂时，可以提高餐厨垃圾堆料好氧速率和产c 0 2 能力，并能较好地 控制出口的h 2 s 浓度，特别当添加干马粪和锯末可明显改善堆料孔隙率，加速 氧和有机物的传输速率。o l e n as t a b n i k o v a l 8 】等研究表明向餐厨垃圾中添加2 0 的 园林垃圾，将在好氧、搅拌、5 5 6 5 的条件下混合堆1 0 d 后所得的生物肥料以 4 的比例添加到土壤中，可以提高番薯的产量1 倍。吕凡等【9 】利用自制的装置， 对餐厨垃圾进行高温好氧消化工艺的研究。其研究发现，当p h 为6 0 6 8 ，含 水率为4 5 5 5 ，水淬碳氮比c o d 与有机氮质量比为1 9 ：1 2 2 ：1 时，反应温度 在5 5 6 5 可以达到最大减量率。 j a e j u n gl e e 1 0 】等以化学肥料为参照，研究发现施用餐厨垃圾堆肥后新鲜莴 苣的产量是对照样的3 4 倍，同时土壤微生物数量以及活性明显提高，并有利于 植物氮素的吸收利用。y a o 。w uh e 1 1 】研究了餐厨垃圾等食品废物好氧堆肥过程中 c h 4 以及n 2 0 等温室气体的排放，结果表明初期是产生n 2 0 的排放高峰，2 d 后 逐步回复到大气环境的本底值。而在加入牛粪的情况下，在堆肥的全过程均产生 n 2 0 的排放，并形成两次排放高峰。同时，尾气中还排放出c h 4 。这说明即使在 强制通风的情况下，餐厨垃圾颗粒内部仍然存在缺氧和厌氧环境，通过厌氧菌的 加入，从而产生甲烷气体。 3 厌氧发酵处理 厌氧发酵处理是指在厌氧状态下利用厌氧微生物使有机物转化为c h 4 和c 0 2 的厌氧消化技术。2 0 世纪7 0 年代初，由于能源危机和石油价格的上涨，该技术得 到了飞速的发展。目前，厌氧消化技术主要向以下三个方面发展：一是大型化、 工业化；二是开发以作物秸秆为“主 原料的厌氧消化技术；三是沼气的工业化 应用。 餐厨垃圾厌氧发酵处理的优点在于厌氧微生物的高有机负荷承受能力，全封 闭的生物反应器减少了处理过程对环境的二次污染，更为重要的是在处理废弃物 的同时回收生物质能( 氢气、甲烷) ，这对于能源日益紧张的现今社会具有更重要 的现实意义。其中，厌氧发酵制氢技术具有微生物比产氢速率高、无光照要求， 可利用底物范围广以及工艺简单等优点；同时，餐厨垃圾有机物含量高，具有较 6 牟东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 高的可生物降解性。因此，厌氧发酵制氢技术是目前餐厨垃圾大规模处理利用的 主要发展方向。但