（环境工程专业论文）半连续式与序批式餐厨垃圾与猪粪混合厌氧消化试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本论文选取餐饮场所的餐厨垃圾为对象，接种物猪粪取自成都市郊区一养殖户， 在不同有机负荷条件下，将餐厨垃圾与猪粪混合进行中温厌氧消化，分别采用半连续 与序批式进料方式。 在中温3 5 条件下，对厨余垃圾与猪粪进行混合厌氧消化试验，采用半连续式 进料方式，逐渐提高加入物料的有机负荷率。结果表明；在0 5 9 v s l d 和0 7 5 9 v s l d 有机负荷条件下，混合厌氧消化系统所产生的v f a 与氨氮，能够使系统的酸碱度( p h 值) 维持在有利于产甲烷细菌的生长和繁殖的范围内。甲烷含量可稳定在4 8 - 5 7 范围 内，甲烷含量最大值可达6 0 2 8 。甲烷产率与日产气量表现趋势一致，甲烷产率最高 可达4 8 3m l v s g d 。整个厌氧消化系统产酸到产甲烷阶段的微生物的消长与生化反 应均能达到动态平衡。 在中温3 5 条件下，对厨余垃圾与猪粪进行混合厌氧消化试验，按照有机负荷 为o 5g v s l d ，采用序批式填料方式，总共运行6 1 天。结果表明：序批式厌氧消化 试验过程中p h 由最初的7 1 下降到6 5 ，然后又逐渐回升至7 0 ；v f a 含量最高达到 8 1 6 0 m g l ，随着反应的进行，v f a 逐渐被转化成c h 4 和c 0 2 等物质排出，使系统内的酸 性物质得到降解，系统产气恢复正常，日产气量在试验的第4 5 天达再次达到峰值5 5 7 0 m l d ，最高甲烷含量为6 8 9 2 4 5 ；甲烷产率为3 2 3 m l g v s ，累计产气量为11 6 3 6 6m l 。 由此可见，在0 5g v s l d 有机负荷条件下，序批式混合厌氧消化反应经过水解酸化 阶段后，能够顺利进入到产甲烷阶段，使消化系统运行稳定。 关键词：半连续；序批式；厌氧消化；餐厨垃圾；畜禽养殖废物：有机负荷： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 暑鼍旨量量置量鼍舅量量皇量量鼍i ii i 皇曼皇暑曼置舅曼曼曼曼曼璺 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，s t u d i e ss e m i - c o n t i n o t i sa n ds e q u e n c i n gb a t c ha n a e r o b i cc o - d i g e s t i o nw i t h t h ek i t c h e nw a s t ea n dp i gw a s t ea tt h et e m p e r a t u r eo f3 5 c s e l e c t e dt a r g e t e di n o c u l u mp i g w a s t ef r o mt h eo u t s k i r t so f c h e n g d u as e m i - c o n t i n o u sa n a e r o b i cc o - d i g e s t i o nw i t ht h ek i t c h e nw a s t ea n dp i gw a s t ea tt h e t e m p e r a t u r eo f3 5 t o1 1 l et e s tw a sg r a d u a l l yi n c r e a s e do nt h eo r g a n i cl o a d i n gr a t e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ev f aa n da m m o n i ap r o d u c e dc o u l dm a i n t a i nt h ep hi nac e r t a i nr a n g e ， w h i c hc o u l dh e l pm e t h a n o g e n i cb a c t e r i ag r o w t ha n dr e p r o d u c t i o n 、航t ht h eo r g a n i cl o a do f 0 5 9 v s l da n do 7 5 ：g v s l d t h em e t h a n ec o n t e n tc o u l db es t a b i l i z e da t4 8 - 5 7 ，a n dt h e m a x i l l u mv a l u ec o u l dr e a c h6 0 2 8 t h em e t h a n ep r o d u c t i o nr a t ea n dt h ep e r f o r m a n c eo f d a i l yg a sp r o d u c t i o nr a t ew e r ei nt h ec o n s i s t e n t , a n dt h em a x i m u m m e t h a n ep r o d u c t i o nr a t e s c o u l db er e a c h e db y4 8 3m l v s g 1 d 1 n l cp r o c e s sf r o mp r o d u c i n go ft h eo r g a n i ca c i dt ot h e m e t h a n o g e n i cp h a s ec o u l db er e a c h e dad y n a m i ce q u i l i b r i u m a s e q u e n c i n gb a t c ha n a e r o b i cc o d i g e s t i o nw i t ht h ek i t c h e nw a s t ea n dp i gw a s t e a tt h e t e m p e r a t u r eo f3 5 v v i t ht h eo r g a n i cl o a do f0 5 9 v s l 也r u n n i n gat o t a lo f6 1d a y s 1 1 1 c r e s u l t ss h o wt h a tt h ep hf r o mt h ei n i t i a l7 1d r o p p e dt o6 5 ，a n dt h e ng r a d u a l l yr o s et o7 o ； 1 f 1 1 ev f ac o n t e n tu pt o816 0 r a g la n dv f aw a sg r a d u a l l yt r a n s f o r m e di n t oc h 4a n dc 0 2 a n do t h e rs u b s t a n c e sd i s c h a r g e dw i t ht h er e a c t i o n , ，s ot h a tt h ea c i d i t yo fas u b s t a n c ew i t h i n t h es y s t e md e g r a d a t i o n , s y s t e mg a sp r o d u c t i o nb a c kt on o r m a l ，d a i l yg a sp r o d u c t i o nr e a c h d e t op e a k5 5 7 0m l d - i ，t h em a x i m u mm e t h a n ec o n t e n to f6 8 9 2 4 5 ；t h em a x i m u mm e t h a n e p r o d u c t i o nr a t e sc o u l db er e a c h e db y3 2 3m l v s g q d 1 ，a n dt h ec u m u l a t i v eg a sp r o d u c t i o n f o rt h e11 6 3 6 6m l t h u s ，t h es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t i o nm i x t u r eo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n p h a s ea f t e rh y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o na n ds m o o t h l yi n t ot h em e t h a n ep r o d u c t i o np h a s e 、航mt h e o r g a n i cl o a do fo 5 9 v s l d ，s ot h a tt h ed i g e s t i v es y s t e mr u n n i n gs t a b l e k e yw o r d s ：s e m i - c o n t i n u o u s ；s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ；a n a e r o b i cc o - d i g e s t i o n ；k i t c h e n w a s t e ；l i v e s t o c ka n dp o u l t r yw a s t e ；o r g a n i cl o a d i n gr a t e s ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 中国经济持续快速的增长以及城市化进程的不断加快，使环境中排放的垃圾也越 来越多。垃圾的不合理处置会产生一系列的影响：严重危害城市环境、破坏城市景观， 传播疾病，威胁人类的生命安全。自1 9 7 9 年以来，我国的城市生活垃圾以平均每年8 9 8 的速度增长，少数城市，如北京等大型城市垃圾的增长率达1 5 2 0 。同时我国城 市垃圾中有机成分占垃圾总量的4 5 5 5 ，其主要来源是餐厨垃圾，餐厨垃圾来源复杂， 含有各种细菌、病原菌，若和城市其他垃圾混在一起进入垃圾收运体系，不仅产生令 人不快的气味，同时影响周围环境，形成的恶臭气体还会造成不同程度的空气污染。 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。由于缺乏适宜的处 理技术，我国餐厨垃圾引发的“泔水油”、“潜水猪 以及城乡环境污染等问题，巫待 解决：另一方面，餐厨垃圾，营养成分丰富，有机质含量非常高，配比均衡，是理想 的厌氧沼气能源化基质之一n 1 。利用餐厨垃圾厌氧发酵获得生物质能源，对于解决我国 日益严重餐厨垃圾环境污染问题与能源危机具有十分重要的现实意义。其次，由于畜 禽奶品以及相关制品需求量的增加，带动了规模化、集约化的养殖场和养殖小区不断 增加，畜禽养殖废物和污水排放量也随之增加，畜禽养殖所产生的环境污染问题也越 来越突出。根据国家环保部统计：我国1 9 9 9 年畜禽废弃物产生量已约1 9 亿吨，是工业 固体废物的2 4 倍；在2 0 0 2 年就已经达到约2 7 5 亿吨，为当年工业固体废弃物产生总量 的2 9 l 倍乜1 。可见，畜禽养殖废物已成为我国农村面源污染的主要来源之一。另外，城 市生活污水处理厂所排放的污泥作为城市固体废弃物的另一重要来源之一，由于其含 有大量的有机质、病菌、寄生虫和有毒有害物质而且常伴有恶臭，如果不经过适当的 处理也会对环境造成严重的二次污染刊，根据资料表明，全国城市生活污水处理厂每 年排放干污泥大约3 0 万吨以上并且正以每年大约1 0 的速度增长口吲。还有一些农作物废 弃物，如秸秆等不能得到有效的处理，也会带来环境污染问题。 另外，随着人们生活水平的不断提高，环境保护和资源的合理利用已经成为当今 世界社会经济、生态环境和谐发展的两大主题。一方面，经济的快速发展必然会引起 各种资源大量消耗，居民生活消耗能源的状况呈现一种持续增长的态势。城市化进程 加快是我国目前经济发展阶段的显著标志，城市崛起对大量钢材、水泥、电力等资源 的消耗，必然导致能源短缺。同时全球经济的高速发展建立对石油、天然气和煤炭等 一次性能源消耗的基础之上，尤其是发展中国家。2 0 0 4 、2 0 0 5 年我国的农业能源消耗 总量为7 6 8 0 0 0 、7 9 7 1 5 3 万t 标准煤；农村生活能源2 0 0 4 年消费煤炭、焦炭、天然气分 别为5 2 1 3 1 5 万t 、6 7 0 9 万t 、4 2 8 9 亿m 3 ，2 0 0 5 年分别为：5 5 7 5 4 6 万t 、5 7 6 3 万t 、5 0 6 8 亿m 3 n0 i ，按照如此能源需求持续增长将对我国能源的供给形成很大压力。随着经济规 模进一步扩大，能源需求还会呈现持续高速地增加，供求矛盾将长期存在，能源产业 的发展将会因为资源相对短缺而受到制约。能源技术相对落后也会影响能源产业的发 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 展以及能源供给能力的提高。可再生能源、清洁能源、替代能源等技术的开发相对滞 后，节能降耗、污染治理等技术的应用还不广泛，这将导致我国在相当长一段时间内 处于能源短缺中m 1 。另一方面，对一次性能源的大量消耗，特别是化石能源的大量消 耗产生大量温室气体，使全球变暖，生态平衡被打破，导致极地冰川融化，海平面上 升，各种气候灾害频频爆发，同时产生的c 0 2 、n o x 等气体，大量排放到空气中，导致水 体污染、植被破坏、森林减少、水土流失、土壤沙化、臭氧层破坏等一系列的环境问 题，s 0 。、粉尘造成酸雨和水环境污染等重大环境事故频发n 羽。 由于厌氧发酵技术具有多功能性，既利用了农业、畜牧业废弃物、餐厨垃圾等， 治理了环境污染，又为人们提供了生物质能源，同时还可为农户提供有机肥料，所以 越来越受到人们的关注n 3 1 刖。餐厨垃圾和畜禽养殖废物又是生物质可再生能源，采用厌 氧消化可将其有效再生能源化。以厌氧消化的方式处理餐厨垃圾、畜禽养殖废物具有 成本低、环境效益好等优点，可有效实现垃圾的减量化无害化和资源化。餐厨垃圾 的可降解程度高，具有很高的产甲烷潜力，但是厨余单独消化时容易引起料液酸化，并 最终导致消化失败。混合厌氧消化技术是根据不同物料生物质垃圾的特性，将两种或 两种以上的生物质物料进行混合处理，可促进物料的营养平衡，增加系统稳定性，可 获得比单类生物质物料厌氧消化更高的的产气量。 因此，在能源短缺的今天，为了解决我国严重的能源短缺问题以及日益严重的环 境问题，我国从2 0 世纪7 0 年代开始展开了农业、畜牧业废弃物、餐厨垃圾的厌氧发酵 生产沼气的研究工作“副。尤其是两种或两种以上有机废物混合进行厌氧消化，可以更好 地调节微生物所需的营养，同时处理了几种消化原料，并且显著提高消化器的容积产气 率n 6 】，而提高沼气产量已是厌氧消化研究领域的热点之一。因此，开展生物质垃圾混 合厌氧消化技术研究，对生物质废物资源化处理具有重大意义。 1 2 餐厨垃圾的产生及处理现状 1 2 1 餐厨垃圾的来源与组成 餐厨垃圾，俗称泔脚，主要是指居民日常生活消费过程形成的废弃物，以及餐 饮服务行业、学校单位食堂、食品加工业等场所所产生的垃圾，还包括一些过期食 品等。餐厨垃圾的主要成份有米和面粉类食物残余，蔬菜、果皮、动植物油、果核、 豆腐、肉食、骨头等。从化学组成上，有淀粉、蛋白质、脂类、纤维素和无机盐等。 不同的地点、场所以及季节的变化对餐厨餐厨垃圾的组分、含量都有影响。餐厨垃圾 含有较丰富的营养物质、由于其有机物含量高，因此也极易腐烂变质，散发恶臭，传 播病毒和细菌。 餐厨垃圾根据来源不同，主要分为餐饮垃圾和厨余垃圾。前者产生自食堂、饭店 等餐饮行业的残羹剩饭，其特点是有产生量大、分布广、来源多，后者主要主要来自 居民日常生活烹调中废弃的下脚料，数量没有餐饮垃圾那么大。餐厨垃圾，是城市生 活垃圾的重要组成部分。据相关数据统计，我国餐厨垃圾产生数量巨大，目前大小 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 餐馆有3 5 0 多万家，2 0 0 7 年餐厨垃圾全年产量约为9 0 0 0 万吨。目前，垃圾围城 现象日益严重，以北京、广州、杭州、上海等大城市为例，其餐厨垃圾每天产生量 均超过1 0 0 0 吨。也有报道称，在中国，餐厨垃圾每天产生量超过2 0 0 0 t 1 。餐厨 垃圾是生物质垃圾的重要组成部分，内含大量的营养物质，而且产生相对比较集中， 主要成分是油脂和蛋白质，可以加工成高能蛋白优质饲料，因此，利用餐厨垃圾集 中资源化处理，不仅能解决我国能源的缺口，同时能改善日益严重的环境问题，可 谓一举两得。 1 2 2 国外餐厨垃圾处理现状 全世界各个国家都对餐厨垃圾的处理普遍关注，同时餐厨垃圾污染也是亟待解 决的问题。由于不同生活方式，国情特点，各个国家和地区，对餐厨垃圾的处理处 置方法上都具有一定的差异性。 就目前来看，美国对餐厨垃圾的处理主要以填埋为主，由于美国各州的政策不 同，对处理餐厨垃圾的处理方式也有所不同，加利福尼亚，利用餐厨垃圾发电的技 术广为推展，并取得了一定成绩，同时蚯蚓堆肥、密封式容器堆肥等餐厨垃圾处理技 术在美国的中西部地区越来越多的被应用，各个州都根据自己的当地具体情况，建 立了适合自己的餐厨垃圾处理回收体系n 引。对于居民厨房等单位，餐厨垃圾生产量 较小，则安装餐厨垃圾处理机，将垃圾粉碎后排入下水道。而对餐厨垃圾生产量较大 的单位，必须安装餐厨垃圾粉碎机以及油脂分离装置，油脂可以送到相关的加工厂 加以利用，分离出来的垃圾排入下水道n 9 1 。在日本，一项称之为“厨房垃圾消除机 的高科技，在政府支持下，越来越受到家庭的欢迎，利用现代生物技术，从在源头 彻底消除厨房垃圾，正在逐步推向世界。这种厨房垃圾消除系统突破了传统的发酵 分解，是现代生物技术与微电脑技术的巧妙结合，不论生熟，经过数小时或2 - 3 天 分解，从体积上几乎全部消失。2 0 0 5 年之前，韩国对餐厨垃圾的处理方法是填埋， 堆肥方式处理餐厨垃圾并不盛行，填埋方式持续了相当长一段时间，2 0 0 5 年之后， 韩国政府出台政策禁止采用填埋方式处理餐厨垃圾，因此，其处理方式就逐渐转变 为生物反应器浆状好氧处理、厌氧消化一生物气回收。相对来说，像德国、英国、法 国等欧洲各国，还有北欧地区一些较发达国家，都有相对较为完善的餐厨垃圾管理 和处理体制n 钔。例如丹麦，鼓励垃圾回收，尤其是餐厨垃圾中可利用的有机垃圾， 从1 9 8 7 年实行填埋税收，每年提高费率：1 9 9 6 年开始，荷兰禁止使用填埋方式处理 有机生物垃圾，主要是通过好氧处理为主：德国是一个非常重视生态平衡的国家， 很多大企业正在实现餐厨垃圾变废为宝的目标，价值5 0 0 亿欧元的垃圾处理业是现 在德国经济增长最快的一个部分硷引。 1 2 3 国内餐厨垃圾处理现状 目前，国内对餐厨垃圾的处理，都是将它同其他生活垃圾混合一起处理，用于 堆肥、焚烧、填埋等。考虑到餐厨垃圾的高含水率、低热值、高有机质的特点，国 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 - - 口 内在实验上开始采用单独厌氧消化研究，可以产生生物气，获得可观的经济效益。 目前处理餐厨垃圾有效地方法有生物转化、热解、焚烧等口。 生物转化法是好氧堆肥和厌氧消化两个分支，利用微生物的新陈代谢作用实现 垃圾的减量化、稳定化、无害化、资源化。餐厨垃圾的脱水性能较差，是由于它的 含水率一般在8 0 - - - - 9 0 左右，而好氧堆肥化最适含水率为5 0 - - - 6 0 ，水分超过7 0 ， 分解速度明显降低心引。餐厨垃圾含水率高，含盐量高，p h 值较低，使其生化转化过 程有其自身特性。厌氧消化，是将收集来的餐厨垃圾经发酵得到生物气，主要成分 为甲烷，再经催化反应提取氢气，并供给燃料电池发电堙副。 热分解法是将垃圾在高温下进行热解，利用有机物的热不稳定性，在缺氧或无 氧条件下进行加热蒸馏，使其转换成燃气、油和固形炭，然后再进行利用。同时， 在热解过程中，垃圾中所含氦、硫、氨等保持还原状态，因而对装置的腐蚀较小。 热分解法技术尚未达到实用阶段，目前应用较少。 焚烧是在特制的焚烧炉中进行的，是高温分解和深度氧化的综合过程，有较高 的热效率，可实现能源的回收利用。固体废物经过焚烧，体积可以减少8 0 一9 5 ， 但餐厨垃圾含水率高，热值较低，燃烧时需要添加辅助燃料，因此，采用焚烧法处 理餐厨垃圾存在投资大，产生的尾气排放以及处理受限制等因素影响，难于广泛应 用。 但总体来说，我国目前最普遍的餐厨垃圾处理方式就是直接混合填埋、混在普 通垃圾中，或者直接运到猪场喂猪，由于没有专门的统一法律法规可供遵循，同时 缺乏相应的管理政策和适宜的处理技术，因此，一些城市制定了自己的餐厨垃圾处 理政策。随着社会的发展，人们的观念也在不断地改变，同时也出现了新的技术， 关于餐厨垃圾处理的相关法律法规也在逐步制定和完善中，如上海的上海市餐厨 垃圾收运处置收费管理试行办法、杭州的杭州市餐厨垃圾处置管理暂行办法、 北京的北京市市容卫生条例等政策法规 1 9 o 随着人们对餐厨垃圾研究，以及废 弃物资源化的理念，渐渐开始实施餐厨垃圾的分类收集和单独处理，同时作为肥料、 用作动物饲料和转化为能源处理方法正在取代传统的处理方法，填埋的处理方法 正在被淘汰，其中，受到越来越多关注的餐厨垃圾的能源化处理正在迅速的发展。 沼气发酵工程易于实现，技术成本低廉，产品资源化效率高，是目前餐厨垃圾处理 并能推行到工程应用的最佳技术。 1 3 畜禽粪便的产生及处理现状 1 3 1 畜禽粪便的来源与危害 随着中国经济的高速发展，畜禽业也的急剧的从过去的非集约化向集约化规模 化发展，养殖规模、养殖方式以及分布区域等方面发生了变化，同时也带了日益严 重的环境污染问题。根据国家环保部统计：1 9 9 9 年，我国畜禽废弃物产生量已约1 9 亿吨；在2 0 0 2 年就已经达到约2 7 5 亿吨比1 。可见，畜禽养殖废物尤其是畜禽粪 便已成为我国农村面源污染的主要来源之一比劓。但由于环境法规不健全和资金短 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 缺，畜禽粪便没有得到有效地处理，导致污染程度持续增加，范围也不断扩大。 畜禽养殖废弃污物对环境的污染日趋严重，不仅包括对生态环境的破坏，还包 括对水体污染、大气污染和土壤污染，另外，粪便在堆积过程中产生一种温室气体 甲烷，是造成全球温度逐渐升高的原因之一，畜禽粪便如果不能得到有效地处理， 还会滋生蚊蝇，使空气恶臭，不仅会危及到畜禽本身更会影响人类的健康心引。目前 人们对畜禽粪便污染问题已高度重视，控制和消除畜禽养殖废弃污物对环境造成的 污染已刻不容缓。 一 1 3 2 国外畜禽粪便处理现状 2 0 世纪4 0 年代初，国外就对畜禽粪便的开发研究，主要各国的畜禽养殖场 都是小型的，粪便可以直接收集作为肥料施入农田。6 0 年代以后，建立了大量大 型畜禽饲养场，大大增加了施入农田的运输负荷，同时采用了水力清除的方法，这 样就会产生大量的液态粪便污染物。到6 0 年代中后期养殖场的畜禽养殖废物的无 害化处理技术已基本成熟。日本，研制出卧式和立式多层式快速堆肥装置，畜禽养 殖废物堆肥化已实现工厂化，发酵时间只需要1 2 周，其主要特点是占地少、发酵 快、质地优。美国b i o t e c 2 1 2 0 ，该系统1 9 9 3 年获得专利，通过微生物飞脚在7 2 d 时 高温堆肥系统，使1 0 0 0 吨畜禽粪便成为优质有机肥料，这种方法对高湿物料具有 特殊的作用，受到联合国国际环保组织的认可砼们。 总的来说，先进国家推行的畜禽养殖清洁生产技术，基本上达到了规模化和 产业化水平，特别是干清粪方式，能够实现固液分离，产生生物肥，效果较好。 国外畜禽养殖废物发酵工艺、技术和设备上已基本完善，因此我们必须从我国的国 情出发，吸取国外的成功经验，寻求适合我国的畜禽养殖废物的处理技术。 1 2 3 国内畜禽粪便处理现状 在我国的现实社会环境中，由于人们对畜禽废物资源化重视程度不够，技术支撑 不足，尤其是财政引导不力，导致对畜禽废物的价值存在一些消极的观念，阻碍了畜 禽养殖废物生物质能技术与资源化的发展、推广和应用。近年来，国外的粪便处置率 远远高于我国，国内也开始对此做了相关研究，并取得较大发展。 目前，我国畜禽养殖粪便处理主要有以下几种方式删。 一是饲料化处理，主要是畜禽粪便和加工下脚料的饲料化研究，畜禽粪便经过 加工处理后可成为较好的畜禽饲料资源，由于含有大量未消化的蛋白质，尤其是粗 蛋白质含量较高、矿物质元素和一定数量的碳水化合物等。但据报道，畜禽养殖粪 便的成分太复杂，品质差，含有一些不利于动物健康的成分，容易造成动物传染病 或成批死亡，饲料化存在太多的安全隐患，不值得提倡。 二是肥料化处理，是将粪便转化为肥料，作为土壤改良剂、土壤修复剂，以提 高农作物的产量。包括土地还原法、生物处理法、腐熟堆肥法等瞳朝。但是粪便直接 作为肥料，会产生恶臭，产生病原微生物，大量氨挥发，也会对环境造成威胁。 三是自然堆沤处理，目前全国大部分的畜禽养殖场的粪便都是通过这种方式进 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 詈皇量量皇葛量量量量曼曼皇曼量曼曼量曼曼皇曼曼曼曼i 一一 ；一i i 1 曼舅曼皇量曼曼皇皇曼鼍曼 行处理的。经过简单的沉淀使粪便中干物质进行自然堆沤，分离后的污水集中收集， 干物质作为有机肥施于农田，其余外排乜副。粪便堆存这种方式由于农业生产用肥的 季节性影响，一年中一半时间的粪便废水直接外排，因此，也不宜提倡。 四是好氧生物处理，即利用好氧微生物活动将有机物分解成二氧化碳和水，但 这种方法所需要更高的成本，很难实现达标排放。 五是厌氧生物处理，主要是高效沼气和发电工程系统研究。是指氧环境下将有 机物质转化为甲烷，二氧化碳，氮气等。这种处理方式不需要消耗能源，处理废水 可以达标排放，处理后所产生的气体是可作为燃料的气体，能够变废为宝，实现废 弃物的综合利用。一般通过建设大中型沼气工程，废物中每去除一公斤有机物可获 得的清洁沼气燃料( 可发0 6 度电) ：沼液是可用于有机肥：沼渣经处理后可制成商品 化的有机肥料，还可以养鱼等埋副。 总之，畜禽废弃物资源化利用最大限度地实现了循经济效益、生态效益和社会效 益统一的原则，资源化利用正在进入科学化的新阶段。 1 4 生物质垃圾混合厌氧消化技术处理现状 关于生物质垃圾混合厌氧消化技术方面，国外做了大量的研究并且已应用于实践， 国内由于起步比较晚，但也在一定程度上做了相关的实验研究。 1 4 1 国外混合垃圾厌氧消化处理现状 a l e h t o m a k i 等嘲1 人对不同比例农作物，农作物残渣与牛粪混合消化对产甲烷影响 的实验室规模研究，主要以稻草、甜菜、小麦秸秆以及牛粪为原料，采用半连续式进 料方式以及实验室型连续搅拌装置( c s t r s ) 。结果表明，牛粪与稻草、甜菜、小麦秸 秆混合厌氧，当进料中农作物v s 占3 0 时，单位v s 最大累计产甲烷量分别为2 6 8 ，2 2 9 和2 1 3 ，当农作物比列占4 0 时，单位v s 最大累计产甲烷量降低。c h u a n p i n gf e n g 等 啪1 研究了猪粪与垃圾混合的两相厌氧消化系统对生物气的影响，分别进行猪粪，猪粪 与尿液混合，猪粪，尿液与垃圾混合试验，通过测定有机负荷，水力停留时间，p h ，c o d ， 生物气以及气体组成，得出该系统能够很好的处理这种高有机负荷原料并缩短水力停 留时间，尤其是三者混合产气量最大，有机负荷为5 o 一5 3k g v sm - 3 d a y 。1 时，单位 v s 累计产甲烷量约为8 6 5 9 3 0lk g 一，水力停留时间为9 天。w p a r a w i r a 等对农 业垃圾小规模两相厌氧消化产甲烷进行了研究，该实验以固体马铃薯以及甜菜叶为原 料，分别进行单独和混合厌氧消化，通过测量t s ，v s ，v f a ，p h ，c o d ，气体组分以及气体产 率等指标，结果显示，固体马铃薯单独厌氧消化和它与甜菜叶以2 ：l ，3 ：1 混合消化 都可以的到高的甲烷产量。s a n g - - h y o u nk i m 等人进行了餐厨垃圾与污泥的联合产气 潜力研究，主要研究不同的v s 浓度以及混合比例对产气的影响，总的v s 浓度控制在 0 5 ，1 o ，1 5 ，2 0 ，3 0 以及5 0 ，厨余垃圾与城市污泥v s 比为1 0 0 ：0 ，8 0 ：2 0 ， 6 0 ：4 0 ，4 0 ：6 0 ，2 0 ：8 0 以及0 ：1 0 0 ，其结果表明，当v s 浓度为3 0 ，厨余垃圾与 城市污泥v s 比为8 7 ：1 3 时，可获得最大产气量1 2 2 9 m l g c o d 。x g o m e z 等口2 1 对城市 生活垃圾中水果和蔬菜与污泥混合厌氧消化进行了研究，研究了混合物的不同有机负 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 荷对产甲烷的影响，通过测量指标t s ，v s ，p h 和每天的气体产量，得出在较低进料负荷 下，污泥与城市生活垃圾水果与蔬菜混合比单独污泥消化有更好的产气效果，主要是 由于进料中有较高v s 浓度。h e g u a n gz h u 等口踟对食品废物和污泥混合厌氧消化联合产 气进行了研究，选取食品废物( f w 包括谷类、蔬菜和肉类) ，初沉污泥( p s ) 以及消化 污泥( w a s ) ，将f w + p s ，f w + w a s 以及f w + p s + w a s 分别以1 ：3 ，l ：1 ，3 ：l 的比例进行混 合消化，结果表明，在所有的三种混合组群中，混合比例为1 ：1 时效果最好，f w + p s + w a s 可获得最大累计产气量，为11 2 m l gv s r e n ea l v a r e z 等1 对水仙花水生植物以及动 物粪便混合消化进行了研究，主要选取农业废物，大型水生植物以及骆驼粪，牛粪和 羊粪为原料，试验采用半连续式厌氧消化，反应器至于2 5 水浴锅中，水力停留时间 为3 0 天，有机负荷为1 8 k gv s m - 3 d 。 1 4 2 国内混合垃圾厌氧消化处理现状 楚莉莉等汹1 对不同原料及其配比厌氧发酵产气效果进行了研究，该实验选取了牛 粪、猪粪、鸡粪、人粪、水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆7 种原料，采用可控性恒温 发酵装置，将7 中原料单一发酵同时，将猪粪、牛粪分别与小麦秸秆、水稻秸秆和玉 米秸秆按l ：1 、2 ：l 、3 ：1 的混合发酵，研究了它们在发酵温度为2 5 、3 0 、3 5 、4 0 下的产气情况。在混合原料中，猪粪与3 种秸秆的配比产气情况从累计产气 量来看，在3 0 恒温条件下猪粪与玉米秸秆干物质比为3 ：1 的发酵原料的累积产气量 最大，为6 9 1 7 o l l l l ，牛粪与3 种秸秆的配比产气情况从累积产气量来看，在4 0 恒温 条件下牛粪与玉米秸秆干物质量比为2 ：1 的发酵原料的累积产气量最大，为6 2 6 1 0 m l 。 李荣平等啪1 对厨余和牛粪混合厌氧发酵产气性能试验进行了研究，在中温3 5 下，通过 半连续运行方式，对牛粪、厨余的单独消化以及厨余和牛粪的混合消化产气性能进行了 研究。试验结果表明，混合消化的生物气产生效果要明显好于两者单独消化。李东等口7 1 对食物垃圾和废纸联合厌氧消化产甲烷进行研究，以食物垃圾和废纸为原料，通过酸 化阶段p h ( 未调节和调节p h = 7 2 ) ，按照批式中温( 3 5 ) 条件下进行联合厌氧消化产 甲烷实验，同时考察了原料比例( 以v s 计为：1 0 0 ：0 、8 3 ：1 7 和6 2 ：3 8 ) 对消化稳定性 及消化性能的影响实验结果表明，当原料比例8 3 ：1 7 ，酸化阶段调节p h = 7 2 时为食 物垃圾和废纸的最佳中温厌氧消化产甲烷条件。瞿贤，何品晶等1 研究了生物质组成 差异对生活垃圾厌氧产甲烷化的影响，采用批式实验，通过分析液相性质和产气过程， 比较了生活垃圾中2 类主要的生物质组分( 食物类废物和纤维类废物) 及其不同含量在 厌氧降解时甲烷生成过程的差异结果表明，生活垃圾的产甲烷量可以根据食物类废物 和纤维类废物的比例推算而得，食物类废物含量越高，其累积产甲烷量越大。兰劲涛等啪1 对有机固体废弃物厌氧成气因素进行了研究，试验温度控制在3 5 ，将接种物驯化过 后进行厌氧发酵，研究接种液、固体含量及c n 对厌氧发酵和产气效果的影响，研究 表明，固体含量低的较容易实现发酵，固体含量高时则较容易酸化并且会破坏试验的 顺利进行；当微生物接种充分的条件下，增加接种地量并不能提高发酵的性能；发酵 时t s 含量在4 0 时可获得状况良好产气效果，在c n 2 0 3 0 时发酵效果最好。风颀等 啪1 对蔬菜废物进行了两相厌氧消化产气的研究，对水解条件，接种物的添加，p h ，及甲 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 烷母液对消化产气的影响进行了考察，同时，添加牛粪可以使蔬菜废物的c o d 和v f a 产率提高3 0 和1 0 ，还发现以牛粪作为甲烷母液，在水解酸化阶段，p h 低于6 8 时， 甲烷化有较高的甲烷初始产率。可以有高的甲烷初始产率。陈广银，郑正等h 研究了 稻草与猪粪按照不同比例进行厌氧混合特性，结果表明：稻草与猪粪的v s 比为3 ：l 时， 混合物中猪粪比重愈高，所得沼气中甲烷含量也愈高，最高可达6 8 7 5 ，日产气量比 较稳定，累积产气量达1 2 0 8 0 m l 。 1 5 课题研究的内容及技术路线 目前国内外关于餐厨垃圾与畜禽养殖废物混合厌氧消化的研究还不多，大部分的 研究都还处于起步阶段，本文主要针对餐厨垃圾与畜禽养殖废物进行混合厌氧发酵， 研究不同的有机负荷条件下，半连续式进料与序批式进料对厌氧消化发酵过程的影响。 试验过程中通过指标监测，分析规律，得到最优参数，从而进一步指导实际应用。 1 5 1 研究内容 结合以上分析，本论文主要的研究内容为： ( 1 ) 通过驯化猪粪对自制的c s t r 反应器的试运行； ( 2 ) 半连续式中温混合厌氧消化过程水解酸化规律； ( 3 ) 半连续式中温混合厌氧消化过程产气规律； ( 4 ) 序批式中温混合厌氧消化过程水解酸化规律； ( 5 ) 序批式中温混合厌氧消化过程产气规律； 先将猪粪置于自制的c s t r 反应器中驯化，在3 5 恒温条件直至不产气再使用。接 着将餐厨垃圾按照不同的有机负荷进行填料，与畜禽养殖废物混合中温厌氧消化。采 用半连续式与序批式两种进料方式，通过每天测定p h 值、日产气量，将气体收集，一 周测一次气体成分，两到三天取消化液对氨氮、碱度和挥发性脂肪酸( v f a ) 等指标测 定，分析各种情况下不同迸料方式对水解酸化过程以及甲烷化过程的影响。 1 5 2 主要技术路线 本研究以试验为基础，研究过程遵循“资料收集一文献综述一现场调研一实验室 监测一结果分析 的研究思路，具体技术路线如图l 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图卜1 试验研究技术路线 1 5 3 研究的创新性 本课题的创新性主要体现在：遵循废物资源化的原则，利用餐厨垃圾和畜禽养殖 粪便进行混合厌氧消化试验，不仅为畜禽养殖粪便的处理找到一条可行的出路，而且 也对难处理的餐厨垃圾资源化提供了一个可发展的研究方向，其次，通过改变有机负 荷，将半连续、序批式两种进料方式进行对比，以寻求达到最大甲烷产率下的最佳有 机负荷，以及填料方式，从而使提高反应器的处理效率。同时，为餐厨垃圾的厌氧处 理提供必要的应用研究数据，为进一步的扩大试验提供重要的工艺参数依据具有一定 的参考性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章厌氧消化微生物作用原理及技术概述 2 1 厌氧消化的基本理论 有机物的厌氧发酵过程，是有机物质在特定的厌氧条件下，依赖兼性菌和专性厌氧 菌等微生物共同作用，将有机质进行分解，对有机物进行生活降解生成c h 4 和c 0 2 的过 程，又称为厌氧处理法，也叫厌氧消化。在这个转化过程中，被分解的有机碳化物中的 能量大部分贮存在甲烷中，仅- - 4 , 部分有机碳化物氧化为c 0 2 ，释放的能量满足微生物 的生命活动，该方法不仅可以使有机物经过液化、气化最终分解成稳定物质，同时杀 死病菌、寄生虫卵，固体废物达到减量化和无害化。而且在此过程中，不同微生物的 代谢活动相互影响、相互制约，形成一个复杂的生态系统。 厌氧发酵的原料来源复杂，参加反应的微生物种类繁多，使得有机物厌氧消化的 生物化学反应过程非常复杂，中间反应以及中间产物有数百种，并且每个反应都伴随 着特定的酶的催化作用，总的反应式为： 有机物+ 营养物质+ 水一c h 4f + c 0 2t + n h 3t + h 2t + h 。sf + + 坑性物质+ 热量 2 0 世纪6 0 年代，人们对厌氧发酵过程中物质的代谢、转化和各种菌群的作用机理 进行了研究，在沼气厌氧消化系统中起主要作用的微生物是细菌( 主要以厌氧茵和兼 性厌氧菌为主) ，尤其是甲烷细菌，它只能以乙酸、甲酸、氢等极少数的物质为底物， 水解发酵细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌是参与厌氧消化过程中有机物逐级降解 的主要三大类细菌群。此外，还存在着一种同型产乙酸细菌，它能将产甲烷细菌的一 组基质( c 0 2 h 2 ) 横向转化为另一种基质( c h 3 c h 0 0 h ) 。因此，人们根据不同类别微生 物作用类型和阶段，将厌氧消化反应过程划分为两阶段、三阶段、四阶段等，既厌氧 消化的二阶段理论、三阶段理论以及四阶段理论心1 。这里做简要的介绍。 2 1 1 两阶段理论 该理论是有t h u m m 、r e i c h i e 和i m h o f f 提出，经b u s w e l l 、n e a v e 完善而成的，是 早期较为简单、清楚地理论，被人们普遍认可。二阶段理论将厌氧消化过程分为产酸 和产甲烷两个阶段h ，主要是按细菌引起的生物化学过程分的，不产甲烷的发酵细菌 和产甲烷细菌是厌氧发酵过程中两组主要的代谢细菌群。如图2 1 所示。 第一阶段，微生物群主要为产酸菌，也叫水解菌，厌氧环境下高分子有机物如脂 类、糖类和蛋白质等在细胞酶的作用下，分解为有机酸、醇类、氢气、二氧化碳、硫 化氢等，产生的有机酸大量积累，使p h 逐渐下降，故将这一阶段称作酸性发酵阶段或 酸性消化阶段，兼性厌氧菌在分解有机物的过程中产生的能量作为有机物发酵所需的 能源几乎全部被消耗。 第二阶段的产甲烷细菌成为优势菌群，进一步分解上一阶段产生的有机酸和醇 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 酸性发酵作用 1 l1 l 有机酸和醇类氢气、二氧化碳、硫化 _ p上 碱性发酵作用 1l1r 甲烷、氢气、一氧化碳、硫化氢 第一阶段 - - - - - - 一 酸性发酵阶 第二阶段 i 一 碱性发酵阶 图2 - 1 两阶段有机物厌氧消化示意图 等，将这些小分子物质转化成甲烷和二氧化碳等。由于有机酸在第二阶段不断地被转 化为甲烷和二氧化碳，大部分的二氧化碳气体和甲烷气体都挥发了，同时加上所产生 的氨的中和作用，氨则以强碱性亚硝酸铵的形式留在污泥中，亚硝酸铵中和了第一阶 段产生的酸性，使发酵液的p h 迅速上升，故将这一阶段叫做碱性发酵阶段。到碱性发 酵阶段后期，大多数可降解的有机物都被分解，整个消化过程即将完成。甲烷化过程 产生的能量主要用于维持细菌的生存，只有少量能量用于合成新细胞，所以细胞的增 殖也很少。厌氧消化利用厌氧微生物的活动，产生沼气等生物气体，生产清洁的可再 生能源，且动力消耗低，不需要提供氧气；但是厌氧发酵效率低、消化速率低、稳定 化时间长。 在不考虑形成新细胞的情况下，这些有机物的分解过程可以用下述 b u s w e l 卜m u e l l e r 标准式表示： c n l t 6 0 + n i a 一鱼2 h z o 一 三+ i a 一_ 4 bl c h 4 + 三一詈+ 等 c 0 2 + 能量 2 1 2 三阶段理论 随着对厌氧消化过程中微生物的深入研究，人们对厌氧消化过程中各种微生物种 群间的关系有了更深刻的了解。微生物主要可以分为两类，一类是由比较复杂的混合 发酵细菌群将复杂的大分子有机物水解成小分子，并进一步分解为有机酸，这类菌通 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 常称为水解菌，在中温沼气发酵中，1 9 6 7 年，布赖恩特( b r y a n t ) 等发现由一种甲烷 菌与一种产氢产乙酸菌构成的共生体奥氏甲烷杆菌，并在此基础上提出了厌氧消化三 阶段理论m 删。因此，后来就把二阶段理论的第一阶段拆开为水解发酵阶段和产气产乙 酸阶段，水解发酵阶段起主要作用的细菌包括纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水 解菌，产气产乙酸阶段起主要作用的细菌包括醋酸分解菌和产氢菌。这两个阶段的细 菌都统称为不产甲烷菌。另一类是产甲烷细菌，该类微生物属于绝对厌氧微生物，能 够利用c l 类化合物如乙酸、甲醇等为基质，将其转化成甲烷，其中，主要基质是h 。、 c 0 2 和乙酸。三阶段理论与二阶段理论的主要区别是，在三阶段中产氢产乙酸细菌在发 酵过程中处于核心地位，在这一阶段中，产氢产乙酸菌将产甲烷菌不能直接利用分解 中间产物，如丁酸、丙酸、乙醇等转化为h 2 、c 0 2 和乙酸，这很好地解决了二阶段理论 的矛盾1 。有机垃圾厌氧消化的三个阶段互相衔接、互相保持动态平衡。 第一阶段：水解发酵阶段，在厌氧发酵系统中，在此阶段，发酵细菌利用复杂有 机物，主要为纤维素、蛋白质、脂肪等，在兼性微生物及少数厌氧微生物酶催化作用 下降解至基本结构单位或简单的有机酸和醇等。高分子有机物的水解速率很低，它取 决于物料的性质、微生物浓度，以及温度、p h 等环境条件。 第二阶段：产氢、产乙酸阶段，水解阶段产生的简单的可溶性有机物被微生物吸 收到菌体内，并在胞内酶的催化作用下，进一步分解成低分子化合物，主要包括挥发 性有机酸，如丙酸、丁酸，