（环境工程专业论文）城市生活垃圾厌氧消化工艺研究.pdf

摘要 摘要 厌氧消化处理废弃物已有多年历史，但工业化的大规模运用从二十世纪初才 开始。由于其运转不稳定，操作较复杂，运用一直不多，直到7 0 年代，由于能源 危机，许多国家开始寻找新能源，从而把目光转向了可产生沼气的厌氧消化技术。 直到目前，大规模运用的厌氧消化都是低浓度的，用于处理一些液体或固体含量 低的泥状废物。 本文采用间歇厌氧消化试验方式，进行城市生活垃圾厌氧消化工艺研究，并 尝试了高固体厌氧消化研究。通过试验得到了城市生活垃圾厌氧消化后的处理效 果数据、反应器的处理效率数据和反应器最佳运转参数等。同时在试验的基础上， 建立了物料平衡模型，并对本研究中的几组试验进行了详细的物料平衡和c o d 利用率计算。本文试验条件为：模拟普通厌氧消化池型反应器，选用四种不同温 度及四种不同固体含量作为参数进行处理研究。实验过程中采用人力间歇搅拌。 试验结果表明，用厌氧消化工艺处理城市生活垃圾是完全可行的。c q d 、t s 、 v s 大幅度下降，并有大量的沼气产生，处理后物料可作为农用肥料和土壤调节剂 使用。适用的原料是生活小区型垃圾。在本文的试验条件下，最佳运转参数是： 固体含量1 2 9 ，温度5 5 ，处理效果是：t s 去除率5 1 2 ，v s 去除率6 2 2 ， c o d 去除率6 0 5 ，产气量2 4 8 6 m l g t s ，甲烷含量6 9 o 。物料平衡和c o d 利 用率计算结果表明，物料平衡良好，c o d 转化到甲烷的利用率也较高。 关键词：城市垃圾垃圾处理厌氧消化沼气 a b s t r a c t 。_ _ 1 _ _ _ 。- - _ 。_ _ 。_ _ 。_ _ _ - - 。_ 。- 。_ 。- 。_ _ 。_ 。- 。1 。_ 。_ 1 1 _ 。_ 。一1 _ 。一 a b s t r a c t i th a sb e e nal o n gt i m et od i s p o s et h ew a s t eb yt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o n ，b u tt h e l a r g e s c a l eu s eo fi n d u s t r i a l i z a t i o nj u s tb e g a na tt h et u r no ft h e2 0 t hc e n t u r y ，b u t b e c a u s et h eo p e r a t i o ni si n s t a b l e ，a n dt h em a n i p u l a t i o ni sv e r yc o m p l e x ，s oi tw a s n t u s e dt o om u c h u n t i lt h e1 9 7 0 sb e c a u s eo ft h ee n e r g yc r i s i s ，m a n yc o u n t r i e ss t a r t e dt o s e a r c ht h en e we n e r g ys o u r c e s ，s ot h e yt u r n e dt h e i ra t t e n t i o nf o rt h ea n a e r o b i c d i g e s t i o nt e c h n o l o g y , w h i c h c a np r o d u c e dm e t h a n e t i l l p r e s e n t ，i t i sl o w c o n c e n t r a t i o nt ou s et h el a r g e s c a l eo ft h ea n a e r o b i cd i g e s t i o n ，a n di ti so n l yu s e dt o d i s p o s et h em u dw a s t e ，w h i c hc o n t e n t sa r cl i q u i do rl e s ss o l i d i no u re x p e r i m e n t ，w eu s et h ei n t e r m i s s i v ea n a e r o b i cd i g e s t i o nt o s t u d yt h e t e c h n o l o g y t o d i s p o s et h em u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，a n dt r y t o s t u d yt h ea n a e r o b i c d i g e s t i o nt e c h n o l o g yo ft h es o l i dw a s t e i nt h ee x p e r i m e n t ，w eo b t a i ns o m ed a t ao ft h e m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，w h i c hw e r ed i s p o s e db yt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o n ，a n dt h ed a t a o ft h ee f f i c i e n c yo ft r e a t m e n tb yt h er e a c t o r ，a n dt h eo p t i m a lo p e r a t i o np a r a m e t e r a t t h es a m et i m e ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s , w eb u i l dt h em o d e lo f m a t e r i a lb a l a n c e ，a n d c a l c u l a t et h em a t e r i a lb a l a n c ea n dt h ec o du t i l i z a t i o nr a t i oo fs o m ee x p e r i m e n t a l g r o u p sc a r e f u l l y e x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ：t h es i m u l a t e dp o o lr e a c t o ro fr e g u l a r a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，c h o o s e4d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，a n d4d i f f e r e n tc o n t e n t so fs o l i d d u r i n gt h ee x p e r i m e n tt h ei n t e r m i s s i v em i x i n gw a sd o n eb yp e o p l e t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti ti sc o m p l e t e l yf e a s i b l et ot r e a tt h em u n i c i p a ls o l i d w a s t ew i t ht 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 y t h ec o d ，t sa n dv sd e c r e a s e d g r e a t l y ，a n dag r e a td e a lo fm e t h a n ew a sp r o d u c e d t h em a t e r i a l sp o s t t r c a m e n tc a n a c ta st h ea g r i c u l t u r a lf e r t i l i z e ra n ds o i lr e g u l a t o r t h em a t e r i a l sa r et h ec o m m u n i t y g a r b a g e i no u re x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a lo p e r a t i o np a r a m e t e r s ：s o l i dc o n t e n ti s1 2 9 ， t e m p e r a t u r ei s 5 5 t h ee f f i c i e n c yo ft r e a t m e n t ：t h er e s p e c t i v er e m o v a lr a t eo f t s ，v s ，c o da r e5 1 2 ，6 2 2 ，6 0 5 ，t h eg a sp r o d u c t i o no ft si s 2 4 8 6 m l gt s a n dt h ec o n t e n to fm e t h a n ei s6 9 0 t h er e s u l t so fm a t e r i a lb a l a n c ea n dt h ec o d u t i l i z a t i o nr a t i os h o w e dt h a tt h em a t e r i a lb a l a n c ei sa l lr i g h t ，a n dt h eu t i l i z a t i o nr a t i o o fc o dt r a n s f o r m e df r o mt h em e t h a n ei sh i g h e r k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，t r e a t m e n tm e t h o d ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n ， b i o g a s l i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不合 任何其他个人或集体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，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：翔、韵 日期：加f 年年月，r 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理王大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市垃圾的产生、种类以及治理特点 城市垃圾是一个长期存在的污染源，未经处理或处理不当都会造成严重的大 气污染、地下水污染、土壤污染并占用大量的土地，破坏自然景观，危机人类生 存。随着城市人口的增长和城市居民生活水平的提高，城市垃圾的产生量将以每 年8 9 的速度迅速增长，城市人均垃圾日产量超过1 k g d ，接近工业发达国家的 水平”1 。对于经济高速发展的地区，垃圾产生速度越来越快。城市垃圾不仅已经 成为当前世界性的严重公害之7 一，也成为世界各地城市环境建设的热点和难点。 1 1 1 城市垃圾的概念 城市垃圾( m u n i c i p a ls o l i d w a s t e ) 是指城市居民生活、商业和市政维护管理 中丢弃的固体废物| 2 j 。如厨房垃圾、包装材料、废旧器皿、废家用电器、树叶、 废纸、碎砖瓦、废土、城市生活污水处理厂的污泥和居民粪便等。城市垃圾的成 分随社会经济发展状况、时间、场所、季节等多种因素而变化。如目前工业发达 国家城市垃圾中的塑料、纸类、果皮等有机可燃成分高，其热值多在4 2 0 0 k j k g 以 上；而我国城市垃圾中煤灰等无机成分高，产生的热值一般不足3 3 0 0 k j k g 。 1 1 2 城市垃圾的种类 城市垃圾根据产生源不同，可分为居民生活垃圾、街道保洁垃圾和集团垃圾 三大类f 3 ) 。居民生活垃圾来自居民生活过程中遗弃的废弃物，主要是由易腐有机 物、煤灰、泥沙、塑料、纸类等构成。它在城市垃圾整体中，不仅数量占居首位， 而且成分最为复杂，其构成受时间和季节影响，变化大且极不均匀。街道保洁垃 圾来自清扫马路、街道和小巷路面。它的成分与居民生活垃圾极相似，但是泥沙、 枯枝落叶和商品包装物较多，易腐有机物较少，平均含水量较低，低位热值略高 于居民生活垃圾。集团垃圾是指机关、团体、学校和第三产业等在生活和工作过 程中产生的废弃物。它的成分随发生源不同而变化。这类垃圾与居民生活垃圾相 比具有成分较为单一稳定，平均含水量较低和易燃物特别是高热值的易燃物多的 特点。 按城市生活垃圾燃烧的难易程度划分，主要分为三中类型：易燃废物如纸屑、 木竹、稻草等：难燃废物如塑料、橡胶、皮革、厨余；不燃废物如金属、玻璃、 垦堕墨王盔堂塑主塑鲨塞 砖瓦、灰土等1 4 】。 按可堆肥与否，又可分为可堆垃圾，如厨余等易腐物；不可堆垃圾，如塑料、 皮革、金属、玻璃、砖瓦等。 1 1 3 城市垃圾治理系统的特点 城市垃圾的治理是一项系统工程，它包括垃圾的产生、收集、转运、处理、 综合利用以及服务于这个系统各个环节的管理体制等。 这个系统由相互作用和相互依赖的各个部分组成，为达到整体目的而形成有 机集合体一即有效地治理环境、平衡生态、创造清洁、优美的生活和工作环境， 为经济建设服务。因此，城市垃圾治理系统应该是一个效益工程系统【5 】。它能产 生社会、经济和环境效益的最佳配置，使当地社会、经济和环境实现可持续发展。 正是城市生活垃圾治理系统本身的性质及目的，决定了它具有整体性、综合 性、动态性等重要特点1 6 】。 1 2 国内外城市垃圾污染现状 进入2 0 世纪9 0 年代以来，全世界每年平均新增垃圾( 不包括工业废渣) 约 1 7 8 5 亿吨，平均每天新增垃圾4 8 9 0 4 万吨f 引。在全球经济发展缓慢( 年平均增 长速度在3 - 5 ) 的情况下，垃圾却以年平均8 3 7 的速度增长。以此速度计算， 到2 0 1 0 年全球垃圾年产量将达8 7 4 亿吨。如果将1 9 9 0 年至2 0 1 0 年这2 0 年的垃 圾总量累加，则超过1 3 7 0 亿吨，那时平均每人将拥有垃圾2 1 0 7 7 埏( 2 0 1 0 年全 球人口按6 5 亿计) 。2 1 0 0 年，地球陆地表面将被垃圾包围，2 1 世纪的地球将成为 垃圾的世界【8 】。 我国是世界上人口最多的国家，现有城市6 0 0 多个，城市人口3 5 亿。在北 京、上海等大城市，垃圾产量高而处理量低，大量垃圾被堆放在市郊得不到处理。 许多中小城市也有类似情况。严重污染城市环境，威胁人民健康，对水体、大气、 土壤环境造成了严重危害。 城市垃圾问题是涉及到产生、收集运输、处理处置及消纳、管理政策等多种 因素的一个复杂问题。为治理城市垃圾污染，发达国家从2 0 世纪六、七十年代开 始，纷纷将其纳入城市规划，制定了各种垃圾管理制度【9 】。并投入大量人力、物 力、财力，以妥善管理垃圾产生与收集、处理、处置，防止垃圾造成环境污染， 同时进行再资源化。 城市垃圾在不同地域范围其特点也不同。长期以来，我国城市垃圾无机类物 第一章绪论 质含量高，可燃物质含量低，垃圾热值低| l 。有机垃圾中以厨房垃圾为主题，含 水量高。近年来，由于城市燃料结构、消费结构、消费习惯的不断变化，使得垃 圾的产量与成分不断变化。城市生活垃圾中有机物比例上升，对环境污染也随之 增加。 面对世界性城市生活垃圾污染的严峻形式，无论是发达国家，还是发展中国 家，都对解决城市生活垃圾污染与防治问题给予了高度重视。如何在坚持环境治 理可持续发展的前提下，借助先进、可靠的管理政策、技术措施和处理设备、设 施，把城市垃圾从产生、收集、运输、处理等各种环节衔接配套，形成完整的综 合治理系统，从而实现城市生活垃圾减量化、无害化、资源化目标，已经成为摆 在世界各国和各类城市面前的一项社会发展战略任务。 1 3 城市垃圾处理处置技术 城市垃圾的成分受经济发展水平、自然条件、生活习惯等因素制约。各国的 城市垃圾处理技术依国情而异，一个国家内各地采取的方案和工艺也各不相同。 我国垃圾在可燃物含量、垃圾热值和含水量等方厩都与国外垃圾有所不同，因此 国外垃圾处理处置方法不一定适宜我国。此岁 ，我国是发展中国家，经济能力有 限，投资大、运转费用高的垃圾处理处置方法在我国不一定可行。目前世界上用 的最多的几种垃圾处理处置方法有填埋、焚烧、堆肥等j 。 1 3 1 填埋 填埋又称土地填埋，即采用适当的方法，把垃圾掩埋到土地中去，使之不在 污染大气、水体，威胁人类健康。填埋用于最终处置，已经有多年历史。以前是 简单填埋，2 0 世纪2 0 年代起发展成科学填埋，分为卫生填埋与安全填埋两种i l 2 1 。 垃圾处理中一般采用卫生填埋法。卫生填埋法又分为三种：厌氧、好氧和兼性好 氧。由于厌氧填埋操作简单，施工费用低，又可回收甲烷，是目前应用最广的一 种。填埋处置显著的优点是：处理量大：操作简单：可处理多种废物；封场后可 以绿化再利用。我国垃圾量大，燃烧热值低，经费紧张，填埋法必然成为一种重 要方法。然而，土地填埋的缺点是占地面积大，严重制约了它的发展。对于大城 市寻找填埋场地十分困难。另外，填埋也存在一定的隐患，对于经济欠发达地区， 实际上是将垃圾直接运往市郊堆弃、裸卸于坑洼沟塘之中，没有沼气产排和监控 系统，更没有完善的堆后防渗设施。年复一年给子孙后代埋下了随时可能引爆的 “生物炸弹”和水气环境的污染根源。尽管如此，填埋法在比较长的一段时间内， 第一章绪论 质含量高，可燃物质含量低，垃圾热值低f l 。有机垃圾中阻厨房垃圾为主题。含 水量高。近年来，由于城市燃料结构、消费结构、消费习惯的不断变化，使得垃 圾的产量与成分不断变化。城市生活垃圾中有机物比例上升，对环境污染也随之 增加。 面对世界性城市生活垃圾污染 的严峻形式，无论是发达国家，还是发展中国 家，都对解决城市生活垃圾污染与防治问题给予了高度熏视。如何在坚持环境治 理可持续发展的前提下，借助先进、可靠的管理政策、技术措施和处理设备、设 施，把城市垃圾从产生、收集、运输、处理等各种环节衔接配套，形成完整的综 合治理系统，从而实现城市生活垃圾减量化、无害化、资源化目标，已经成为摆 在世界各国和各类城市面前的一项社会发展战略任务。 1 3 城市垃圾处理处置技术 城市垃圾的成分受经济发展水平、自然条件、生活习惯等因素制约。各国的 城市垃圾处理技术依国情而异，一个国家内各地采取的方案和工艺也各不相同。 我国垃圾在可燃物含量、垃圾热值和含水量等方面都与国外垃圾有所不同，因此 国外垃圾处理处置方法不一定适宜我国。此外，我国是发展中国家，经济能力有 限，投资大、运转费用高的垃圾处理处置方法在我国不一定可行。目前世界上用 的最多的几种垃圾处理处置方法有填埋、焚烧、堆肥等。 1 3 1 填埋 填埋又称土地填埋，即采用适当的方法，把垃圾掩埋到土地中去，使之不在 污染大气、水体，威胁人类健康。填埋用于最终处置，已经有多年历史。以前是 简单填埋，2 0 世纪2 0 年代起发展成科学填埋，分为卫生填埋与安全填埋砖种i ”】。 垃圾处理中一般采用卫生填埋法。卫生填埋法又分为三种：厌氧、好氧和兼性好 氧。由于厌氧填埋操作简单，施工费用低，又可回收甲烷，是目前应用最广的一 种。填埋处置显著的优点是：处理量大：操作简单；可处理多种废物；封场后可 以绿化再利用。我国垃圾量大，燃烧热值低，经费紧张，填埋法必然成为一种重 要方法。然而，土地填埋的缺点是占地面积大，严重制约了它的发展。对于大城 市寻找填埋场地十分困难。另外，填埋也存在一定的隐患，对于经济欠发达地区， 实际上是将垃圾直接运往市郊堆弃、裸卸于坑洼沟塘之中，没有沼气产排和监控 系统，更没有完善的堆后防渗设施。年复一年给予孙后代埋下了随时可能引爆的 “生物炸弹”和水气环境的污染根源。尽管如此填埋法在比较长的一段时间内， “生物炸弹”和水气环境的污染根源。尽管如此。填埋法在比较长的一段时间内， 昆明理工大学硕士学位论文 仍会使我国城市垃圾处理的主要方法之一，但不可能是唯一的方法。 1 3 2 焚烧 焚烧是一种城市垃圾的高温热处理方法，即在8 0 0 1 0 0 0 的高温下，使垃圾 燃烧分解以达到稳定化、减量化。同时回收垃圾中的热能。焚烧法多用于热值较 高的垃圾。焚烧法的主要优点有：占地面积少，处理周期短( 几个小时即可) ：效 果好，减量率可达到9 0 ；残渣性质稳定；处理不受天气影响；而且可以回收热 能；对热值高的垃圾，不但不需要补充辅助燃料，还可输出热能以供发电【l3 1 。其 主要缺点是：投资大：处理费用高：对垃圾热值有一定的要求( 8 0 0 k c a l k g 垃圾) ； 焚烧废气对大气有严重污染，在焚烧过程中所排烟气中存在一种叫二恶英的有毒 有害气体，是能够引发癌症、皮肤病和生殖障碍的环境激素。为此，预防垃圾焚 烧产生二次污染，加强排烟监测和控制二恶英产生量等，仍是制约此项技术广泛 推广应用的重要因素。 1 3 3 堆肥 堆肥就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制的促 进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。 堆肥分为好氧堆肥( 又称高温堆肥) 和厌氧堆肥两种1 2 1 。厌氧堆肥是一种处 理废弃物的传统方法，具有悠久的历史，长期以来都是人工操作，效率低，运转 周期长。垃圾在有控制的好氧条件下，调节水分、温度、c n 比、通气量，进行 堆制后，物料得到较彻底的分解，臭味小，病菌可被完全杀死，堆肥周期也缩短， 而且堆制产品可用作有机肥料，有利于农业生产。从上世纪7 0 年代至今，现代化 堆肥得到了很大的发展，许多国家都出现了堆肥的系列化设备，有力地推动了城 市垃圾和固体有机废物的处理。 4 表1 1 以上三种垃圾处理方法比较4 项目 卫生填埋焚烧 高温堆肥 技术可靠性可靠可靠可靠，国内有一定 经验 操作安全性较好，注意防火好好 选址 较困难，要考虑地易，可靠近市区建较易，需避开住宅 质条件，防止周围设，运输距离以1 0 密集区，气味影响 水体受到污染，一k m 以内为宜半径 昆明理工大学硕士学位论文 4 3 5 2 结果分析 由于厌氧消化产沼气对温度的激烈变化十分敏感，温度的骤变会严重影响消 化的顺利进行，甚至导致反应中断，所以本实验采用恒温厌氧消化，可以防止由 于温度的波动而对消化产生影响| 5 引。一般来说，温度越高，产气速度越快，消化 周期越短，温度对单位原料的产气量影响较明显【5 “。 由表4 1 、4 1 1 、4 1 4 、4 1 7 可以看出，温度对产气量、t s 去除率、v s 去除 率及c o d 去除率及日产气率均有显著影响，与文献报道一致。由图4 1 6 可以看 出，低温厌氧消化，产气速度慢，消化周期长，在第1 8 天仍然出现产气高峰，在 反应2 6 天后仍有微弱产气；中温厌氧消化产气高峰出现阜，约在第3 天出现高峰， 随后产气量在一周内日均超过1 0 0 0 m l ，消化周期约为3 0 天；高温厌氧消化产气 速度更快，约在第3 天出现产气高峰，消化周期为2 0 天。由此可见，在某一温度 范围内，产气率都是逐渐增大，并达到某一峰值，表明厌氧消化产沼气过程呈周 期性变化规律，且说明微生物对温度变化有个适应过程。同时实验表明在每个恒 温阶段产气率呈波动性变化，这种现象符合微生物对环境的适应性和厌氧消化的 三阶段理论。 由表4 2 0 可以看出，累积产气量、t s 去除率、原料产气率、v s 去除率、c o d 去除率以及日均产气率均以高温为最好。高温处理效果优于低温，其原因是温度 对厌氧消化的影响主要是影响微生物的活性，在低温条件下，微生物活动微弱， 原料缓慢分解，消化周期长。随着温度的升高，微生物活性增强，原料分解加快， 因而在高温消化阶段，产气高峰出现早。反应中4 5 处理效果略低于3 5 ，是由 于厌氧消化中产甲烷菌在3 5 左右出现一个最佳活性温区。 从图4 2 4 中可以清晰看出，累积产气量随温度升高而增高，c o d 去除率v s 去除率及t s 去除率分别在3 5 和5 5 出现高峰，刚好符合甲烷菌生存的两个最 佳活性温区。在这两个温区内微生物能够很好的利用基质进行繁殖，使得有机质 降解充分。 第四章实验结果及分析 4 4 实验数据结果分析 4 4 1 实验结果 本实验中垃圾厌氧消化分别在不同条件下进行，以产气微弱作为发酵完毕的 标志。实验过程中我们选用四种不同发酵温度和四种不同固体含量进行研究，实 验结果见表4 2 0 ( 其中1 + 4 号反应温度为2 5 ，5 - 8 号为3 5 ，9 1 2 号为4 5 ， 1 3 - 1 6 号为5 5 ) 表4 2 0 实验阶段数据结果 实验号 】23456 进料t s ( ) 1 2 91 7 52 0 02 4 01 2 91 7 5 出料t s ( ) 9 61 3 21 5 31 8 96 79 ，3 t s 去除率( ) 2 5 ，62 4 62 3 52 1 24 8 14 6 8 进料v s ( ) 8 2 4 8 3 0 8 4 68 6 88 2 48 3 0 出料v s ( ) 5 2 6 5 3 5 5 7 95 9 0 3 9 3 3 9 9 v s 去除率( ) 3 6 23 5 53 1 63 2 05 2 35 1 9 进料c o d ( g l ) 3 8 8 5 7 6 6 6 07 9 3 3 8 8 5 7 6 出料c o d ( g l ) 2 7 63 9 5 4 8 75 8 6 2 1 7 3 1 7 c o d 去除辜( ) 2 8 73 1 42 6 22 6 14 4 o4 5 0 产气量( m 1 ) 4 8 7 88 7 5 7 6 2 6 97 3 9 5 1 3 5 8 92 1 1 6 6 原料产气率( m l g t s ) 4 0 64 8 6 4 4 ，85 2 81 1 3 2 1 1 8 2 日产气率( m l g t s d ) 0 9 9 1 ：5 21 6 6l ，9 6 2 7 63 6 9 c h 4 含量( ) 5 7 26 5 26 2 _ 86 6 86 6 ，46 7 6 产甲烷速率( l d l 容积) 0 0 5o 0 9 0 0 9 0 1 1o 2 8o 3 0 实验号 7891 0 1 1 1 2 进料t s ( ) 2 0 o2 4 0 1 2 9 1 7 5 2 0 0 2 4 0 出料t s ( ) 1 2 41 5 27 81 0 91 3 01 6 4 t s 去除率( ) 3 8 o3 6 73 9 53 7 73 5 03 1 7 进料v s ( ) 8 4 68 6 88 2 48 3 08 4 68 6 8 出料v s ( ) 4 4 34 9 14 5 54 7 65 3 85 3 2 v s 去除率( ) 4 7 64 3 44 4 ，84 2 63 6 43 8 7 进料c o d ( g l ) 6 6 ，07 9 33 8 85 7 66 6o7 9 3 出料c o d ( g l ) 3 1 74 3 21 3 33 2 84 2 55 2 4 昆明理工大学颈士学位论文 5 8 c o d 去除率( ) 5 2 o4 5 66 5 84 3 13 5 63 4 0 产气量( m 1 ) 2 6 2 0 23 0 8 3 53 0 6 5 32 7 4 0 0 2 4 2 5 42 4 6 7 8 原料产气率( m l g t s ) 1 8 7 22 2 0 22 5 5 41 5 2 2 1 7 3 21 7 6 3 日产气率( m l g t s d ) 6 9 3 8 1 56 2 34 7 66 4 l6 5 3 c h 4 含量( ) 6 8 86 9 66 646 6 66 9 o6 9 6 产甲烷速率( l d l 容积) 0 3 5 0 4 4o 4 40 4 6 o 5 10 5 2 实验号 1 31 4】51 6 进料t s ( ) 1 2 91 7 52 0 o2 4 o 出料t s ( ) 6 39 01 1 71 4 6 t s 去除率( ) 5 1 24 8 64 1 53 9 2 进料v s ( ) 8 2 48 3 o8 4 68 6 8 出料v s ( ) 3 1 13 3 43 5 93 7 3 v s 去除率( ) 6 2 25 9 85 7 65 7 o 进料c o d ( g l ) 3 8 85 7 66 6 07 9 3 出料c o d ( g l ) 1 5 ，32 4 73 2 94 0 5 c o d 去除率( ) 6 0 ，55 7 15 0 24 8 9 产气量( m 1 ) 2 9 8 2 7 2 8 7 3 3 2 5 2 5 0 3 4 6 8 8 原料产气率( m l g t s ) 2 4 8 61 5 9 61 8 0 42 4 7 8 日产气率( m l 幢t s d ) 6 0 64 9 96 6 89 1 8 c h 4 含量( ) 6 9 o7 0 06 8 66 6 0 产甲烷速率( l d l 容积) 0 4 6o 5 30 6 00 7 4 第四章实验结果及分析 表4 2 l 各处理每五日累积产气量( m 1 ) 表4 2 2 实验结果分析表 因素水平产气量t s 去v s 去c o d 去日产气率产甲烷速率 ( m 1 ) 除率除率除率( ) ( m l g t s d ) ( l d l 容 f 1( )积) 固体 1 2 9 3 0 6 5 35 1 25 2 36 5 86 2 30 4 6 含量 1 3 7 2 7 4 0 04 8 65 9 85 7 14 9 9o 5 3 ( a )2 0 0 2 6 2 0 24 1 55 7 65 2 06 9 30 6 0 2 4 0 3 4 6 8 83 9 25 7 o4 8 99 180 7 4 极差 8 4 8 61 2 07 51 6 94 1 90 2 8 温度 2 5 8 7 5 72 5 63 6 23 1 41 9 60 1 1 ( b ) 3 5 3 0 8 3 54 8 1 5 2 3 5 2 o 8 1 5 0 4 4 4 5 3 0 6 5 33 9 5 4 4 86 5 8 6 5 3 o 5 2 5 5 3 4 6 8 85 1 2 6 2 26 0 5 9 1 8 0 7 4 极差 2 5 9 3 12 5 62 6 o3 4 47 2 2o 6 3 表4 2 3 最佳组合与因子分析 指标最佳组合因子影响力 产气量( m 1 )a 4 8 4 b a t s 去除率( ) a 1 b db a v s 去除率( )a 3 8 4b a c o d 去除率( )a i b 3 b a 日产气率( m l g t s d ) a 4 8 4b a 产甲烷速率( l ，d l 容积)a 4 8 4b a 6 0 3 0 0 0 0 - i 2 5 0 0 0 璺2 0 0 0 0 _ c l 蠢】5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 6 2 6 0 5 8 兰5 6 * 蓑5 4 望 5 2 5 0 4 8 ：9 0 l j 5 0 2 ( i 2 4 崮体古量( ) 圈体台量( ) 2 9 0 1 75 0 2 0 2 4 固体含量( ) 6 0 5 0 帅 袋 v * 3 0 鞋 稍 譬2 0 1 0 0 7 0 6 0 5 0 蕃4 。 镣 鬟3 0 8 。2 0 l o 0 第四章实验结果及分析 1 29 0 17 5 0 2 0 2 d 固体含量( ) 1 2 9 0 】75 0 2 0 2 4 固体含量( ) 1 29 0 1 7 5 0 2 0 2 4 固体含量( ) 图4 2 5 固体含量对厌氧消化效果影响 6 1 差| i i i 0 0 0 0 0 0 0 0 器件1p1v辞簧蝎k 3 0 0 0 0 名2 5 0 0 0 氅2 0 0 0 0 i e1 5 0 0 0 峤 1 0 0 0 0 7 0 6 0 5 0 薹4 0 静 蓑3 0 兽2 0 1 0 0 1 0 9 8 墓7 量e 05 娄a 垒3 2 1 0 2 5 3 5 4 5 5 5 温度c ) 2 5 2 5 3 5 4 5 5 5 温度( ) 6 07 5 0 ，、4 0 l 兰 _ | ； 3 0 冀 昌2 0 ； 7 0 6 0 一5 0 琶4 0 静 簧3 0 星 。2 0 1 0 o 08 07 基06 社 罩o5 0 4 簪 薹0 1 3 襄 o 1 0 2 5 3 5 4 5 5 5 温度( ) 3 5 4 5 5 5 温度( ) 2 5 3 5 4 5 5 5 温度( ) 图4 2 6 温度对厌氧消化效果影响 0 0 舢 薹| | | 。 站 蛄滟戤 第四章实验结果及分析 4 4 2 结果分析 从表4 2 2 和表4 2 3 可以得到各处理对厌氧消化效果的影响。 1 产气量：极差分析结果表明，温度对厌氧消化产气量的影响要比固体含量影响 大，最佳组合是a 4 b 。( 见表4 2 3 ) ，即固体含量为2 4 0 ，反应温度为高温( 5 5 ) 。 2 t s 去除率：在本实验中，温度对t s 去除率的影响较明显。其中最佳组合是 a 1 8 4 ，即固体含量为1 2 9 ，反应温度为高温( 5 5 ) 。固体含量较低时t s 去除效果好。 3 v s 去除率：温度对v s 去除率有显著影响。反应最佳组合是a 3 8 4 ，即固体含 量为2 0 0 ，反应温度为高温( 5 5 ) 。 4 c o d 去除率：温度对c o d 去除率影响大，反应最佳组合是a l b 3 。即固体含量 为2 4 0 ，反应温度为高温( 5 5 ) 。 5 日产气率：温度对v s 去除率影响显著。反应最佳组合是a 4 8 4 ，即固体含量为 2 4 0 ，反应温度为高温( 5 5 ) 。 6 产甲烷速率：温度对v s 去除率影响较明显。反应最佳组合是a 4 b 。，即固体含 量为2 4 0 ，反应温度为高温( 5 5 ) 。 综上结果可以看出，对不同的厌氧消化指标，各因素的影响力不同，最佳水 平也有所差异，本实验中温度对厌氧消化效果的影响要比固体含量明显。在遴选 最优条件时必须多方面考虑，既要使原料能充分降解，获得高的t s 去除率、v s 去除率及c o d 去除率，又应获得高的产气量和产气速率，消化条件又要切实可 行。通过对厌氧消化固体含量的分析，可以看出低浓度( 1 2 9 ) 对t s 去除率及 c o d 去除率都是最好的，面这两项指标又是衡量沼气厌氧消化效果的重要指标， 采用这种浓度比较可行。对温度影响分析，可以看出高温( 5 5 ) 对消化效果从 各个方面来说都是最好的。其中高浓度( 2 4 ，0 ) 在高温处理条件下日产气率和 产甲烷速率都是最高的。但考虑高温控制较难，能耗又多，故最佳反应温度选中 温( 3 5 ) 为好。综合考虑最优厌氧消化条件组合为a l b 2 ，即固体含量为1 2 9 ，消化温度为3 5 。 昆明理工大学硕士学位论文 5 1 模型建立 第五章物料平衡计算 在城市生活垃圾厌氧消化反应中，由于原料成分十分复杂，反应机理不明确， 很难进行物料平衡计算。本研究针对厌氧反应器基本是一个密闭环境的特点，将 反应器从周围环境中孤立出来，采用数学上的黑箱模型对城市生活垃圾厌氧消化 进行物料平衡计算1 5 7 , 5 8 。以黑箱模型为基础，建立城市生活垃圾厌氧消化的物料 平衡模型。在物料平衡计算中，以c o d 为计算指标，以一升有效反应器为计算 单位。厌氧消化中的一个重要特征及优点是它可以把原料中的有机物质转化为甲 烷，从而回收能源。一种反应器的c o d 利用率可以用它把所消耗的原料中有机 物质转成甲烷的比例来表示1 5 9 1 。由于c o d 是厌氧反应中用于表示有机物质的常 用指标，本研究中采用c o d 利用率来计算反应器的能源回收效率。 5 1 1 物料平衡模型 把反应器当成孤立的系统，就要求下式成立 c o d 进c o d 出 加入垃圾处理后垃圾 接种污泥剩余污泥 浓度调节水生物气 图5 1 黑箱模型 从图5 1 中可以看出： c o d 进= 加入垃圾c o d + 接种污泥c o d + 水c o d c o d 出= 处理后垃圾出料c o d + 剩余污泥c o d + 气体c o d 在计算中，作几点假设： 1 自来水中c o d = 0 2 气体全部由c 0 2 和c h 4 组成 6 4 ( 5 1 ) ( 5 2 ) 第五章物科衡算 3 c o d 没有其它消耗 4 所测的c o d 能代表全部物料的c o d 由于本实验中，进料中垃圾与污泥混合后再加入反应器中 实质为二者综合c o d ，同样，出料中，垃圾与污泥也是混合的 实质也是二者综合c o d 。因此上述二式可简化为： c o d 进= 进料c o d c o d 出= 出料c o d + 甲烷c o d 甲烷c o d 计算如下 所测进料c o d 所测出料c o d ( 5 3 ) ( 5 - 4 ) c h 4 + 2 0 2 c 0 2 + h 2 0 l l c h 4 c o d = ( 1 2 2 4 1 6 ) ( 6 4 1 1 6 ) g = 2 8 5 9 f 5 - 5 ) 5 1 2c o d 利用率计算 在厌氧消化处理城市生活垃圾过程中，微生物分解消化垃圾中的有机物质， 用于自身菌体生长。与此同时，降低了垃圾中的c o d ，并生产沼气。从理论上来 说，垃圾中去除的c o d 应该完全转化成为甲烷c o d 。这部分c o d 可以通过甲烷 燃烧得到利用。而事实上，由于少量好氧细菌和产氨细菌的存在，消耗了部分的 c o d ，这部分c o d 从能源的角度来说，是无用的。因此，垃圾c o d 转化到甲烷 c o d 的比例( 利用率) 也就反映了厌氧反应器c o d 利用率。c o d 利用率高，表 面厌氧条件好，厌氧反应进行得完全，反应器c o d 利用率强，能源效率高。c o d 利用率低，反应器c o d 利用率弱。厌氧反应进行较差。c o d 利用率计算见式5 - 6 ： c o d 利用率= 甲烷c o d ( 进料c o d 一出料c o d ) 5 2 模型计算结果 根据物料平衡模型进行本实验物料平衡及c o d 利用率计算： 1 进料固体含量为1 2 9 ，温度为2 5 c o d 进= 进料c o d = 3 8 7 9 9 l c o d 出= 出料c o d + 甲烷c o d = 2 7 6 5 + 0 0 5 2 6 2 8 5 = 3 j 3 6 9 l 平衡系数= c o d 出c o d 进= 3 1 3 6 3 8 7 9 = o 8 0 8 = 8 0 8 c o d 利用率= ( 3 i 3 6 2 7 6 5 ) ( 3 8 7 9 2 7 6 5 ) = 0 3 3 3 = 3 3 3 2 进料固体含量为1 2 9 ，温度为3 5 c o d 进= 进料c o d = 3 8 7 9 9 l ( 5 6 ) 垦堕塑三盔堂堡主堂焦量塞 c o d 出= 出料c o d + 甲烷c o d = 2 1 7 4 + 0 2 8 1 5 x 2 8 5 = 3 3 7 1g l 平衡系数= c o d 出c o d 进= 3 3 7 1 3 8 7 9 = 0 8 6 9 = 8 6 9 c o d 利用率= ( 3 3 7 1 2 1 7 4 ) ( 3 8 7 9 2 1 7 4 ) = 0 7 0 2 = 7 0 2 3 进料固体含量为1 2 9 ，温度为4 5 c o d 进= 进料c o d = 3 8 7 9 9 l c o d 出= 出料c o d + 甲烷c o d = 1 3 2 6 + 0 4 4 1 9 2 8 5 ；3 7 0 8 9 l 平衡系数= c o d 出c o d 进= 3 7 0 8 3 8 7