（环境科学与工程专业论文）餐厨垃圾特性及厌氧消化产沼性能研究.pdf

北京化工大学硕上学位论文 在批式反应的基础上还利用c s t r 反应器对连续进料的餐厨垃圾进 行了单相序批式厌氧产气性能分析，并对比了不同水力停留时间对其的影 响，结果得出在水力停留时间固定在3 0 天的条件下最高负荷率可以达到 2 7 5 9 v s l i d ，最佳负荷为2 2 5 9 v s l q d 1 ，产气率达到7 8 7 0 m l g v s 。 d 1 ，而固定进料浓度情况下最高负荷只能达到2 5 9 v s l q d 1 ，在2 2 5 g v s - l i d 。产气率最高，达到7 2 3 9 m l g v s 1 d - 1 。因此随着负荷的提高， 要保证足够的水力停留时间，否则较高的负荷将超过微生物的分解能力而 导致系统失稳。 关键词：餐厨垃圾沼气厌氧发酵 a b s t r a c t s t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c sa n da n a e r o b i c d i g e s t i o np e r f o r m 【a n c eo fk i t c h e nw a s t e a b s t r a c t k i t c h e nw a s t ea st h em a i nc o m p o n e n to f m u n i c i p a l w a s t ew i t h h i g h - m o i s t u r ea n dh i g h o r g a n i ch a sb e c o m eo n eo ft h ek e ye n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s a n a e r o b i cd i g e s t i o nw a sc o n s i d e r e dam o s tp r o m i s i n ga l t e r n a t i v e f o rh a n d i n gt h i sk i n do fw a s t ed u et ow a s t er e d u c t i o na n dc l e a ne n e r g y p r o d u c t i o n t h ek i t c h e nw a s t ep r o d u c t i o na n dt r e a t m e n ti nb e i j i n gw a si n v e s t i g a t e d f i r s t l y , q u a l i t a t i v e a n dq u a n t i t a t i v ed a t ao nk i t c h e nw a s t e p r o d u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c 、d i s p o s a lw a y sa n dc o s tw e r ea t t a i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t m o s to fk i t c h e nw a s t ew a sd i r e c t l yl a n d f i l l e do rf o rf e e d i n gl i v e s t o c ki l l e g a l l y t h e r e f o r e ，a n a e r o b i cd i g e s t i o nt r e a t m e n to fk i t c h e nw a s t ew a sn e c e s s a r ya n d i m p o r t a n t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fk i t c h e nw a s t ew i t ht h r e em e a l sa n df o u rs e a s o n s w e r ed e t e r m i n e d ，t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h r e ek i n d so fk i t c h e nw a s t e s h o w e ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s v s t s ，c ，n ，c r u d ep r o t e i na n dc r u d ef a to f b r e a k f a s tk i t c h e nw a s t ew e r el o w e rt h a nl u n c ha n dd i n n e rw a s t ew h i l et h e c o n t e n to fs o l u b l es u g a ra n ds a l tw e r eh i g h e r k i t c h e nw a s t ei nd i f f e r e n t q u a r t e r sh a d n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h en a t u r e ，v s t sm a i n t a i n e da t7 0 i i i 北京化工大学硕上学位论文 8 0 ，t o t a ln i t r o g e nc o n t e n tw a sb e t w e e n2 a n d3 t h et o t a ls o l u b l es u g a r w a st h em o s ti na l lt h eo r a n i cc o m p o u n d s ，f o l l o w e db yf a t s ，p r o t e i n s ，f i b e r t h i sa r t i c l ee v a l u a t e dt h eb a t c hf e r m e n t a t i o no fd i f f e r e n tv s c o n c e n t r a t i o nk i t c h e nw a s t ew i t ha n dw i t h o u tp ha d j u s t i o na t35 。c t h er e s u l t s s h o w e dt h a tm a x i m u mo r a g a n i cc o n c e n t r a t i o nc a l lr e a c h2 5 9 v s l 1w i t h o u t p ha d j u s t i o na n dh i g h e s tb i o g a sy i e l d9 3 8 6 m l g v s 。1 w a sa c h i e v e da t 2 0 9 v s l - 1 i tc a nr e a c h4 5 9 v s l 1w i t hp ha d j u s t i o na n dt h eh i g h e s tb i o g a s y i e l dw a s9 9 1 0m l g v s a t16 9 v s l - 1 m e t h a n ec o n t e n th a db e e ni n c r e a s e d i nt h ed i f f e r e n te x t e n t sw i t hp ha d j u s t i o n t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ti n o c u l u m p r o p o r t i o no nt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o np e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d a p p r o p r i a t e i n o c u l u m ( f m = o 3 6 ) c a ns h o r t e nt h er e a c t i o nt i m ea n do b t a i ng o o db i o g a s p r o d u c t i o n c s t rd i g e s t o rw a si n t r o d u c e dt oe v a l u eo n e p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o n p e r f o r m a n c eo fc o n t i n u o u sf e e dk i t c h e nw a s t ea n di m p a c to fd i f f e r e n th r t w a ss t u d i e d t h em a x i m u ml o a d i n gr a t ec a nr e a c h 2 7 5 9 v s l 1 d 1 w h e nh r t w a s3 0 d ，t h eo p t i m a lb i o g a sg e n e r a t i o nw a s7 8 7 0 m l g v s i d 1a t2 2 5 g v s l q d - 1 w h e n t h ef e e dc o n c e n t r a t i o nw a sf i x e d ，2 5 9 v s l 1 d 1w a s a c h i e v e da st h eh i g h e s tl o a d i n gr a t ew h i l et h eh i g h e s tb i o g a sy i e l dw a s7 2 3 9 m l g v s l d 1a t2 2 5 9 v s l l - d 一a st h el o a d i n gr a t ei n c r e a s e d ，a d e q u a t eh r t w a sn e e d e dt oe n s u r ee n o u g hm i c r o o r g a n i s m sf o rd e c o m p o s t i n go r g a n i c m a t t e r s k e yw o r d s ：k i t c h e nw a s t e ，b i o g a s ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n 符号说明 k w h l 玎 s r t t s v s c s t r t a n ，n ( n t c t n 删 c o d 符号说明 k i t c h e nw a s t e h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e s l u d g er e t e n t i o nt i m e t o t a ls o l i d 、b l a t i l es o l i d s c o m p l e t e l ys t i r r e dt a n kr e a c t o r t 0 t a la m m o n i an i t r o g e n t 0 t a lk j e d g h l n i t r o g e n t 0 t a lc a r b o n t o t a ln i t r o g e n v o l a t i l ef a t t ya c i d s c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) ( i i 餐厨垃圾 水力停留时间 污泥停留时间 总固体 挥发性固体 完全混合式反应器 氨氮 凯氏氮 总碳 总氮 挥发性脂肪酸 化学需氧量 北京化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，独立 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，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 叠j 噬 日期： 关于论文使用授权的说明 ! o t o 万2 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：劐监日期： 皇! 也：兰 导师签名：耋乌鎏 日期：z 左二笸! 之 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着我国经济社会的发展和城市化进程的加快，我国的城市生活垃圾的产生量迅 速增加。目前中国有1 3 的城市被垃圾所包围，垃圾累积堆存量达6 0 多亿吨，侵占土 地7 5 万亩，严重污染了地下水。2 0 0 5 年，中国城市生活垃圾清运量为1 5 6 x 1 0 8 t ，2 0 0 7 年达到1 7 7 x 1 0 8 t ，生活垃圾无害化处理率为6 2 【l 】【2 1 。随着生活水平的上升，中国城 市生活垃圾的组分发生了明显的改变，城市生活垃圾中的有机成分与无机成分分别以 每年7 左右的比例递增与以1 0 左右的比例递减。大城市的一些小区生活垃圾中有 机物干基比例能达到9 0 。目前，城市生活垃圾中含水率高、易腐熟的厨余垃圾的含 量越来越高，据调查全国七个城市的厨余垃圾平均含量达到5 2 6 ( 见表1 1 ) 1 3 1 4 1 。 表1 - 1 各主要大城市生活垃圾产量及餐厨垃圾比例 t a b l e1 - 1s o l i dw a s t ed a i l vp r o d u c t i o na n dr a t eo fk i t c h e nw a s t ei ns e v e r a l l a r g ec i t i e s - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ it1 _一 日产生活垃圾量日产餐厨垃圾餐厨垃圾所占比例 城市 ( t )( t )( ) 1 2 餐厨垃圾性质及其危害 餐厨垃圾也称泔脚废弃物，是居民在生活消费过程中必然产生的一种极易腐烂变 质的剩饭、剩菜，也是生活垃圾主要组成部分，主要产生于居民日常生活、高校及企 事业食堂、各种酒店餐馆等，其主要成分为米饭、面食类残余物、肉类、蔬菜、骨头、 鸡蛋皮、西瓜皮等。 随着我国经济水平及人民生活水平的提高，各种饭店酒楼的规模越来越大，人们 的生活习惯也发生一定的变化，餐厨垃圾的产生量已经呈现出明显的增长趋势，我国 每年餐厨垃圾的产量已经达到9 0 0 0 万吨，北京、上海、广州等大城市的餐厨垃圾日 产量均超过1 0 0 0 t 5 1 。韩国的日产餐厨垃圾已达到1 3 0 0 0 t ，占生活垃圾的2 7 t 6 1 。日本 每年的生活垃圾( 包括商业垃圾) 的总量为5 0 0 0 万t ，其中餐厨垃圾为2 0 0 0 万t ，占 北京化工大学硕上学位论文 生活垃圾总量的4 0 t r l 。目前世界上任何一个城市都面临着垃圾处理的问题，餐厨垃 圾的产生和处理也是当前需要解决的一大难题。在日本、德国等发达国家，垃圾分类 工作做的很好，因此减轻了后续垃圾处理的负担，在我国，垃圾分类工作目前还没有 切实落实，尤其是餐厨垃圾大部分混入生活垃圾，导致了处理的难度，因此餐厨垃圾 的处理处置应该作为一项艰巨的任务来执行。 餐厨垃圾主要有以下几个特点： ( 1 ) 含水率高，餐厨垃圾的含水率一般都能达到8 0 - 9 0 ，因此流动性大， 运输不便，非常容易渗漏，热值较低，处理方法不当容易产生二次污染。 ( 2 ) 有机物含量高，如粗脂肪、粗蛋白等有机物含量高，富含n 、p 、k 、c a 及各种微量元素【8 1 ，开发利用潜力大。 ( 3 ) 餐厨垃圾中油、盐的含量较高，在进行处理时要综合考虑该因素，以防出 现油、盐的抑制或资源化产品的利用率低等问题。 ( 4 ) 餐厨垃圾在常温下就很容易腐烂变质，容易滋生病菌，引起各种疾病。 鉴于以上特点，餐厨垃圾的危害主要体现在以下几方面： ( 1 ) 影响市容及人居环境；首先是餐厨垃圾本身的性状会影响人的视觉和嗅觉， 另外垃圾在处理过程中容易产生臭气、污水等污染环境。 ( 2 ) 餐厨垃圾被用做饲料来喂养家畜，由于餐厨垃圾极易腐烂，在运输及储存 过程中产生大量的毒素及病菌，被用于家畜饲料后会直接影响到人类的健康。 ( 3 ) 废弃厨余垃圾中实用油的危害， 每年有2 0 0 万 - 3 0 0 万吨地沟油返回餐桌， 会引起食物中毒甚至致癌。 如最近讨论热烈的地沟油问题，据报道， 地沟油中含有大量的毒素，一旦食用，则 ( 4 ) 餐厨垃圾中的废弃油脂及固体残渣若排入下水道，则会造成堵塞，污染环 境。 由此可见餐厨垃圾就是放错了地方的资源，若对其进行有效处理，不仅可以回收 能源，还能减少一定的环境压力。 1 3 餐厨垃圾的管理现状 随着餐厨垃圾的数量增长及社会对餐厨垃圾处理即资源化利用关注度的提高，各 省市地区已经对餐厨垃圾的管理采取了一系列的措施，制定了相关的制度及政策。上 海市2 0 0 5 年4 月1 日起正式施行上海市餐厨垃圾处理管理办法，其中对餐厨垃圾 的收运、处置及资金管理的主要措施进行了详细的规定。北京市从2 0 0 6 年1 月日起 开始实行北京市餐厨垃圾收集运输管理办法，同时制定了餐厨垃圾车技术条件 【9 】 o 目前，我国的餐厨垃圾管理还处于起步阶段，还存在一些问题，例如( 1 ) 收集 2 第一章绪论 无序，处理不规范；一般的小餐馆或家庭产生的垃圾都直接混入生活垃圾或混入污水 中进入下水道，大型餐馆的垃圾即用于养猪等，还有最近热议的地沟油问题均是处理 不规范的表现；( 2 ) 法规滞后，执法困难【1 0 】；由于餐厨垃圾产生量大，涉及的范围较 广，一般的政策法规很难面面俱到，加之监督力度不够，导致执行困难。针对以上现 状，我国的餐厨垃圾要形成一套完整的处理体系，还需从宣传、法律法规、市场、试 点工程建设等方面进行改革与实施。 1 4 餐厨垃圾的处理技术现状 目前我国城市生活垃圾的处理方法主要是填埋、堆肥、焚烧，其比例分别是7 9 2 、 1 8 8 、2 。当前我国已经有1 0 多个城市建立了餐厨垃圾处理站，终端产品大多为 饲料、有机肥、可燃气等，就北京市而言，目前有朝阳高安屯、通州董村、海淀六里 屯、大兴南宫4 座餐厨垃圾处理厂，餐厨垃圾处理能力1 2 0 0 t d - 。2 0 0 5 年上地街道建 成首座餐厨垃圾资源化集中处理站，对辖区内2 7 家餐厅产生的3 t 多泔水进行高速高 温微生物处理【l l 】。国内外主要的处理技术包括物理处理、填埋、堆肥、焚烧、厌氧消 化等常用处理技术，还有一些现代废物资源化技术。 1 a 1 常用处理技术 物理处理即不对餐厨垃圾的性质做任何改变，直接进行破碎并采用水力冲刷将粉 碎后的厨余垃圾排入污水管道与污水一起进入处理系统。该方法主要用于欧美等国 家，方法操作简单，成本较低，但进入污水处理系统不仅用水量增大，不适合大规模 餐厨垃圾的处理处置。 餐厨垃圾生化处理机有消灭型和资源型两种，前者是对垃圾进行原地消纳，后者 是利用高效的菌种对餐厨垃圾进行快速堆肥或厌氧发酵，将垃圾转变为肥料或可燃 气。日本在1 9 9 3 年研制出m s - n 4 0 和m s n 3 l 两种厨房垃圾处理机，3 - - 一4 h 可以处理 0 7 k g 垃圾0 2 。在我国最早都是采用国外的技术及商品，近年来国内开始自主研发， 如江苏某制造有限公司自行研制处理机，但处理技术的成熟度还有待提甜1 3 】。 填埋法是一种投资少、易操作，可以生产含腐殖质较高的有机肥料，实现废物的 无害化与资源化的方法，但减容少、占地大，造成资源的浪费及生活垃圾中营养价值 的损失，而且放出大量的温室气体污染环境，产生的渗滤液不仅会污染地下水，而且 造成土壤的污染【1 4 】。韩国从2 0 0 5 年起就禁止填划1 5 l 。欧盟、日本和美国等国家的有 关政策，都提出了进一步限制进入填埋场垃圾有机物含量的规定【1 6 j 。 堆肥即在人工控制条件下，利用自然界存在的微生物对餐厨垃圾中的有机物进行 氧化分解并趋于稳定的过程。国内外应用较多的是高温机械堆肥，是采用高温嗜热 3 北京化工大学硕上学位论文 微生物对厨余垃圾进行发酵，发酵温度高，速度快【l s 】。吕凡、何品晶等【1 9 】研究餐厨垃 圾在高温好氧生物消化工艺下的控制条件优化。最新发展起来的蚯蚓堆肥法也得到广 泛的应用，是利用蚯蚓吞食餐厨垃圾中大量有机物质，将有机物转化为自身或其他生 物可以利用的营养物质【2 0 】。但含水率大的蔬菜、水果、食堂和小区厨余等城市生活垃 圾未经预处理就不适合好氧堆肥，加上餐厨垃圾的含盐量较高使肥效降低，因此限制 了堆肥产品的销售及堆肥技术的发展。 焚烧是通过高温热化学处理将垃圾燃烧成灰渣，灰渣再运到填埋场填埋。焚烧法 处理垃圾体积减少可达9 0 ，周期短、占地少、有效消除病原菌，可回收热量和连续 操作。但像厨余垃圾含水量大，热值达不到燃烧所需的热值( 5 0 0 0 k j k 9 1 ) 要求，而 且燃烧法一次性投资大，运行费用高且产生s 0 2 、n o ”二恶英、呋喃等有害气体， 因此焚烧法处理厨余垃圾存在投资大，尾气排放受限制等也难于广泛应用【2 1 1 。 厌氧消化即在厌氧条件下垃圾中的有机物在微生物的作用下转化为甲烷和二氧 化碳。厌氧处理不仅节省了好氧处理中氧气供应的费用，而且1 0 0 0 k g c o d 转化成的 甲烷相当于1 2 x 1 0 6 k j 热能【2 2 1 。由于餐厨垃圾的含水率( 1 5 2 0 ) 为厌氧消化适合的 范围，不需要进行水分调节即可进行消化，且c n 比( 1 0 2 5 ) 也处于厌氧消化 最适范围( 2 0 - - 3 0 ) 。关于厌氧消化技术及工艺研究已经逐步进入成熟阶段，厌氧 消化已经成功的运用于各国生活垃圾( 包括餐厨垃圾) 的处理中。美国在1 9 7 9 年建 立了世界上第一个年处理5 0 0 0 t 的生活垃圾发酵实验工厂，我国上海普陀垃圾综合处 理厂的厌氧发酵采用v a l o r g a 工艺，是世界上最大的垃圾厌氧处理厂。 1 4 2 其他资源化利用技术 餐厨垃圾的处理及利用技术还有饲料化、生物制氢和可降解塑料等。饲料化是将 厨余垃圾进行粉碎后，经过脱水、生物发酵、软硬分离、灭菌后，将垃圾变为高热量、 高蛋白的饲料。邬苏焕【2 3 】等利用多种酵母菌和霉菌对餐厨垃圾进行混合发酵，筛选其 中优势菌种并进行正交试验验证但餐厨垃圾作为饲料的生产周期较长，产品单一， 且存在菌种管理的安全问题。2 0 0 3 年1 月1 日实施的青岛市无规定动物疫病区管理 办法规定，饲养动物不得使用宾馆酒店废弃的厨余泔水、生活垃圾、过期变质的厨 余和饲料及国家禁止使用的动物源性饲料 7 1 。 生物制氢是通过产氢发酵细菌的生理代谢对有机物进行发酵，与化学法制氢相 比，具有可再生性，有机物利用范围广，工艺简单，易于操作，具有一定的发展潜力 1 2 4 1 2 5 1 。有大量的研究分别针对葡萄弹、脂肪、蛋白质进行了厌氧产氢的机理探索 2 6 1 2 7 】【2 8 1 ，以达到产氢率的提高并获得产氢的过程机理。但目前大部分的研究还集中 在批式或小试阶段，高效的产氢反应器及过程模拟与控制还有待进一步研究。 可降解生物塑料主要是利用餐厨垃圾发酵产生的乳酸合成聚乳酸作为可生物降 4 第一章绪论 解塑料的原料，替代原有的难降解的以聚乙烯、聚丙烯等为主要成分的塑料，不仅解 决了厨余垃圾的处理问题，而且为塑料的生产开辟了条成本低、效益高的途径。但 由于该技术成本较高，因此目前还难以达到工业化生产。 餐厨垃圾的处理未来的发展方向也将是以“减量化“无害化“资源化”为原则，开 辟一条集收集、运输、处理、再利用为一体的可持续发展道路，为我国的环境减轻污 染负荷，同时将有机物有效回收利用来替代化石燃料等的消耗。 1 5 厌氧消化技术原理及影响因素 1 5 1 厌氧消化原理 厌氧消化是有机物在无氧条件下，依靠兼性厌氧菌和专性厌氧菌的作用转化成甲 烷和二氧化碳等，并合成自身细胞物质的生物学过程，是实现有机固体废物无害化、 资源化的一种有效的方法。随着厌氧微生物学的发展及厌氧消化过程的不断研究，厌 氧消化的原理经历了两阶段理论、三阶段理论及四阶段理论三个发展过程，其机理如 图1 1 ，常被研究者利用的是三阶段理论。 该理论是1 9 7 9 年由m p b r y a n t 根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果提 出的。第一阶段即产酸阶段，垃圾中的有机物，如糖类、脂肪和蛋白质在产酸菌的作 用下被分解成低分子物质，这些物质以挥发性脂肪酸为主，因此在该阶段p h 值会下 降；第二阶段为产氢产乙酸阶段，产甲烷菌并不能利用所有第一阶段产生的中间产物， 而像长链脂肪酸和醇类需要再经过产氢产乙酸菌的作用将其转化为可以被产甲烷菌 利用的产物，第三阶段为产甲烷阶段，前两个阶段产生的中间产物在产甲烷菌的作用 下被分解成甲烷和二氧化碳。在该阶段中，由于大量的有机酸被不断转化成甲烷和二 氧化碳，同时系统中有n h 4 + 的存在，使发酵液p h 值升高，所以该阶段也称为碱性发 酵阶段。 厌氧消化实际上是一个具有不同功能的不同种微生物与污染物，在厌氧消化这样 一个生态环境中共同生存、相互依赖、相互制约的生态平衡系统，是一个复杂的生物 化学过程。深刻的认识厌氧消化的各个阶段的反应机理及影响因素有助于改进和提高 厌氧处理废弃物的工艺。 5 北京化工大学硕士学位论文 图1 - 1 厌氧消化有机废弃物反应机理图 f i g 1 - 1r e a c t i o ns c h e m ef o ra n a e r o b i cd i g e s t i o no fo r g a n i cm a t e r i a l 1 5 2 厌氧消化的优点 厌氧消化由于它较高的经济性和产能效益已经引起越来越多的关注，在处理垃圾 放方面主要有以下几个优点： ( 1 ) 厌氧消化不需要氧气，可以减少动力消耗、节约能源、减少成本； ( 2 ) 对有机负荷承受力强，反应器效能高，容积小，占地面积小，可降低基建成 本，又能达到很好的处理效果； ( 3 ) 厌氧过程中没有与氧相随的微生物合成，因此剩余污泥量少，减少了处置费 用且生成的污泥较稳定； ( 4 ) 可以回收沼气能源、降低污染负荷，同时也减少了温室效应气体的排放量； ( 5 ) 发酵残留物可经过灭菌等操作转化为土壤添加剂或肥料，增加其经济效益； 6 第一章绪论 总之，厌氧消化实现了“无害化、减量化与资源化 ，在生物质有效利用方面有 着巨大的贡献。 1 5 3 厌氧消化影响因素 1 5 3 1p h 值 p h 值是影响餐厨垃圾厌氧消化的重要因素，p h 值是通过影响微生物的活性进而 影响整个厌氧消化过程。在单相厌氧过程中，由于产酸与与产甲烷在同一反应器中进 行，一般p h 值范围在6 8 7 2 之间最适合厌氧消化过程的进行。当p h 值过低时， 会使产酸发生不可逆的抑制，从而影响整个消化过程。在两相厌氧消化过程中，酸化 反应器中调节不同的p h 值可选择特定的产酸微生物种群，从而控制产酸途径及后续 的产甲烷过程，p h 值对产甲烷菌的生长繁殖有重要的影响，过高或过低的p h 值将降 低产甲烷菌的活性，甚至致其死亡。 l a y 等【2 9 】发现对于以产甲烷为主要目的的厌氧过程来说，p h 值为6 6 到7 8 范围 内，水分含量为9 0 - 9 6 时的产甲烷速率较高，p h 值低于6 1 或高于8 3 时，产甲 烷效率会明显下降甚至有可能会停止。尤其在发酵初期，由于系统产生大量有机酸， 若p h 控制不好则会导致局部酸化，延长发酵周期，进而破坏整个反应系统。张波【3 0 l 通过间歇实验研究了3 种不同的p h 值调节方法( 利用n a o h 溶液调节初始进料p h 到7 ，利用n a o h 和c a ( o h ) 2 混合碱液每1 2 h 调节p h 到7 和利用调节c n 比调节p h 到7 ) 对酸化产物的影响，该3 种方法均能降低酸化产物中n a + 的含量，但第3 种方法 获得最佳效果，一级水解速率常数达到0 1 9 9 d 1 ，乳酸浓度在很短时间内达到最高， 而丙酸不是优势组分，对后续的产甲烷提供了充足的基质。 由于p h 值能够及时快速的反映厌氧反应器的的性状，许多垃圾处理厂的实际运 行都通过监测p h 值来判断厌氧消化的正常进行。 1 5 3 2 温度 温度对厌氧消化的影响主要体现在通过影响厌氧微生物体内某些酶的活性，进而 影响微生物的生长代谢，另外还直接影响有机固体废物在反应器内的反应过程及中间 产物的形成过程。任一种微生物，在一定温度范围内，其生长代谢及有机物的发酵速 率均随温度的升高而加快，根据v a n t h o f f 定律，在一个严格的温度范围内，温度每 升高1 0 化学反应速度加快l 倍，当超过某一最适温度时，微生物的代谢即随温度提 高而迅速下降，有时系统还会出现不可逆转的影响。 有机固体废弃物的厌氧消化一般在中温( 3 5 ) 或高温( 5 5 ) 下进行。一般情 况下，高温反应要比中温反应产生更多的能量，可以缩短有机物的停留时间，对反应 器的容积要求小，对有机废物的降解和病原菌的杀灭更有效。甲烷菌对温度的急剧变 化非常敏感，即使温度只降低2 ，也能立即产生不良影响，产气下降，温度再次上 7 北京化工大学硕十学位论文 升才又开始慢慢恢复其活性。另一方面，如果温度上升过快，当出现很大温差时会对 产气量产生不良影响。因此，厌氧发酵过程还要求温度相对稳定，一天内的变化范围 在2 以内为宜。 b o u a l l a g u i 3 1 】等利用管状反应器研究了水果及蔬菜垃圾的低温、中温和高温消化， 结果发现高温消化产气比低温和中温消化的产气量分别高出1 4 4 和4 1 。但高温需 要的动力要求高，反应也不稳定，容易发生有机酸抑制【3 2 】。k k o m e m o t o 等【3 3 】分别在 2 5 、3 5 、4 5 、5 5 、6 5 条件下研究了餐厨垃圾的水解和酸化效率，结果表明在3 5 和 4 5 下可以达到7 0 和7 2 7 的水解率，同时获得较高的产气率，而在高温条件下， 由于微生物的活性受到抑制，只有在早期有较高的水解率，停留时间较短，但产气率 较低。 1 5 3 3c n 微生物的生长代谢不仅需要一定量的c 和n ，而且要保证一定的比例才能维持正 常的生命活动，主要通过影响微生物的生长繁殖及代谢产物的形成和积累而影响产气 量，一般厌氧发酵适合的c n 比为1 3 l 2 8 1 ，适宜的c n 能促进发酵底物中各种有 机物的快速分解，并产生足够的产甲烷底物，但不会造成积累而导致发酵液酸化从而 影响产甲烷菌的活性。若c n 过高，容易导致酸化，系统缓冲能力差，c n 比过低时 容易导致氨氮浓度提高而对消化过程产生抑制。有学者对不同c n 比的猪粪和风干稻 草混合物料进行批式发酵研究，得出c n 比对发酵启动过程及产气量的影响不大，但 对启动阶段气体中甲烷含量有较大影响，c n 比越高，甲烷含量越高，c n 比在2 8 1 3 8 1 之间均能得到良好的产气效果，因此可以选用较高c n 比的接种物来提高启动阶 段c h 4 含量，并调节物料的c n 比为2 8 1 3 8 1 3 4 1 。 1 5 3 4 氨氮 在有机物厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要的因素，进入消化系统的硝酸盐 能被还原成氮气存在于厌氧消化系统中。在微生物增长繁殖的同时只有少量的氮被细 胞利用，大部分可生物降解的有机氮被还原为消化液中的氨氮，在厌氧消化的四种微 生物中受氨氮抑制影响最大的是产甲烷菌。在厌氧消化过程中，氨氮主要来自与含氮 有机物的降解及蛋白质、氨基酸的分解，适量浓度的氨氮是必需的，但如果其浓度过 高就会快速抑制甲烷菌的活性氨氮的抑制机制已经被众多研究者研究，例如细胞内 p h 的变化，能量需求的变化以及酶反应的抑制等f 3 引。 蒋建国等【3 6 】研究了餐厨垃圾厌氧消化过程中氨氮浓度的变化及抑制情况，当氨氮 浓度在8 0 d 达到1 7 0 0m g l - 1 时就产生了对甲烷菌的抑制【3 刀，产气速率下降，从1 1 6 d - - 1 2 6 d 开始投加葡萄糖以提高料液的碳氮比，氨氮浓度降低，系统逐渐进入稳定，当氨 氮浓度再次提高到3 0 0 0 m g l - 1 时未发生抑制，这是长期驯化的结果。也有研究表明当 氨氮浓度达到4 0 5 1 - - 5 7 3 7m g l - 1 时，产酸菌几乎不受影响但产甲烷菌已经失去5 6 5 的活性。在过去的研究中对于氨氮抑制对分解乙酸菌和氢营养型菌的影响还存在不同 8 第一章绪论 的观尉3 8 l ，有些人通过对比产气率和微生物增长速度比较得出对乙酸分解菌的抑制作 用要比对氢营养型菌的抑制作用强，但也有研究学者认为乙酸分解菌对高浓度氨氮的 抵抗作用要比氢营养型菌高。 1 5 3 5 碱度 碱度是中和厌氧反应过程中产生的有机酸和维持系统p h 稳定的主要物质，也是 厌氧反应器稳定运行的重要参数。碱度通常分为总碱度和碳酸氢盐碱度，总碱度不能 很好的反应厌氧体系的缓冲能力，部分碱度即碳酸氢盐碱度才能对系统中挥发性有机 酸的抑制效应进行监控，真正的反应出系统的缓冲能力。也只有当碳酸氢盐碱度达到 一定的范围时才能对有机酸的积累起到缓冲作用，因此在实际运行中要随时监测系统 中碳酸氢盐碱度的大小。当系统中产生大量挥发性脂肪酸，超过碱度的缓冲作用，体 系的p h 值将会迅速下降，产生产甲烷菌的抑制。有研究表明，碱度对污染物的降解 性能有很大影响。在厌氧处理印染废水过程中，当碱度从3 0 0 0 r a g l - 1 降到5 5 0 m g l 1 时对c o d 去除率没有多大影响， 当碱度下降到2 5 0 r a g l - 1 时c o d 去除率从8 8 下 降到6 8 嘣 j 。 1 5 3 6 预处理 在厌氧消化之前对厨余垃圾进行预处理，不仅可以促进后续的厌氧消化过程，而 且可以减少成本，提高产气率。常用的预处理方法主要有机械预处理、化学预处理和 生物预处理m 。机械预处理主要是通过机械、热的作用减小物质的体积及分子的复杂 度，提高反应的接触面积，如对原料进行切碎、粉碎。有研究表明将厨余垃圾先在2 0 冷冻2 4 h 再在2 5 下解冻1 2 h ，可以提高酸化反应器中消化液的可溶性c o d 浓度 及v f a 浓度，从而提高了产甲烷速率与效率【4 l 】。化学预处理是利用化学试剂对原料 进行浸泡或酸碱处理，该方法已经成功的应用于秸秆预处理，康佳丽等采用氢氧化 钠对麦秸进行固态化学预处理，结果表明经6 氢氧化钠处理后的麦秸单位t s 产气量 提高了4 9 9 ，消化时间缩短了1 9 d 。生物预处理即利用微生物的作用将原料在反应 前进行水解使其更加容易降解，可以提高后续厌氧处理的效率。潘亚洁等【4 2 】提出利用 白腐茵进行生物预处理，制备容易被厌氧细菌发酵的降解液，提高产气效率。 s h a s e g a w a 等从高温反应器中分离出了能分解融化固体废弃物的嗜温微生物来处理 污水污泥，沼气产量提高5 0 。 1 5 3 7 水力停留时间 水力停留时间( h r t ) 是描述有机物在反应器内反应的时间。对于固定的反应器 容积，h r t 越大，废弃物的反应时间越长，h r t 越小废弃物处理的时间越短，但会 引起负荷过高而导致反应失败。根据不同的底物，单相连续厌氧反应器的水力停留时 间一般在2 0 d 左右，两相厌氧反应系统中，各相的水力停留时间在2 - - 一1 0 d 左右。 b r i n c o n 4 3 】等研究了橄榄枝固体废弃物单相厌氧中停留时间的影响，有机负荷和停留 时间分别在0 8 1 1 0 9 c o d l - 1 和1 0 8 - 1 7 天，结果发现甲烷产率最高为1 7 l d ，有 9 北京化工大学硕士学位论文 机负荷和停留时间分别为9 2 9 c o d l - 1 和1 7 天。当负荷大于9 2 9 c o d l - 1 ，停留时间 为小于1 7 天时，系统开始不稳定，最后到反应失败。 1 5 3 8 接种量 接种污泥是为厌氧消化系统提供微生物，接种物的数量和质量对厌氧消化的产气 性能及系统稳定性有很重要的影响，若接种物浓度较低，可供利用的微生物数量太少， 产甲烷菌需要一个富集的过程，由于产酸速度要比产甲烷快，容易造成酸积累。当接 种量过大时，反应器的容积要求较高，则成本增加。并且接种物增大后在一定的营养 条件下，微生物达到一定数量后营养的相对缺乏会导致生存竞争，从而降低了微生物 的活性。一般接种污泥是料重的2 0 - - 。3 0 l e 较好，并且随着固体含量的提高接种量也 应提甜州。 n a l l a t h a m b i 在研究不同接种量对一种草料降解的影响时也发现气体产量随接种 量的提高而提高f 4 5 1 。也有研究证明接种量的不同将影响厌氧消化的反应效率，采用不 同t s 浓度和不同接种量在5 5 下进行批式实验研究，结果表明t s 浓度为2 0 ，结 种率为3 0 的效果最好，甲烷产率达到4 9 0m l g v s 4 6 1 。马磊掣4 7 】研究了6 种不同接 种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响，结果表明总量6 0 0 9 的条件下，6 0 0 9 餐厨垃圾， 5 4 0 9 餐厨垃圾与6 0 9 接种物，4 8 0 9 餐厨垃圾与1 2 吧接种物，4 2 0 9 餐厨垃圾与1 8 0 9 接种物，3 6 0 9 餐厨垃圾与2 4 0 9 接种物，3 0 0 9 餐厨垃圾与3 0 0 9 接种物这6 个不同的 比例中，4 8 0 9 与1 2 0 9 接种物的比例产气效果最好，另外各项过程指标如t s 、v s 、 c o d 去除率均达到最高。污泥的含水率也会影响厌氧消化过程，f u j i s h i m a 等研究了 脱水污泥厌氧消化过程中含水率的影响，当进入反应器中的污泥的含水率由9 7 o 降 到8 9 o 时，有机固体的去除率由4 5 6 降到了3 3 8 。 1 5 3 9 消化液回流 消化液回流是将消化完的出料经离心分离后继续回到反应器，可以使残余的有机 物被微生物利用，也增加了反应器内微生物的浓度，增强反应器的缓冲能力，而且可 以提高反应器内的水分，促进养分的均匀分布，但有时也会引起一些有毒物质或盐的 积累，对反应形成抑制。 在对餐厨垃圾厌氧消化实验中得出在低负荷条件下提高回流比可以增加产气率， 但负荷较高时，回流比的增加会造成挥发性脂肪酸的积累和钠离子的积累，从而产生 抑制影响整个厌氧消化过程【4 8 1 。在两相厌氧消化中，酸化相的回流可以促进餐厨垃圾 的厌氧消化过程，而且产生等量的甲烷所需的时间可以可以缩短4 0 f 4 川。d e l i a t e r e s a s p o n z a 剐等人利用7 0 l 的生物反应器在2 个不同的回流比与未回流条件下进行餐厨垃 圾的厌氧消化试验，结果显示在反应5 0 天后甲烷含量出现明显的差别，分别为5 0 、 4 0 、3 0 ，因此合适的回流比可以促进甲烷菌的活性，但过高的回流比则引起底物 的酸化，抑制了产甲烷菌的正常繁殖。 1 0 第一章绪论 1 6 餐厨垃圾厌氧消化处理的研究进展 餐厨垃圾的厌氧消化源于工业废水及污泥的厌氧处理，各项技术已逐渐成熟，厌 氧消化方法处理餐厨垃圾已经被认为具有生态合理性及经济可行性【5 1 1 。目前对厌氧消 化餐厨垃圾的研究主要集中与厌氧过程影响因素、厌氧消化中间产物及适合厨余垃圾 的厌氧工艺等。 1 6 1 产气效率及潜力研究 废弃物的产气效率及潜力通常用批式反应器来进行，即批式进料，每一次反应均 进料一次，直到本次反应结束都不再进料。该反应器操作简单，一般在5 0 0 m l 一- - 1 5 l 的血清瓶中即可进行，气体通常采用排水集气法。 c h o 等【5 2 】在3 7o c 和2 8 d 的消化条件下，得出了不同厨余废弃物的产气潜力，熟 肉、煮米饭、新鲜白菜和混合厨余废弃物的最终的甲烷产气率分别为4 8 2 l k g v s - 1 、2 9 4 l k g v s - 1 、2 7 7 l k g v s 1 和4 7 2 l k g v s l 。根据厨余废弃物的基本成分，其厌氧生物降解性 分别为8 2 、7 2 、7 3 、8 6 。w a n g 等利用固液反应器分别采用批式和连续进料来 处理餐厨垃圾，其甲烷产率分别为0 4 9 m 3 g v s 1 和o 7 1 m 3 g v s ，v s 去除率分别为7 7 和7 8 。在示范工程试验中，甲烷产率分别为0 3 3 和0 4 9 m 3 g v s ，v s 去除率分别 为7 2 和7 4 。k k o m e m o t o 掣3 3 】分别在2 5 、3 5 、4 5 、5 5 、6 5 度条件下研究了餐厨 垃圾的水解和酸化效率，结果表明不同温度下的悬浮固体去除率为4 7 5 、6 2 2 、 7 0 0 、7 2 7 、5 6 1 、4 5 9 。l n e v