黄慧权废物管理.doc

废物管理摘要:对城市六种固体废物的有机部分特定类型的发酵特性(OFMSW)进行检查，重点是检查设计推流式厌氧生物反应器所必须的属性。具体而言，是对蔬菜(白菜)的，水果（香蕉和橘子皮），新鲜竹子的落叶和柚木叶，以及纸（新闻报纸）废物流作为原料的分解模式进行研究。将OFMSW成分单独放入尼龙网袋在运作着的推流式沼气发酵罐中进行连续周期（固体停留时间，SRT）的发酵。这些东西每隔一段时间都得移出来对它们的组分进行分析以监测分解率及它们的化学成分变化。其中一些成分比如白菜，香蕉皮和橘子皮不仅在推流式沼气发酵罐（PFBR），而且在甲烷发酵（BMP）的试验中都会迅速的分解。而其它OFMSW的成分（竹子的落叶，柚木皮，新闻报纸）由于工艺稳定性差和生物降解温和而发酵缓慢。对于水果蔬菜废物（FVW）而言能快速而高效的降解果胶质是这些原料快速降解的主要原因，这仅会留下极少的堆肥形成残渣（2-5%）。但柚木叶，竹子叶和新闻报纸在30天内只分解25-50%。这些结果证实将挥发性脂肪酸藏在PFBR中的潜力并建议在入口区或操作区对以上原料进行修改。1介绍一些小国家中在处理市政固体废物有机部分（(OFMSW）和小社区的其他废物（Khandelwal和马赫迪1986）时微型生物产甲烷（0.1-1.0吨每天）正越来越多的被作为一种尝试来替代机械和强迫空气堆肥。目前的废物管理规则允许OFMSW转换只通过有氧堆肥或生物产甲烷进程（MOFF，2000; Ramachandra,2006）。作为发展中国家的城市的发展，在城市小范围内居民正试图创建创新稳定的废物管理方法。在所有这些情况中为每天OFMSW的收集，运输和处理寻找一种合适的并且价格在可承受的范围内的技术被认为是主要的阻碍。（约瑟夫，2006年；Rathi,2006;Ambulkar和Shekdar，2004）。在许多新方法和机构已经对有关每天收集机制和相关设备的问题感到厌倦时，几乎没有方法来分解OFMSW的稳定的部分。小规模的生物产甲烷系统是种理想的选择，因为它最大限度的减少了运输成本并且提供无需多美观的处理场所和卫生要求（Kurup,2003;Kale,2004;Chanakya和Jagadish.1997;Kalia和Kanwar,1995）。在分散的情况下，所收集的OFMSW的组成和数量会高度不平衡（Chanakya等1997,2007）。因此在这种规模的系统中遇到的挑战是处理被接受和输送到生物产甲烷系统日常基础运行设备中的废物的能力，这些废物的组分和性质特点会大规模变化。在发酵系统中从主要的干枯的叶子（不易分解）到以蔬菜为主的废物或水果皮，这些废物的构成差别很大(Sateesh Kumar等，2001)。在大型生物产甲烷设备中，像不论是成分的变化还是甚至是产出，进程控制设备都可以容易的管理。在分散的小型设备中，上面已证明OFMSW的组成会快速变化，这将快速改变挥发性脂肪酸的世代模式。大量的挥发性脂肪酸生产过剩会导致挥发性脂肪酸脂肪酸积累到抑制浓度，阻碍甲烷产生，有时甚至造成PH值下降（;Chanakya和Jagadish，1997；Kurup,2003；;Kale,2004）。Zhang和Zhang（1999）研究了固体分阶段产沼气的系统，来使水稻秸秆转化为沼气。木质纤维的秸秆通过生物降解是很难降解的。因此对水稻秸秆消化不同的预处理方法进行了研究如物理，热工和化学方法。结果证明化学和机械的预处理大大影响了秸秆的消化率。草坪草（一种主要的城市生活垃圾）被选来并进行消化反应（Yu et al,2002）。这项研究中采用的沼气池是一个8m的固相反应器（可藏原料155公斤）加上由惰性商品包装材料组成的甲烷反应器一起用来促进细菌附着和生长。上流式厌氧过滤器的最大负荷率（UFA）被确定为2.7kg.COD/(m.d)。生物推流式沼气反应堆（PFBR）运行起来如同一个三区发酵，其中快速的分解发生在入口区，往往具有明确的VFA生产过剩（产酸）。在第二个区域，生物悬浮物中简单的化合物被去除后，即使生物量在悬浮状态平衡的产酸产甲烷反应也会发生，还有第三个在沼气池液中挥发性脂肪酸转换区（Chanakya and Moletta）。在初始快速酸化阶段，气泡通常聚集在一起，粘附在分解的生物粒子上使它们悬浮。入口区的设计和作用是用来使降解的生物悬浮物在沼气池液中保持悬浮状态，直到从已分解得材料中轻易流出来地大部分挥发性脂肪酸被除去并且消化液充满产甲烷菌（Jagadish et al 1998; Chanakya and Moletta,2005）。在正常情况下，像这样在入口区活跃的生物质颗粒很快形成悬浮的块状体聚集成大规模浮状物，上升到液面层上逐渐干涸并变成不可发酵的”残渣”。 PFBR试图解决这个问题（Kurup,2003）。它在沼气池液体中放置并保持了新鲜的大量的生物质，以保证有足够的原料供产酸菌启动分解并消化易分解的组分。由于分解率的下降，增长速率的缓慢生物悬浮物中有了一定量的产甲烷菌 。产酸和产甲烷很快变得足够平衡，即使生物质原料开始浮动时也可以用来进行生物质的发酵（Chanakya and Moletta,2005）。这一设计和工艺的变化避免了能源型和资源密集型的化学和物理预处理，从而使小型的分散发酵变得可行。在这样的活动计划中，最重要的是确定所需的发酵周期，其中产酸率与产甲烷菌利用醋酸，利用氢气，减少二氧化碳产酸甲烷的潜能相匹配。在它们实现产酸和产甲烷之间的平衡时各种原料具有不同的利用率（Chanakya et al 1999）。在消化OFMSW有机部分转化为沼气，沼气池中没有挥发性脂肪酸的积累时产酸和产甲烷的平衡将得以实现。显然，在这一阶段产生气体的成分是十分理想的而且甲烷的含量要比二氧化碳的含量高得多。当为OFMWS设计PFBRS工艺时，从而个别材料以预消化要求来确定的阀值时间作为特征变得十分重要。在小规模的设备，在缺乏进程控制的情况下，从个别原料的挥发性脂肪酸的产量或初始分解模式来确定在混合发酵时如何更好地使各组分协同发酵。这样挥发性脂肪酸生产过剩部分从一个来源可以通过更多的木质化产分中更稳定的纤维素木质素来补偿。在这项研究中我们尝试搜集资料和研究这种可能性，本研究的目的是验证先前的假设，即推流式沼气反应器的环境中有一个非常迅速的酸化过程和总固体/挥发性固体损耗，使得即使在当材料漂浮在沼气池液面上的环境中剩余的物质也能进行发酵（Jagadish et al 1998;Chanakya and Moletta,2005），同时也能确定同种垃圾材料持续时间和分解程度 和它们在这个区域相应的保温时间。 2材料和方法2.1 原料的选择生物质原料在印度的班加鲁尔的IISC学校里或学校周围收集的。先前记录的相关区域OFMSW的数据表明了水果（FVW）和蔬菜废物、落叶、废纸的优势（Sateesh Kumar et al 2001）。白菜垃圾，香蕉皮和橘子皮在一些区已经被发现是FVW的主要组成部分(Chanakya et al 2007b)。柑橘皮已经被报道是造成抑制天然气产生的原因，因此要求和其它材料分开分别发酵（Mandal and Mandal,1997）。落叶约占收集废物的35%并随季节不同而变化（Sateesh Kumar et al,2001;Chanakya et al,2007b）。少数落叶生物原料的分解已在早些时候被报道过（;Chanakya et al,1999）。在这项研究中，我们选择了竹子和柚木的叶子由于对它们没有发酵的数据。报纸在另外一种生物存在时进行发酵我们也进行了研究。因此一共有6中单独的材料进行了研究，如图表1示。2.2 发酵模式 刚收集的材料，切成10-25毫米的薄片，分别称重并放在20-15公分的尼龙网眼袋中（表格1）。每个袋子中用的基板鲜重在50到200克间，所以在10-30d的分解期的最后阶段，将至少残留4-5克的原料未消化留在袋中用于分析检验并确定哪些部分被分解了。为了采样方便，五种不同的原料（除橘子皮外）一式两份，分别捆绑在一起这样他们可以同一时间被移除。装有柑橘皮的尼龙网袋进行单独发酵（在同一PFBR入口的另一边），以避免柑橘类果皮消化产生的有毒化合物影响其他原料消化。它们被单独存放在沼气池中在距离原料停留处大约1米的地方，但是还在PFBR入口区内，这里的环境和其它样本的停留处并没有明显变化。采取预防措施，因为以前的研究表明柑橘皮分解过程中可能会产生毒气或产生抑制物质（Mandal and Mandal 1997）。八捆原料袋，每袋有十个单独的袋子（五种原料各准备两份），被安置在入口区并由于花岗岩石而沉在水下。从第一天后，PFBR需要每天投加花园废物的主要成分或树叶生物质1kgTS/m/d来维持正常运行。在正常运行过程中落叶生物原料和供给速度保证PFBR的需要，这些原料不是通过自己在沼气池入口区产生挥发性脂肪酸的抑制物的。在日常添加操作中需要十分注意以确保这些样本不受到物理损坏。在消化池入口处这些袋子中的成分可以在不同时间间隔经行消化，根据以往的有关资料所需的时间间隔来记录正常水平的变化（0 2 47 10 15 22 30天）（Ghanakya et al 2007a）。通过这种方法，我们设想分解率记录的方式可以超过在传统多馈操作的PFBR中发生分解的个别原料（在入口区）分解的模式和速率，传统多馈操作的PFBR是主要分解OFMSW的系统。对每种原料的分解程度的鉴别是通过Chesson（1978）的方法来进行的，污泥停留时间的值为0 2 4 7 10 15 22和30天。在这段时间间隔内将剩余原料样品从尼龙网袋中移出用烘箱在90的温度下烘干，以防止碳水化合物被破坏。干燥的样品在实验室的磨床上磨成粉末，所有纤维都需切断修磨以获得微小颗粒。这次分析中用到两个1克的样品，并涉及到每个研究时分解时期中不同的成分连续的提取。在多种连续提取过程中（Chesson,1978），收集的渗滤液样品常用来测试总碳水化合物含量(苯酚硫酸法)和蛋白质含量（Lowry的方法，未显示数据）。在这项研究中，残留的生物质被分成六份，来显示增加的厌氧分解的难度。即热水施胶和相关物质，草酸铵可溶性果胶，稀酸（0.5M 硫酸），可提取的半纤维，纤维素提取的72%的酸，残余木质素和木质素燃烧后残留的灰末。所采用的工序（Chesson 1978）只涉及到一项修改。经过72%的硫酸提取后残留的材料经称量通过烧结玻璃坩埚中提取出来。提取的物质经再次称量并放入一个马弗炉中在600的温度下1小时，以确定盐分和矿物质的量。TS和VS的损失通过常规方法也用来确定上述的时间区间。表格1在PFBR中来确定分解率的样品重量底物 鲜重（克）白菜 200香蕉 200橘子 120柚木叶 50竹叶 30纸 402.3生物甲烷势的实验BMP已经被用作一种快速并便宜的方法来确定产生气体的潜能，也可确定消化过程中产生甲烷的原料的转换速度，并且他可以通过多种方法来反映出来（厌氧产气量的潜力分析（Chynoweth et al 1982;Gunaseelan 1997）。气体中的甲烷成分也是稳定过程的良好指标。在正常情况下，这个值是可生物降解部分的H/C的比值的一种作用，并且它通常在城市生活垃圾的50%-60%的范围内变化（Owens and Chynoweth,1993）。由于甲烷菌的活动是导致失衡的关键因素，所以甲烷气体产生量的降低值是一个重要的性能指标并且作为一个在线控制参数。生物甲烷势实验（Owens and Chynoweth,1993；Owen et al 1979; Chynoweth et al,1991 1992 1993）对最终甲烷产量和原料样品转化率的估算是有利的。该实验也可以确定添加原料的毒性。在这项研究中，BMP实验提供了潜在不足之处、不平衡处或原料中毒性物质的数据。这项实验是在135毫升的血清瓶中经行的，将1%的（0.5克/瓶）干的粉末状的原料加入到有49.5毫升的接种液的瓶中。为了使接种物远离空气，空隙处首先用沼气快速清除空气，这些小瓶用铝封好。随后，如果瓶中有甲烷和氧气就用无氧氮气充满这些瓶子以去除瓶中的甲烷和氧气。通过通沼气来提供必要保护约1小时，这段时间要求用钢瓶氮气净化最后一个小瓶。这些瓶子然后标记起来并来回颠倒（查明是否有泄漏）在一个温度为30培养箱培养。在连续的时间间隔中沼气的生产量是由倒置的滴定管中日趋下降的水（酸性重铬酸钾）量决定的 气体的生产量通过滴定管量出。甲烷富集接种物通过以下方式来准备和使用。从PFBR中移出的消化的湿润的生物质（3kg）在PFBR的出口处收集的10L的沼气池液中搅动的均匀。消化池的生物质可以通过人工搅动在池中被分解，并且可以停留1小时。所有漂浮的和稳定的生物都要被脱脂和迁移。剩余的物质需要经过滤布过滤只留下一些悬浮颗粒。这是贮藏在一个密闭的聚乙烯容器中。对于第一个7天，加1克醋酸钠在每天的底物中，每天监测PH值。7天后，每隔一天积累1毫升醋酸直到20天。在135毫升瓶中的液体的产气量需要每三天监测一次。在第20天停止加醋酸，在第24天时，天然气产量下降到低水平后（三天内1毫升/50毫升），原料被用作接种物来解决低的解乙酸的甲烷