王星博士论文答辩2课件

餐厨垃圾水解酸化产氢

耦合后续产甲烷研究主要内容前言论文研究内容实验结果分析结论致谢2主要内容前言论文研究内容实验结果分析结论致谢3《京都议定书》：2012年后，中国承担减排义务餐厨垃圾厌氧消化产氢对温室气体减排意义重大。今后，我国餐厨垃圾厌氧消化工业市场广阔。5餐厨垃圾厌氧消化产甲烷技术成熟有机负荷率、停留时间、温度产氢过程问题接种物热处理—抑制耗氢菌活性、以富集氢气（能耗高、操作繁琐）与产甲烷过程耦合时存在的问题氨氮、挥发性脂肪酸研究进展6如何在低能耗的情况下抑制产氢过程中耗氢菌的活性？产氢、产甲烷过程的优化产氢、产甲烷阶段的良好衔接如何处置沼渣更生态主要解决的问题：7研究思路水解酸化阶段产甲烷阶段产甲烷菌餐厨垃圾水溶性有机物挥发性脂肪酸氢气、CO2、乙酸CH4、CO2水解细菌酸化细菌产氢产乙酸菌利用产酸相积累的挥发性脂肪酸抑制甲烷菌、富集氢气氢气

9材料与方法材料TS(%)VS(TS%)pH(无量纲）C（%TS）H（%TS）N（%TS）TCOD(g/L)餐厨垃圾23.56±1.2690.98±1.134.34±0.2546.21±1.127.32±0.332.43±0.12211.52±10.34接种污泥6.44±0.3165.20±1.546.75±0.3231.36±0.654.12±0.214.76±0.3296.42±3.67

表1.餐厨垃圾和接种污泥的理化性质

餐厨垃圾经机械打浆，制成糊状半流体态，于冷柜内（4℃）保存备用。混合菌群采用江苏某酒精厂厌氧消化池颗粒污泥，污泥取回后于塑料瓶内密封，并置于冰箱（4℃）保存。10图1.排水法试验装置图

实验装置36℃恒温室量筒发酵底物采气口血清瓶硅胶管排水集气瓶饱和NaCl溶液11主要内容前言论文研究内容实验结果分析结论致谢13实验一外源混合菌群存在下餐厨垃圾

厌氧消化产氢的工艺研究1实验目的：通过单因素实验研究餐厨垃圾含量、菌群含量分别对厌氧消化产氢的影响，确定两者的最佳用量。141餐厨垃圾含量对氢气产率的影响固定颗粒污泥含量，改变餐厨垃圾用量来研究餐厨垃圾负荷对厌氧消化产氢的过程的影响。

表1.颗粒污泥含量与餐厨垃圾含量实验编号颗粒污泥（gVS/L）餐厨垃圾含量（gVS/L）119.0920.75219.0941.52319.0962.28419.0983.05519.09103.80619.09124.5715□20.75gVS/L○41.52gVS/L图3.餐厨垃圾含量对甲烷产量、甲烷浓度的影响62.28gVS/L83.05gVS/L103.80gVS/L124.57gVS/L17

厌氧体系中餐厨垃圾含量（gVS/L）（乙酸丙酸异丁酸正丁酸异戊酸正戊酸）

图4.不同餐厨垃圾含量下VFA浓度20.75

41.5262.2883.05103.80124.57182厌氧消化体系中颗粒污泥含量对产氢的影响

固定餐厨垃圾含量条件，改变混合颗粒污泥含量来研究混合菌群对餐厨垃圾厌氧消化产氢的过程的影响。

表2.实验设置实验编号餐厨垃圾含量（gVS/L）颗粒污泥含量（gVS/L）1103.83.832103.87.673103.811.514103.815.345103.819.176103.823.0119图7.颗粒污泥含量对氢气浓度的变化的影响□污泥含量3.83gVS/L○7.67gVS/L

11.51gVS/L

23.01gVS/L

15.34gVS/L

19.17gVS/L21实验二餐厨垃圾厌氧消化产氢工艺的满意度函数优化研究

2221、氢气产率高a.产氢残余物中富含乙酸b.产氢残余物中富含丁酸2、能较好的满足产氢结束后的产甲烷过程的顺利进行

c.SCOD浓度高d.丙酸含量低什么样的工艺是好的产氢工艺？23实验编号餐厨垃圾含量(X1)颗粒污泥含量(X2)177.857.67277.85233129.757.674129.7523567.1015.346140.5015.347103.84.508103.826.179103.815.3410103.815.3411103.815.3412103.815.3413103.815.34表3.CCD实验设计25将餐厨垃圾、颗粒污泥含量值与各响应值(氢气产率、乙酸、丙酸、丁酸、SCOD浓度)进行二次非线性回归拟合，拟合时采用的模型方程为：经方差分析后，从五个响应值（氢气产率Y1、丙酸浓度Y2、丁酸浓度Y3、乙酸浓度Y4、SCOD浓度Y5）中筛选出与餐厨垃圾含量、菌群浓度显著相关的响应值。26满意度函数是对每个响应值分别建立单一函数方程，根据研究者的目的（期望相应值最大、期望值最小等）将每个响应值转化为无量纲值，即单项满意度（di）。单项满意度的计算中，常用的计算方法为以下几种：期望响应值最大时，单项满意度函数由方程（1）计算：=0=

Yi

>

Highi=1

Lowi<Yi<Highi

Yi(预测值)<Lowi

=0=

Yi

>

Highi=1

Lowi<Yi<Highi

Yi<Lowi期望响应值最小时，单项满意度函数由方程（2）计算：（1）（2）29实验编号自变量(gVS/L)实验测试结果满意度值(D)餐厨垃圾含量(X1)颗粒污泥含量(X2)氢气产率(Y1,mL/gVS)丙酸浓度(Y2,

mg/L)丁酸浓度(Y3,mg/L)177.857.6752.231214.879245.610.3797277.852368.57618.099030.580.79993129.757.674.851678.246124.250.00004129.752349.381364.588624.150.6205567.1015.3458.261638.428751.240.65206140.5015.3441.171724.578315.220.31047103.84.502.461951.266283.260.11098103.826.1759.81946.849125.810.79339103.815.3467.43868.918121.510.880010103.815.3466.79726.248324.050.880011103.815.3470.11784.159216.370.880012103.815.3465.47887.318467.910.880013103.815.3461.24665.838150.180.8800表5.实验结果30D=-1.674+0.0355X1+0.096X2-0.000223X12+0.000314X1X2-0.0031X22

图12.满意度值与餐厨垃圾含量、颗粒物料含量关系经过满意度函数优化后，产氢工艺的最佳组合为餐厨垃圾含量93.84gVS/L,颗粒污泥含量20.25gVS/L

31实验三餐厨垃圾预处理对厌氧消化产氢的影响3高温热水解对餐厨垃圾的性质的影响调节初始pH值对餐厨垃圾产氢的影响321高温热水解对餐厨垃圾性质的影响选取TS含量分别为10%、15%、20%的餐厨垃圾，在120℃条件下高温热水解。热水解时间分别为30min、45min、60min。图13.餐厨垃圾高温热水解时间与TS溶解率变化规律

TS10%TS15%TS20%33

TS10%TS15%TS20%图14.热水解时间对SCOD(a)和TOC(b)的影响

TS10%TS15%TS20%(a)(b)34TS10%

TS15%TS20%

乙酸；丙酸；正丁酸；异丁酸图15.10%、15%与20%TS浓度的餐厨垃圾热水解后乙酸与VFA浓度变化35热水解后餐厨垃圾厌氧消化产氢性能

选择TS浓度为20%的餐厨垃圾，在120℃条件下热水解30、45、60min后，研究其产氢特性。

图16.不同热水解时间后餐厨垃圾的产气量图原餐厨垃圾

热水解30min

热水解45min

热水解60min

加第一动画

480520540567362初始pH对餐厨垃圾厌氧消化产氢的影响

未调节初始pH

□pH调节至3.5○pH调节至4.5

pH调节至5.5

图17.不同pH初始条件下氢气产率的变化

37（乙酸丙酸异丁酸正丁酸异戊酸正戊酸）图18.初始pH对消化液中VFA浓度的影响38实验四餐厨垃圾厌氧消化产氢残余物的甲烷化研究4(a)控制餐厨垃圾含量(b)调节接种物与底物的比例(c)添加钙盐(d)控制初始pH39表8.四因素两水平因素筛选实验

变量名称水平低高X1VS（产氢残余物含量）68X2Ra(接种物/残余物比例,VS/VS)13X3Ca(钙离子浓度,mg/L)200400X4pH（初始pH）67.5从众多因素中淘汰对甲烷产率促进作用不明显的因素40表两水平因子筛选实验结果序号VS（产氢残余物含量,gVS/L）Ra(接种物/残余物比例,VS/VS）钙离子浓度（mg/L）pH（初始pH）甲烷产率（mL/gVS）1612006.0261.812812006.0303.253632006.0360.134832006.0491.245614006.0283.526814006.0356.767634006.0371.478834006.0514.319612007.5272.8910812007.5334.4611632007.5341.6512832007.5503.5213614007.5284.5514814007.5361.3415634007.5365.0116834007.5506.1541图19.初始pH对消化液中VFA浓度的影响因子名称A残余物B接种物/残余物C钙离子浓度DpH接种物/残余物残余物钙离子浓度pH标准化效应小于2.015的因素对甲烷产率促进作用不明显42甲烷发酵过程的RSM法工艺优化

变量名称水平负星号臂-101正星号臂X1VS(产氢残余物含量，gVS/l)5.326788.68X2RATIO(接种物/残余物比例,VS/VS)0.321233.37X3Calciumconcentration(钙离子浓度,mg/L)131.82200300400468.18表10.响应面优化实验因素水平表响应面实验设计可以充分考虑各因素之间的交互作用，而不是孤立的研究各个因素对系统的贡献。43实验编组参数水平甲烷产率SMP(mLCH4/gVS)产氢残余物(gVS/L)接种物/残余物钙离子浓度(mg/L)161200284.72261400307.48363200371.92463400394.04581200354.8681400386.8783200520.92883400548.1695.312300334.28108.682300490.241170.32300238.961273.68300502.641372131.82489.041472468.18526.441572300512.561672300522.681772300511.281872300515.321972300510.652072300517.84表11.响应面实验设置与结果44

项目效应离差平方和Fp模型174522.7048.790.01x1(产氢残余物含量)52.34137414.0394.14＜0.01x2(接种物/残余物)69.17465348.19164.42＜0.01x3(钙离子)12.232042.595.140.0468x12-42.46725990.1265.39＜0.01x1x219.2152953.737.430.0213x1x31.79525.780.0650.8041x22-57.12647028.58118.33＜0.01表11.甲烷产气率模型及各因素方差分析45(a)

(b)Ratio=0.32

(c)Ratio=1

(d)Ratio=2(e)

Ratio=3(f)Ratio=3.37

峰值图20.产氢残余物含量与钙离子浓度交互关系的响应面图和等值线图(a,响应面图;b,c,d,e,f表明接种物/残余物比例分别处于0.32,1,2,3,3.37,SMP:甲烷产率,VS:残余物含量,Calciumconcentration:钙离子浓度)46

图21.产氢残余物含量与接种物/残余物比例的响应面与等值线图

(a)

(b)项目自由度效应离差平方和F-valuep-valuex1x2119.2152953.737.430.0213表12.方差分析47

图22.钙离子浓度和接种物/残余物比例的响应面图与等值线图

(a)

(b)项目自由度效应离差平方和F-valuep-valuex2x31-0.6753.650.0090.9256表13.方差分析48实验五餐厨垃圾两相厌氧消化产氢产甲烷中试研究

5水解酸化产氢产氢残余物后续产甲烷49实验装置图23.中试流程图50实验参数表15.中试实验反应器参数设置有机负荷率给料负荷率（kg/d）酸化相OLR(kgVS/m3·d）水解酸化相SRT（h）甲烷相OLR(kgVS/m3·d)甲烷相SRT（d）OLR12015.102402.9440OLR23022.651604.6126.67OLR34030.201206.2820OLR45037.75968.1516表14.餐厨垃圾和接种污泥理化性质参数餐厨垃圾接种污泥TS(%)17.60±0.355.78±0.42VS/TS(%)85.91±1.2763.66±1.68pH4.68±0.147.04±0.27总氮(%)2.34±0.080.42±0.15TCOD(gO2/kg)211.79±11.1393.114±4.36

51氢气、甲烷浓度变化

图24.产氢产甲烷浓度变化52图26.产氢(a)/产甲烷(b)过程中氨氮浓度与有机负荷率有机负荷率（kgVS/m3·d）

有机负荷率（kgVS/m3·d）

(a)

(b)

53(乙醇乙酸丙酸丁酸乳酸)（乙酸丙酸丁酸乳酸)图27.产氢(a)/产甲烷(b)过程中挥发性脂肪酸浓度与有机负荷率(a)

(b)

有机负荷率（kgVS/m3·d）有机负荷率（kgVS/m3·d）54图28.产氢(a)、产甲烷过程(b)的有机负荷率与生物气产量图(a)(b)55图29.产氢(a)、产甲烷过程(b)生物转化率56实验六餐厨垃圾厌氧消化残余物的蚯蚓处置研究6蚯蚓处理沼渣的速率蚯蚓生物量的变化蚯蚓繁殖能力57表18.沼渣的化学性质指标含量水分（%）82.43pH7.23全氮（%，干重）0.912全磷（%，干重）0.0475全钾（%，干重）1.412有机质（%，干重）16.43碳氮比（%，干重）10.45在恒温室、恒温箱内分别建立25℃和20℃的环境温度，同时在恒温室、恒温箱内对培养容器建立两水平的沼渣湿度和碳氮比，沼渣湿度水平为60%、70%，碳氮比水平为15:1、20:1。表19.实验设计温度（T）水分（M,%）碳氮比(R)20℃601560207015702025℃601560207015702058蚯蚓处理沼渣速率表20.蚯蚓对沼渣消化速率结果温度(T)水分(M,%)碳氮比(R)处理速率η(g/g·d)平均值

η(g/g·d)20℃60150.340.36360200.2870150.4570200.3825℃60150.510.68060200.5770150.7859蚯蚓生物量温度（T）水分（M，%）碳氮比(R)生物量日增长率η（%）倍增时间（d）日增长率平均值（%）20℃60150.505137.600.59760200.527131.8770150.621111.9670200.642108.31

25℃60150.97271.660.93960200.84482.4770151.04366.8070200.93174.78表21.蚯蚓生物量增长情况

60蚯蚓繁殖能力表22.蚓茧产量结果温度（T）水分（M，%）碳氮比(R)蚓茧产量（粒）平均产茧率（粒/条）20℃6015160.86020190.957015542.77020613.05

25℃6015422.16020321.67015502.57020412.0561蚯蚓处置沼渣的可行性分析在50天的培养期内，4.4g蚯蚓平均消耗沼渣114.13g。蚯蚓每消耗1g沼渣可转化为0.018g蚯蚓、0.4364g蚓粪。从实验中可看出，在不同环境条件下，蚯蚓处置沼渣的效率有较大差别，但只要管理得当，还是可以取得比较客观的结果。在20℃、沼渣水分70%、碳氮比15的条件下，1吨蚯蚓每日消化可消化780kg的沼渣、产生513kg蚓粪、7kg的鲜活蚯蚓（不考虑蚯蚓繁殖）。62实验结果分析七餐厨垃圾两相厌氧消化产氢产甲烷技术瓶颈分析7中试与实验室研究的工艺比较

接种物热处理对产氢的影响油脂对厌氧消化产氢的影响63表24.中试与实验室研究工艺对比工艺及结果血清瓶实验中试实验接种物颗粒污泥餐厨垃圾土著微生物主要代谢产物乙酸、丁酸乙醇、乙酸、丁酸、乳酸代谢产物浓度(mg/L)16000-2400013000-14000单位质量产气率(mL/gVS)70.8771中试与实验室研究的工艺比较64“厌氧堆肥”在较大规模的中试研究中，餐厨垃圾可在自身水解酸化的过程中产生大量氢气，而在相同条件下，小规模的血清瓶实验中则无法实现这一过程。好氧堆肥三因素：水分、养分含量、通风氢气的产生则为水解酸化细菌正常生理代谢的结果。因此，中试实验规模化厌氧消化产氢亦可称为“厌氧堆肥”。65接种物热处理对产氢的影响

图接种物热处理后氢气日产量变化情况66油脂对厌氧消化产氢的影响由于油脂能在底物表面形成隔离层，使微生物与底物之间的有效接触受到一定阻碍，导致反应器内底物的传质受阻，因此在油脂大量存在的情况下，如何提高反应器内底物的传质效率是提高厌氧消化效率的是需要解决的重要问题。67主要内容研究进展论文研究内容实验结果分析结论致谢68结论（一）1、餐厨垃圾在颗粒污泥的作用下，水解酸化产生的VFA对甲烷菌有明显的抑制作用。单因素实验的最优配伍为：餐厨垃圾含量103.8g/L、颗粒污泥含量15.34g/L，氢气产率可达67.24mL/gVS。2、产氢工艺优化研究发现丙酸、丁酸的浓度与餐厨垃圾含量和颗粒污泥含量有良好的统计学相关性。通过满意度函数分析，当餐厨垃圾含量、颗粒污泥含量分别为93.84gVS/L、20.25gVS/L时，满意度函数取值最高，此时可同时满足氢气产率最高(70.87mL/gVS）、丙酸浓度最低(714.34mg/L）、丁酸浓度最高的目的(9703.68mg/L）。69结论（二）3、在餐厨垃圾的高温热水解过程中，餐厨垃圾的TS溶解率、SCOD浓度、TOC浓度、挥发性脂肪酸浓度均表现为随热水解时间增加而增加的现象。TS浓度为10%时，热水解60min的TS溶解率最高，可达到15.45%。4、高温热水解可明显提高餐厨垃圾厌氧消化产氢的性能。最大产氢气量发生在120