泔脚废物厌氧两相发酵工艺及其矿化垃圾协同生物产氢过程研究

摘要

泔脚废物日益增长的产量及其环境安全影响已引起人们的普遍关注。从环境保护及废物资源化的角度，厌氧发酵技术是对其进行科学处理的较佳选择。因而，为了推进泔脚废物处理的产业化进程，进行泔脚废物厌氧发酵处理的可行性及其系统工艺研究是非常必要的。此外，氢能是未来最具潜力的可替代能源之一，随着厌氧生物产氢研究的渐渐深入，利用有机废物进行多阶段的产氢、产甲烷资源回收概念已逐步成为世界各国的共识，积极对其展开研究探索，具有重要的技术理论发展意义。 本文首先从泔脚处理迅速工程化的角度，系统的研究了泔脚的组成、脱水及酸化特性；厌氧发酵的影响因素和启动优化条件；发酵的温度、负荷、营养物、相分离的过程影响；优化工艺的扩大中型试验；沼液的农用影响等工程化必须条件参数。再根据有机废物处理的技术发展趋势，创新性进行了污泥热处理程序、矿化垃圾等多孔介质对泔脚发酵产氢的影响研究，试验探讨了矿化垃圾协同泔脚产氢的内在机制，掌握了泔脚发酵生物产氢的初步条件，取得了较高的生物氢产率。主要的研究成果如下： (1)泔脚有机物含量高，极易酸化；亲水性强，难以机械脱水，减容效果差。生物接种率、有机负荷、含水率是影响其厌氧发酵启动的主要因素；小型静态试验表明，80﹪接种率，90﹪含水率条件是泔脚废物厌氧发酵启动的最佳条件，系统产气率达到0．65L/g。良好的搅拌条件能促进甲烷化的潜力和进程，降低启动阶段的生物接种率；在70﹪接种率、90﹪含水率条件下，具有机械搅拌装置的实验室扩大试验能稳定进行，比气化率达到0．68L/g，沼气中甲烷气浓度达到50～55﹪之间，具有稳定的沼气化发酵特性。 (2)小型批量连续发酵表明，发酵负荷是影响发酵稳定和效率的关键因素。中温条件下，泔脚发酵的适宜负荷应介于1.OOgVS/L.d左右：提高负荷，系统难以稳定启动运行；试验中，0.90gVS/L.d负荷的平均产气率达到0.56L/gVS。混合营养液的添加能促进甲烷菌的活性恢复，并一定程度刺激甲烷菌的产气活性，试验中，生物气产率提高约17﹪。高温发酵能促进系统的产气率及产气量，但不能提高系统的有机负荷；适宜负荷下产气量相对于中温条件提高40﹪左右。进行泔脚预酸化碱度调节的改进两相发酵表明，两相系统的发酵负荷和产气率相比单相系统最大能提高接近50﹪，发酵负荷为1.5gVS/L.d时，小试产气率达到0.9L/g(VS)。 (3)基于工程化参数研究的需要，在小型试验的基础上，进行了总容积1300L的预酸化两相连续发酵的中试设备构建设计；运行试验结果表明，在中温发酵条件下，泔脚废物的预酸化两相处理，在较优负荷1.66kg／m3.d时，废物最大停留时间为50d，每吨泔脚能产生102m3的沼气。与城市有机废物大型发酵工艺的技术与运营指标的对比定性分析表明，本工艺条件下的泔脚厌氧发酵处置具有广阔的社会产业化应用前景；以上海市年产泔脚1200吨/d为例，泔脚的厌氧发酵，能年产沼气4467万m3／年，发热量将达到2.68×1O¨大卡／年；产业化运营企业，年净盈利将达到600多万元，能同时达到消除环境隐患、资源回收、企业发展、社会就业等多方面的循环良性效应。 (5)泔脚沼液浓度变化影响植物种子的萌发过程，发芽率及幼苗生长；不同的植物品种影响沼液的作用效应；黄瓜是泔脚沼液较适合的施用主体。沼液浓度抑制的机制分析认为，COD更适宜作为沼液农用优化控制指标；通过数据回归，其对水稻、小麦的应用COD值须控制在200～300mg/L以下，对黄瓜应用的COD值可控制在900mg/L以下。 (6)泔脚产氢探索性研究表明，其正常的产酸过程不具有产氢累积能力；接种污泥热处理能部分提高氢气的产率；提高效应受污泥热处理温度和处理时间的影响；多孔介质的添加对泔脚产氢具有明显的促进作用，不具生物作用的多孔介质中，粉末活性碳具有最强的产氢促进效果；具有生物效应的矿化垃圾投加，相比污泥热处理和粉末活性碳的投加，产氢能力提高3倍以上；一定范围内，矿化垃圾添加量对泔脚发酵产氢能力具有正相关的促进效应。 (8)泔脚产氢条件试验表明，泔脚、污泥中存在的土著菌群对产氢过程产生较大的反向抑制，消除其干扰是实现泔脚产氢累积的基本条件；在矿化垃圾的生物协同下，泔脚与污泥的基质互补更有利于发挥泔脚生物产氢的基质优势。小型化初步研究中，矿化率添加50﹪，泔脚：污泥=100：30，含水率约80﹪的条件下，产氢率达到187．46mL/gVS，产氢过程能较好的拟合于生物产氢的Gompertz模型，其产氢潜力达到193.85mL/gVS，最大产氢速率为94.35mL／(h．gVS)，具有文献同比较高水平的产氢能力。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2课题背景

1.2.1发生量及环境、安全影响

1.2.2对我国城市垃圾处置的制约影响

1.2.3厌氧生物技术与废弃物生物质能利用

1.3研究的目的、意义、内容与创新之处

1.4主要技术路线

第2章 文献综述

2.1泔脚废物处理技术现状与分析

2.1.1破碎处理与饲料化处置

2.1.2好氧生物处理

2.1.3厌氧发酵处理

2.1.4发酵生物制氢

2.2厌氧消化理论与工艺

2.2.1基本原理与厌氧微生物

2.2.2影响因素

2.2.3高固体厌氧消化技术与典型工艺

2.2.4消化过程的控制与优化条件

2.2.5厌氧消化反应器

2.2.6发酵残余的综合农用技术

2.3发酵生物制氢原理与技术进展

2.3.1氢气的基本特性及能源优势

2.3.2发酵生物制氢机理及生态控制

2.3.3生物产氢研究现状与进展

2.4矿化垃圾特性及其资源化技术

2.4.1矿化垃圾基本组成与性质

2.4.2矿化垃圾的资源化技术现状与研究进展

第3章 泔脚废物的特性研究

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1实验材料与来源

3.2.2试验方法

3.2.3分析方法

3.3结果与分析

3.3.1泔脚的组成特性

3.3.2泔脚的脱水性能

3.3.3新鲜泔脚酸化特性

3.3.4风干泔脚酸化特性

3.4泔脚特性对厌氧处置技术和工艺的影响

3.5本章小结

第4章 泔脚废物厌氧发酵初步条件研究

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1试验材料

4.2.2试验装置

4.2.3试验设计与试验内容

4.2.4分析方法

4.3结果与分析

4.3.1探索性试验

4.3.2风干泔脚厌氧发酵启动及发酵特性

4.3.3新鲜泔脚厌氧发酵启动及发酵特性

4.3.4泔脚发酵扩大化验证试验

4.4本章小节

第5章 泔脚废物批量连续发酵工艺研究

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1试验材料

5.2.2反应器启动

5.2.3试验设计及内容

5.3结果与分析

5.3.1泔脚中温发酵特性及其负荷影响

5.3.2混合营养液对泔脚发酵产气率影响

5.3.3泔脚高温发酵特性及其负荷影响

5.3.4泔脚两相发酵特性及其负荷影响

5.4本章小结

第6章 泔脚厌氧发酵中试系统设计及运行研究

6.1引言

6.2厌氧反应器构建基本理论

6.2.1有机废物厌氧反应动力学及其分析

6.2.2多相体系物料的搅拌理论及设计

6.3泔脚厌氧反应器设计与构建

6.3.1发酵工艺的选择

6.3.2反应器流态的选择

6.3.3搅拌方式的选择

6.3.4其它运行条件的选择

6.3.5反应器设计构建

6.4运行试验

6.4.1试验内容与方法

6.4.2结果与分析

6.5泔脚厌氧发酵处理的技术前景分析

第7章 泔脚沼液植物农用的影响效应研究

7.1引言

7.2材料与方法

7.2.1试验材料

7.2.2试验方法

7.3结果与分析

7.3.1泔脚沼液对种子萌动过程的影响

7.3.2泔脚沼液对种子发芽率及发芽势的影响

7.3.3泔脚沼液对种子活力的影响

7.3.4泔脚沼液对幼苗生长的影响

7.3.5高浓度泔脚沼液对种子发芽过程的抑制效应分析

7.4本章小结

第8章 泔脚废物酸发酵生物制氢探索性研究

8.1引言

8.2材料与方法

8.2.1实验材料

8.2.2实验设计及方法

8.2.3分析指标与方法

8.3结果与分析

8.3.1含水率变化对泔脚厌氧产氢及产酸过程的影响

8.3.2污泥热休克处理对泔脚厌氧产氢及产酸过程的影响

8.3.3添加多孔介质对泔脚厌氧产氢及产酸过程的影响

8.3.4矿化垃圾添加量对泔脚酸厌氧产氢及产酸过程的影响

8.4本章小结

第9章 矿化垃圾作用下泔脚发酵产氢条件及机制研究

9.1引言

9.2材料与方法

9.2.1实验材料

9.2.2实验装置

9.2.3实验内容与方法

9.2.4分析指标与方法

9.2.5氢气产生体积的计算

9.2.6氢发酵数学模型及实验数据处理方法

9.3结果与分析

9.3.1矿化垃圾促进泔脚生物产氢的机制探讨

9.3.2污泥有机质添加比例对泔脚生物产氢的影响

9.3.3矿化垃圾作用下泔脚产氢能力分析

9.4本章小结

第10章 结论与建议

10.1结论

10.2进一步研究的建议

参考文献

致谢

附录1泔脚的特性测定

附录2氢气的测定（GC-TCD）

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果