污泥和餐厨废物两相双温发酵产氢产甲烷研究

摘要

两相厌氧发酵产氢产甲烷技术可分别对污泥和餐厨废物进行稳定化处理并制备氢气和甲烷。然而，污泥的碳氮比较低且易降解有机质含量低，气体产率通常较低，而餐厨废物易降解有机质含量过高且碱度不足，容易出现过酸现象。本文采用两相双温发酵产氢产甲烷工艺处理污泥和餐厨废物的混合基质，以优化基质营养配比。
　　污泥和餐厨废物混合发酵产氢产甲烷的能量产率高于污泥或餐厨废物单独发酵。餐厨废物在混合基质中的比例为85％时，总能量产率最高，单位质量挥发性有机固体（VS）的能量产率达14.0kJ/g-VSadded。污泥和餐厨废物混合发酵生成的挥发性脂肪酸（VFA）以乙酸和丁酸为主，而污泥单独厌氧发酵 VFA的主要成分是乙酸。溶解性多糖在产氢阶段被快速消耗而在产甲烷阶段有所增加。从氨氮和溶解性蛋白质含量的增加可知蛋白质不断地水解。污泥和餐厨废物混合发酵对初始pH值变化具有较强的适应性，初始pH值为5.5-11.0时氢气或甲烷产率在不同初始pH值下无明显差异，只有初始pH值为4.0时产氢过程被抑制。初始pH值为4.0和11.0时，产氢结束时生成的VFA分别以乙酸和丁酸为主。混合基质产氢发酵中，种泥的曝气处理联合高温（55℃）发酵可获得较高的氢气产率并能有效抑制产氢反应器中甲烷菌活性。
　　污泥和餐厨废物两相双温发酵产氢产甲烷联合消化污泥回流的动态试验能够连续稳定地运行120 d以上。当有机负荷率（OLR）为39.6g-VS/L/d，水力停留时间（HRT）为0.8d时，氢气产率最高，为207.5mL/g-VSremoved。当OLR为4.4g-VS/L/d，HRT为6d时，甲烷产率最高，达554.3mL/g-VSremoved。产氢和产甲烷反应器中氢气和甲烷浓度分别为54.5%-60.9%和71.5%-81.3%。产氢过程生成的VFA主要为乙酸和丁酸。两相双温发酵产氢产甲烷工艺在能量产率、产气特性、VS去除率和系统稳定性等诸多方面优于单相发酵产甲烷工艺。此外，两相双温发酵系统更能适应高负荷的运行条件，不仅能够收集氢气并且甲烷产率也得到显著提高。通过高通量测序分析和分子克隆分析均得出，两相双温发酵产氢产甲烷工艺产氢反应器的优势细菌为梭菌纲，产甲烷反应器以甲烷微球纲为主，而单相发酵产甲烷反应器以甲烷杆菌科为主。

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第一章 绪论

1.1污泥处理技术

1.2 两相厌氧发酵产氢产甲烷技术

1.3生物制氢技术

1.4 分子生物学技术在厌氧发酵领域的应用

1.5 本课题的研究目的和内容

第二章 技术路线、试验材料与分析方法

2.1 技术路线

2.2 分析测试方法

2.3 批式试验中动力学拟合及计算

第三章 污泥和餐厨废物混合比例的优化

3.1 试验材料和方法

3.2 气体产率和能量产率

3.3 液相成分的变化

3.4 气液相的碳足迹分析

3.5 VS去除率

3.6 COD平衡

3.7 小结

第四章 初始pH值对两相发酵产氢产甲烷及菌群结构的影响

4.1 试验材料与方法

4.2 初始pH值对产氢阶段代谢产物及菌群结构的影响

4.3 产氢阶段初始pH值对产甲烷过程的影响

4.4 溶解性多糖、蛋白质和氨氮

4.5 COD平衡

4.6 小结

第五章 产氢相接种污泥预处理方式及发酵温度的影响

5.1 试验材料与方法

5.2 氢气产量及动力学拟合

5.3 产氢末端固液相成分特性

5.4 微生物群落结构分析

5.5 小结

第六章 两相双温发酵产氢产甲烷工艺的运行性能

6.1 试验材料与方法

6.2 不同HRT下两相双温混合基质厌氧发酵产氢产甲烷工艺的运行性能

6.3 两相发酵产氢产甲烷工艺与单相发酵产甲烷工艺运行特性比较

6.4 COD平衡

6.5 小结

第七章 厌氧发酵反应器内微生物群落结构及其演替规律

7.1 试验材料与方法

7.2 两相发酵工艺高温产氢反应器中细菌菌群结构分析

7.3 两相和单相发酵产甲烷反应器中古菌菌群结构分析

7.4 小结

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2 主要创新点

8.3 建议和展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢