寒冷地区餐厨垃圾干发酵及沼气微氧脱硫机理研究

摘要

餐厨垃圾作为一种富含生物质产气潜能的有机废物，如何在其治理过程中产出清洁的可再生能源，已成为社会关注的热点。目前，国内外关于餐厨垃圾单相厌氧消化技术的研究多集中在低负荷低浓度条件下，重点研究反应器的启动，运行特征、参数变化和处理效果，而针对餐厨垃圾单相高负荷厌氧消化系统的研究较少，特别是对干发酵全过程中的运行参数，包括有机酸各组分变化、干发酵机理及干发酵水解酸化动力学等关注甚少。本文采用厌氧消化技术，对餐厨垃圾开展序批式及连续式干发酵处理，实现反应器内沼气微氧脱硫研究，分析脱硫过程中的各参数变化规律。
　　本研究先开展餐厨垃圾及各组分序批式厌氧消化实验，在前期实验基础上开展餐厨垃圾连续式厌氧消化实验，提高餐厨垃圾单相厌氧消化反应器的干物质浓度(TS)浓度，分析餐厨垃圾干发酵过程的的启动、运行、失衡、失衡后的恢复及实现干发酵全过程各参数的变化趋势，重点关注干发酵机理，建立干发酵水解动力学模型；最后完成反应器内沼气微氧脱硫实验，对厌氧消化产出的沼气采用微氧脱硫技术去除硫化氢，分析微氧脱硫机理，计算脱硫过程中的氧、硫平衡及净化效率，为沼气应用研究的发展提供基础数据和参考。
　　研究结果表明：在中温条件下，餐厨垃圾及其各组分序批式厌氧消化产气速率为：淀粉＞餐厨垃圾＞蛋白质＞食用油＞脂肪＞纸（纤维素等），生物能范围为17.58-19.34 MJ/m3；餐厨垃圾、淀粉、蛋白质、食用油、脂肪、纸（纤维素等）及食用油最终沼气产气潜能（CH4/VS）395.49、395.22、354.46、229.26、465.77、468.3 NmL/g，其食用油和脂肪产气潜能最大，465.77--468.3 NmL/g，而纸（纤维素等）的产气潜能最低，229.26 NmL/g。餐厨垃圾及各组分序批式厌氧消化产出的沼气中甲烷浓度在51.09--57.32％之间。
　　根据日产气量与TS曲线变化趋势，可以直观的把餐厨垃圾干发酵实验过程划分为4个阶段，即：适应性阶段（0～13天）、启动阶段（14～34天）、抑制阶段（35～72天）和恢复及稳定阶段（73～120天）。各阶段因产气速度和投料强度的不同而在产气曲线的斜率上表现出明显差异：在恢复及稳定阶段以NaOH稀碱液调节当日回流渗滤液的pH值，在第72天时pH值上升至7.4，产气量明显提高，达到19.88 L/d，此时采用每日投料1次，每次投料1kg，在98天时TS达到23%上以上，系统日产气量稳定，维持在15.35 L/d~21.03 L/d之间，此阶段的生物降解率稳定在55.1%左右。系统运行稳定，pH值及日产气量无明显波动。
　　以纯氧和空气为微氧源的微氧生物脱硫技术，可以成功使厌氧消化产沼气中的硫化氢浓度低于500mg/Nm3，对甲烷产量及厌氧消化过程无明显影响。比较纯氧和空气作为微氧源，使用空气做为微氧源对新建的厌氧消化厂更加具有经济性，可以在设计前期考虑这预期的由于氮气稀释导致甲烷浓度偏低所来的燃烧性能略有下降情况。
　　餐厨垃圾单组分序批式厌氧消化动力学拟合分析中看出，淀粉更接近圆柱形颗粒模型拟合，R2=0.9742，k=0.4374d-1；纤维素更接近球形颗粒模型拟合，R2=0.9412，k=0.0621d-1；脂肪和蛋白质接近一级动力学模型拟合，脂肪R2=0.7125，k=0.0325d-1，蛋白质 R2=0.7981，k=0.1341d-1。餐厨垃圾干发酵过程中，根据不同发酵阶段的水力停留时间(HRT)、有机负荷(OLR)和餐厨垃圾的最大产气率（或理论产气量），得出的k为0.133d-1，四个阶段 pH抑制系数分别为I1=0.7143，I2=0.0547，I3=0.0151，I4=0.6655，累积产气量（L）与时间（d）的关系拟合公式为：y=0.1139x2-5.0447x+77.737。

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第一章 绪论

1.1研究背景、目的及意义

1.2餐厨垃圾的来源、组分、特性及危害

1.3餐厨垃圾处理技术的研究现状与发展趋势

1.4课题研究的内容及技术路线图

第二章 干发酵厌氧消化理论与技术

2.1厌氧消化机理分析

2.2干发酵厌氧消化技术

2.3本章小结

第三章 实验装置与分析测试方法

3.1实验装置

3.2分析测试方法

3.3本章小结

第四章 餐厨垃圾及各组分序批式厌氧消化机理研究

4.1实验物料及设计

4.2数据分析和计算

4.3结果与讨论

4.5本章小结

第五章 餐厨垃圾干发酵机理与技术研究

5.1实验物料及设计

5.2餐厨垃圾干发酵研究

5.3干发酵产气机理及降解效率研究

5.4本章小结

第六章 沼气微氧脱硫机理研究

6.1实验物料及设计

6.2沼气微氧脱硫研究

6.3本章小结

第七章 餐厨垃圾序批式及干发酵水解动力学模型

7.1序批式厌氧消化动力学研究

7.2干发酵水解动力学模型

7.3本章小结

第八章 结论与建议

8.1结论

8.2对后续工作的建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢