廚余物厭氧產(chǎn)氫過程控制因素優(yōu)化研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，廚余垃圾的產(chǎn)生量逐漸上升。然而由于廚余垃圾數(shù)量龐大，且具有有機(jī)質(zhì)含量高和易腐敗等特性，如不及時(shí)處理，則會(huì)引起惡臭污染大氣環(huán)境，腐敗產(chǎn)生的致病菌會(huì)引起各種傳染疾病，產(chǎn)生的滲濾液含有高濃度的有機(jī)質(zhì)，嚴(yán)重污染地表水和地下水。目前廚余垃圾問題已經(jīng)對(duì)人們的生產(chǎn)生活構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此尋求廚余垃圾有效的處置方法迫在眉睫，這也是解決各個(gè)城市日益嚴(yán)重的“垃圾圍城”重要出路之一。
　　 將廚余物厭氧消化產(chǎn)氫，

2、既能解決廚余物的處置問題，又能獲得清潔高效的能源。這一途徑可以使廚余物達(dá)到減量化、無害化和資源化利用。產(chǎn)生的氫氣是一種完全清潔且高效的能源。隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，氫氣被譽(yù)為是替代化石燃料的最佳選擇。氫氣的燃燒值高于任何一種化石燃料，而且燃燒后只生成水，不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。氫氣具有廣泛的應(yīng)用范圍，能應(yīng)用于食品行業(yè)，化工行業(yè)等。
　　 由于廚余物成分復(fù)雜且接種物多樣，因此影響廚余物產(chǎn)氫效率的控制因素較多，而且對(duì)于不同的反應(yīng)

3、情況，影響各不相同。雖然很多學(xué)者針對(duì)各自的產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過控制因素的研究，但是多數(shù)只是針對(duì)單一控制因素。對(duì)廚余物產(chǎn)氫研究進(jìn)行全面的控制因素研究，包括物料比、pH、溫度、加速底物水解方式、產(chǎn)氫微生物活性強(qiáng)化等方面的優(yōu)化研究，有利于獲得最佳的廚余物產(chǎn)氫模式。
　　 本論文對(duì)廚余物產(chǎn)氫過程中的控制因素進(jìn)行了優(yōu)化研究，主要從產(chǎn)氫初步條件，包括物料比、初始pH、碳氮比和溫度四個(gè)方面進(jìn)行研究，獲得產(chǎn)氫基本條件；針對(duì)水解是有機(jī)物產(chǎn)氫的限制因素這

4、一特點(diǎn)，采用酸堿預(yù)處理技術(shù)強(qiáng)化底物水解，研究酸堿預(yù)處理對(duì)產(chǎn)氫的促進(jìn)作用；在產(chǎn)氫過程中產(chǎn)氫污泥的活性強(qiáng)化能有效提高產(chǎn)氫效率，采用添加金屬離子強(qiáng)化產(chǎn)氫污泥，研究稀土元素La3+對(duì)產(chǎn)氫污泥的“hormesis”效應(yīng)，擬探索出最佳的添加濃度；由于產(chǎn)氫為“丁酸型”發(fā)酵，采用丁酸脅迫的手段對(duì)產(chǎn)氫污泥進(jìn)行耐受性研究，擬提高產(chǎn)氫污泥的耐丁酸性，從而提高產(chǎn)氫量；最后對(duì)丁酸脅迫過程中的污泥性能進(jìn)行研究，擬從物理和生化兩方面對(duì)其變化進(jìn)行分析，獲得相關(guān)參數(shù)。本

5、論文通過以上幾部分的研究，擬從廚余物產(chǎn)氫的各個(gè)控制因素方面進(jìn)行優(yōu)化分析，獲得最佳的產(chǎn)氫方式，本論文的主要研究結(jié)論如下：
　　 1．通過對(duì)物料比，初始pH，碳氮比和溫度的逐步優(yōu)化，得出產(chǎn)氫的最佳物料比為2.5:1，初始pH為7.5，碳氮比為18:1，溫度為35℃，此時(shí)產(chǎn)氫達(dá)到28.34mL/gVS。而且產(chǎn)氫類型為“丁酸型”發(fā)酵。
　　 2．從強(qiáng)化底物水解方面對(duì)廚余物進(jìn)行酸堿預(yù)處理。其中經(jīng)pH2和pH13處理?xiàng)l件下，碳水化合

6、物、蛋白質(zhì)、脂類和SCOD含量分別比對(duì)照提高了87.0％,41.3％，134.7％,78.8％和283.1％，203.2％,259.1％,108.2％。在隨后的產(chǎn)氫過程中，經(jīng)pH13處理組的產(chǎn)氫量最大，達(dá)到105.38mL/gVS，比對(duì)照提高了2.66倍。各個(gè)反應(yīng)組中有機(jī)酸在前19小時(shí)增長(zhǎng)迅速，但是從19小時(shí)到產(chǎn)氫結(jié)束時(shí)變化不大，這趨勢(shì)與產(chǎn)氫變化較一致。對(duì)pH2，對(duì)照和pH13處理組研究表明，經(jīng)pH13處理組中碳水化合物和蛋白質(zhì)都是下降

7、的，而其它兩組都是先上升后下降。在整個(gè)反應(yīng)過程中，三個(gè)組分的脂類濃度幾乎沒變化。從整體來看，微生物優(yōu)先利用的底物是碳水化合物。在三個(gè)反應(yīng)組中，EPS中的蛋白質(zhì)和胞外多糖在前14和9小時(shí)都是增加的，但隨后下降，而DNA在整個(gè)產(chǎn)氫過程中一直是增加的。EPS最大值是78.60mg/gVS(pH13組)＞65.54mg/gVS(pH2組)＞45.75mg/gVS(對(duì)照組)。胞外多糖是污泥EPS中的主要也是變化最明顯的成分。結(jié)果顯示強(qiáng)酸和強(qiáng)堿預(yù)處

8、理對(duì)廚余物有機(jī)質(zhì)溶出具有明顯效果，采用一定的預(yù)處理方式能提高廚余物產(chǎn)氫效率。
　　 3．產(chǎn)氫量先隨著添加La3+元素濃度的增加而提高，但從0.5mg/L后下降。在添加La3+濃度為0.5mg/L，產(chǎn)氫量達(dá)到最大，為43.11mL/gVS，是對(duì)照的1.45倍。Gompertze模型顯示，Rm的大小為0.5mg/L組＞0.1mg/L組＞對(duì)照＞0.05mg/L組＞1mg/L組＞5mg/L組。隨著添加La3+濃度的提高，產(chǎn)氫延遲λ時(shí)間變

9、長(zhǎng)。VS和SCOD在前20小時(shí)呈迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，但在20小時(shí)后保持穩(wěn)定。不同于VS和SCOD的變化，pH在反應(yīng)過程中一直呈下降趨勢(shì)。在添加La3+為0.5mg/L時(shí)，β-糖苷酶、BAA-蛋白水解酶和脫氫酶最大酶活為9912.09μmolPNP/(gTS.h)，104.67μmolNH4-N/(gTS.h)和6216.15μgTF/(gTS.h),是對(duì)照的1.85,1.48和1.69倍。結(jié)果顯示添加La3+元素對(duì)產(chǎn)氫污泥具有“hormesi

10、s”效應(yīng)，最佳的添加濃度為0.5mg/L。
　　 4．在丁酸脅迫濃度為4.0g/L脅迫組，丁酸量達(dá)到8417.1mg/L，比對(duì)照提高了31.3％。在4.0g/L脅迫組中的產(chǎn)氫量達(dá)到63.72mL/gVS，是對(duì)照的214％。VS和SCOD在4.0g/L脅迫組下達(dá)到最大，為22.68g/L和21034.9mg/L，分別是對(duì)照的1.32和1.30倍。β-糖苷酶，BAA-蛋白水解酶和脫氫酶分別在前10,5和10小時(shí)呈迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而此

11、后呈下降趨勢(shì)。結(jié)果顯示采用丁酸脅迫方式能提高污泥的耐受性，從而提高產(chǎn)氫量。研究了產(chǎn)氫剩余發(fā)酵液繼續(xù)產(chǎn)甲烷的可行性，連續(xù)產(chǎn)甲烷的最終產(chǎn)量為287.4mL/gVS，比單獨(dú)產(chǎn)甲烷的甲烷量提高了34.0％。在連續(xù)產(chǎn)甲烷過程中，丁酸是主要降解的有機(jī)酸。而單獨(dú)產(chǎn)甲烷過程中，乙酸是主要變化的有機(jī)酸。
　　 5．對(duì)脅迫過程中的污泥性能進(jìn)行了研究，表明顆粒污泥在脅迫過程中的平均沉降時(shí)間，VS是呈下降趨勢(shì)。絮體的直徑呈下降趨勢(shì)，而絮體的平均面積呈上