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。 【关键词】：餐厨垃圾 序批式厌氧消化 干发酵 微氧脱硫 水解动力学
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.4;X799.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 研究背景、目的及意义11-12
• 1.1.1 研究背景11
• 1.1.2 研究目的及意义11-12
• 1.2 餐厨垃圾的来源、组分、特性及危害12-14
• 1.2.1 餐厨垃圾的来源与组分12-13
• 1.2.2 餐厨垃圾的特性与危害13-14
• 1.3 餐厨垃圾处理技术的研究现状与发展趋势14-17
• 1.3.1 传统处理工艺14-15
• 1.3.2 资源化处理工艺15-17
• 1.4 课题研究的内容及技术路线图17-20
• 1.4.1 课题研究的内容17-19
• 1.4.2 研究技术路线19-20
• 第二章 干发酵厌氧消化理论与技术20-29
• 2.1 厌氧消化机理分析20-22
• 2.1.1 厌氧消化机理20-21
• 2.1.2 厌氧消化微生物学基础21-22
• 2.2 干发酵厌氧消化技术22-28
• 2.2.1 干发酵介绍22
• 2.2.2 餐厨垃圾干发酵机理研究22-24
• 2.2.3 干发酵技术的优势24-25
• 2.2.4 干发酵技术主要影响因素25-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第三章 实验装置与分析测试方法29-38
• 3.1 实验装置29-31
• 3.1.1 序批式厌氧消化实验装置29
• 3.1.2 连续式厌氧消化实验装置29-31
• 3.1.3 沼气微氧脱硫实验装置31
• 3.2 分析测试方法31-37
• 3.2.1 总固体（TS）浓度的测定31-32
• 3.2.2 挥发性固体（VS）浓度的测定32-33
• 3.2.3 pH和溶解氧（DO）33
• 3.2.4 挥发性脂肪酸（VFAs）33
• 3.2.5 氨氮浓度的测定33-34
• 3.2.6 气体产量及组成34-36
• 3.2.7 硫浓度的测定36-37
• 3.3 本章小结37-38
• 第四章 餐厨垃圾及各组分序批式厌氧消化机理研究38-50
• 4.1 实验物料及设计38-39
• 4.1.1 实验物料及接种体38
• 4.1.2 实验方案38-39
• 4.2 数据分析和计算39
• 4.2.1 沼气产量换算39
• 4.2.2 餐厨垃圾及各组分产气潜能39
• 4.2.3 餐厨垃圾及各组分生物能产量39
• 4.2.4 厌氧最终生物降解率（UAB）39
• 4.3 结果与讨论39-48
• 4.3.1 序批式厌氧消化产气效率、累计产气量及产气组分研究39-43
• 4.3.2 序批式厌氧消化过程中p H值变化43-44
• 4.3.3 序批式厌氧消化产气效率同VFAs各成分相关性研究44-45
• 4.3.4 序批式厌氧消化降解效率研究45-46
• 4.3.5 序批式厌氧消化机理研究46-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第五章 餐厨垃圾干发酵机理与技术研究50-64
• 5.1 实验物料及设计50-51
• 5.1.1 实验物料50
• 5.1.2 实验设计50-51
• 5.2 餐厨垃圾干发酵研究51-60
• 5.2.1 干发酵过程中沼气产气效率，组分同TS关系51-54
• 5.2.2 pH值及氨氮浓度对干发酵的影响分析54-58
• 5.2.3 干发酵过程中VFAs及各组分浓度和COD变化58-60
• 5.3 干发酵产气机理及降解效率研究60-62
• 5.4 本章小结62-64
• 第六章 沼气微氧脱硫机理研究64-75
• 6.1 实验物料及设计64-65
• 6.1.1 实验物料64
• 6.1.2 实验设计64-65
• 6.2 沼气微氧脱硫研究65-74
• 6.2.1 厌氧消化阶段65-66
• 6.2.2 纯氧作微氧源脱硫研究66-68
• 6.2.3 空气作微氧源脱硫研究68-69
• 6.2.4 纯氧和空气作为微氧源氧化反应的比较69-71
• 6.2.5 微氧脱硫机理研究71-72
• 6.2.6 O_2:H_2S比例对微氧脱硫产物影响72-74
• 6.3 本章小结74-75
• 第七章 餐厨垃圾序批式及干发酵水解动力学模型75-101
• 7.1 序批式厌氧消化动力学研究75-84
• 7.1.1 序批式水解动力学模型介绍75-78
• 7.1.2 餐厨垃圾单组分产气的动力学研究78-82
• 7.1.3 餐厨垃圾产气的动力学研究82-84
• 7.2 干发酵水解动力学模型84-99
• 7.2.1 餐厨垃圾干发酵水解动力模型介绍84-85
• 7.2.2 厌氧消化动力学典型模型85-88
• 7.2.3 厌氧消化系统的分析方法及计算方法88-91
• 7.2.4 干发酵动力学模型的基本假设91
• 7.2.5 干发酵动力学模型的建立91-93
• 7.2.6 干发酵 HRT 同累积产气量动力学结果及验证93-95
• 7.2.7 干发酵过程抑制因素与产气速率的关系分析95-99
• 7.3 本章小结99-101
• 第八章 结论与建议101-103
• 8.1 结论101-102
• 8.2 对后续工作的建议102-103
• 参考文献103-112
• 发表论文和参加科研情况说明112-113
• 致谢113-114

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