【摘 要】
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随着“双碳”目标的提出和能源转型需求的日益迫切,我国如何改革能源利用体系,资源化、清洁化处置有机固废成为当前亟需解决的问题。厌氧消化不仅可以清洁高效得处置有机固废,还可以将有机固废中的生物质能通过微生物发酵转化为清洁能源——沼气,提高能源利用率和生物质能在能源消费结构中的占比。但是当前厌氧消化存在产气速率低和体系不稳定的缺点,多种有机固废协同厌氧消化可以在一定程度上优化厌氧消化体系,但是多种有机固
【基金项目】
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浙江省科技计划项目（编号2021C03162,2022C03092）； 宁波市科技创新2025重大专项（编号2018B10023）；
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随着“双碳”目标的提出和能源转型需求的日益迫切,我国如何改革能源利用体系,资源化、清洁化处置有机固废成为当前亟需解决的问题。厌氧消化不仅可以清洁高效得处置有机固废,还可以将有机固废中的生物质能通过微生物发酵转化为清洁能源——沼气,提高能源利用率和生物质能在能源消费结构中的占比。但是当前厌氧消化存在产气速率低和体系不稳定的缺点,多种有机固废协同厌氧消化可以在一定程度上优化厌氧消化体系,但是多种有机固废的最佳配比仍未探明,同时在高负荷下厌氧消化仍然容易“失稳”导致产气抑制乃至体系崩溃。因此,本文探索稳定高效运行的高有机负荷协同厌氧消化技术,通过序批式实验不同物料的最佳配比,探明高负荷连续式厌氧消化产气抑制的机理,并通过沼液回流的方法对高负荷厌氧消化体系统容易失稳的问题进行优化,实现高负荷下的餐饮垃圾、厨余垃圾和污泥等多种有机固废连续式协同中温厌氧消化稳定高效运行,为利用高浓度物料进行厌氧消化的实际工程提供参考。为了提高厌氧消化产气速率和体系稳定性,首先利用不同配比的餐饮垃圾、厨余垃圾和污泥进行了序批式厌氧消化实验,以确定最佳物料配比。结果表明,多种有机固废协同厌氧消化可以提高甲烷产量,并提高厌氧消化体系稳定性。随着厨余垃圾占比的增大,累计甲烷产量先增大后减小。污泥:餐饮垃圾:厨余垃圾=4:1:5（以TS计）为最佳配比,此时累计甲烷产量最高,为9780m L,与污泥:餐饮垃圾:厨余垃圾配比为4:3:3、2:2:6和1:1:8的三个平行组相比分别提高了10.90%、74.67%和373.74%。其次在最佳配比的基础上,还探求了高有机负荷下厌氧消化体系出现产气抑制的机理,进行了低负荷3.50g VS/（L·d）和高负荷5.20 g VS/（L·d）两个阶段的连续式厌氧消化实验。结果表明,高负荷多种有机固废协同厌氧消化相比低负荷具有更高的产气速率和产甲烷潜能,但是持续的高浓度进料会出现轻微的产气抑制现象,表现为甲烷浓度和日甲烷产量的持续下降。其抑制机理是高浓度VFA会对产甲烷菌尤其是乙酸营养型产甲烷菌造成毒害作用,导致产甲烷菌丰度和活性降低,直接影响了产气速率。高负荷阶段S2-2（第30天）和S2-3（第39天）的VFA浓度由16280mg/L增大至18580mg/L,超过18000 mg/L的抑制阈值,产甲烷菌相对丰度由97.9%下降了89.8%,乙酸营养型产甲烷菌Methanimicrococcus相对丰度由52.7%下降至20.5%,甲烷浓度由48.45%持续下降至42.77%;平均日甲烷产量为27.9L/d,与高负荷阶段的平均产气速率相比下降了13%,出现轻微的产气抑制,产气效率和系统稳定性下降。最后针对高负荷产气抑制的问题,研究了沼液回流对高负荷厌氧消化体系的优化作用。在最佳配比的基础上,进行沼液回流的高负荷连续式协同中温厌氧消化实验。结果表明,应用沼液回流可以优化高负荷体系的产气情况。沼液回流阶段的产气速率为35.0L/d,比高负荷阶段的32.0L/d高9.38%。沼液回流阶段甲烷浓度（51.41%）显著高于高负荷下的甲烷浓度（44.86%）。应用沼液回流可以提高厌氧发酵体系的稳定性,解除高负荷下的产气抑制情况。沼液回流阶段第14-19天出现甲烷浓度由55.01%下降至48.18%,日甲烷产量由35.0L/d下降至32.5 L/d,乙酸浓度由1035mg/L下降到705mg/L,氨氮浓度由2540mg/L上升至3330mg/L,产气速率和体系稳定性下降。但在最后5天,甲烷恢复至55.46%,日甲烷产量提高至40.0 L/d,VFA浓度和氨氮浓度恢复正常水平,产气抑制状态解除。本文研究表明,通过探明产气抑制机理和应用多种优化手段,可以实现多种有机固废连续式协同中温厌氧消化在高负荷下长期稳定高效运行,实现较高的产气速率和体系稳定性。
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