餐厨垃圾与污泥高固体浓度厌氧发酵产沼气研究

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随着国民经济的快速发展和人民生活水平的极大提高,餐厨垃圾与污泥等有机固体废弃物的排放量逐年提高。如果不及时妥善处置,便会对人类和环境造成危害。有机废弃物中含有大量的有机质成分,如碳水化合物、蛋白质、脂肪和纤维素等,可作为有效的生物质资源,通过厌氧发酵等生化处理的方式实现固体废弃物的资源化利用。发酵过程的启动阶段,需加入一定量的接种物来提供厌氧发酵所需的微生物菌群。本文在12%-18%高固体浓度和中温(35±1)℃条件下,开展了不同接种比例对餐厨垃圾厌氧发酵过程影响的研究。考察了沼气产率、发酵液特性和TS、VS去除率等随接种比例变化的关系。结果表明,接种比例不低于50%的沼气日产率、累积沼气产率和平均甲烷含量显著高于接种量低于25%的发酵过程,并且pH值相较于低于25%的发酵体系能够稳定在6.8-7.2之间。提高接种比例能够降低发酵液中TN、TP和CODcr的浓度。餐厨垃圾与接种污泥TS比为1:1时,甲烷含量和TS、VS去除率达到最大值,分别为64%、43.6%和52.8%。此时,累积沼气产率为228.6 mL/gVS。针对餐厨垃圾单独厌氧发酵易产生酸化现象以及提高接种比例后易导致反应器容积利用率较低等问题。本文将餐厨垃圾与污泥进行联合厌氧发酵研究。结果表明,当餐厨垃圾与污泥二者比例为30∶30时,累积沼气产率、累积甲烷产率、生物转化产甲烷效率和VS去除率分别为612、327 mL/g、76.9%和63.6%,皆高于其他原料比例。混合底物中餐厨垃圾为主时,产酸与产甲烷过程分别是发酵前期和后期的限速步骤,发酵前5 d为产气高峰阶段,甲烷含量在整个发酵期间低于60%,VFAs抑制显著;而混合底物中污泥所占比例较高时,在发酵前期仅有机质水解过程为限速步骤,但在发酵后期水解和产酸都成为限速步骤,产气的高峰期多出现在第10-25 d,甲烷含量于发酵前5 d迅速上升至50%后,缓慢提高并最终稳定在70%左右。废弃物中碳水化合物、蛋白质和脂肪等这些有机成分的比例可显著影响厌氧发酵产甲烷的效率。本文选取具有代表性的餐厨垃圾和污泥进行组合,调配成含不同比例的碳水化合物、蛋白质和脂肪的联合底物,在12%高固体浓度和中温(35±1)℃条件下,开展了碳水化合物、蛋白质和脂肪不同比例联合厌氧发酵对产气性能和有机质降解过程影响的研究。结果表明,当三种有机质比例为55:36:9时,每克VS最大产甲烷量、最大比产甲烷速率、实际甲烷产率分别为404.1 mL/gVS、11.2 mL/(gVS·d)和326.7 mL/gVS,皆高于其他有机质比例,并且有机质的降解过程更为高效、稳定.适当添加碳水化合物一方面能够提升自身的降解率,另一方面促使蛋白质和脂肪的进一步降解。当碳水化合物质量百分比高于65%时,总酸、单酸和分子态酸浓度的增加成为发酵过程的抑制因素。蛋白质质量百分比越高,发酵启动时间和发酵周期相应延长,其质量百分比高于48%时,总氨氮和游离氨对产甲烷过程造成一定抑制作用。
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