论文部分内容阅读
泔脚废物产生量的增加及其环境安全影响已受到世界各国的普遍关注。从废物污染控制和资源化角度而言,厌氧消化处理泔脚废物具有减少处理量、回收清洁能源（氢气或甲烷）和残余物制备有机复混肥等优点;它符合节能减排、清洁生产和循环经济的和谐处理技术。随着厌氧消化技术的深入研究,利用有机废物进行多阶段产氢、产甲烷资源回收理念已逐步成为世界各国的共识。因此,探讨有机废物厌氧消化产氢产甲烷的工艺及其强化技术,具有重要的理论意义和应用价值。鉴于泔脚极易酸化的特性,本文以城市生活垃圾厌氧消化污泥为接种物,主要研究了泔脚预处理、接种物预处理、接种量、初始pH值、膨润土等因素对泔脚间歇发酵产氢的影响;研究了初始pH值和接种量对发酵产氢余物甲烷化的影响。借助CurveExpert 1.3软件对实验结果用修正的Gompertz模型进行拟合。论文的主要研究内容与结论有:（1）在相关文献研究的基础上,分析了泔脚的来源及产生、理化特性、环境效应和处理处置现状。探讨了有机物发酵制氢的基本原理和影响因子（生态因子）。分析结果表明,底物和接种物预处理、无机营养物的添加可以强化二阶段产氢产甲烷工艺。（2）泔脚发酵产氢的单因素实验结果表明:在泔脚的微波（600W,4min）+碱（KOH,pH9.0）联合预处理、接种物的热（80℃,15min）预处理、80%的接种量、初始pH值8.5和膨润土添加量为0.25%（m/m,发酵底物以湿基计）的条件下,泔脚具有最佳产氢效果。其发酵产氢的滞后时间λ、最大比产氢率、产氢率、生物气中H2最高体积分数分别为:4.03h、18.58mL/gVS·h、254.89mL/gVS、54.6%,与文献相比具有同比较高的产氢能力。在上述优化条件下:①在泔脚的发酵产氢体系中,pH值与比产氢率之间存在着非常密切的关系。随着泔脚发酵酸化的进行（pH值降低）,同一时刻与之相对应的比产氢率先增大,而后又逐渐变小。根据发酵过程中比产氢率与pH值的变化及pH模型,求得pH模型中的动力学常数Rmax、KH、KOH的值分别为21.9mL/（gVS·h）、1.63×10-5mol/L和1.45×10-6mol/L（回归系数0.7730）。并求得泔脚连续发酵产氢的最佳pH值为5.31。②随着发酵酸化过程的进行,泔脚发酵产氢体系的氧化还原电位（Eh）逐渐升高,并且Eh与pH值之间存在线性关系（相关系数R2=0.9906）,Eh实测值与理论计算值比较吻合。并求得泔脚连续发酵产氢的Eh最佳值为-315.08mV。③泔脚发酵产氢过程中产生了大量的挥发性脂肪酸（VFA）,其中,乙酸、丁酸的质量分数分别为26.5%、56.7%,占VFA的83.2%,故优化条件下的泔脚发酵产氢属于丁酸型发酵。（3）泔脚发酵产氢余物沼气化的单因素实验表明:①过低的接种量（15%）不能顺利启动泔脚发酵产氢余物的沼气化过程;而较高的接种量（30%、45%、60%）均能启动产沼过程,且产沼能力随着接种量的增大而增强。②通过调节体系的初始pH值,可提高反应器利用效率（接种量从60%降低到45%而几乎不影响体系的产甲烷能力）。③在接种量为45%、初始pH值为7.0时,泔脚发酵产氢余物沼气化的滞后时间λ、最大比产甲烷率、产甲烷率、生物气中甲烷的最高体积分数分别为:4.02h、50.20mL/gVS·h、379.28mL/gVS、82.2%。④生物气中甲烷的最大体积分数超过80%,大于常规消化气中甲烷的最高含量（75%v/v）,可能是由于消化反应所产生的CO2部分溶入液相补充了体系由于VFA的消耗而损失的部分酸度所致,这可由厌氧消化余物的pH值（6.80～6.90）提供一定的证明。（4）泔脚厌氧发酵产氢整个过程的熵的分析结果表明:①收集、水解产酸、发酵产氢余物的沼气化及其甲烷化产物的资源化等过程均为熵增过程;分选、底物溶胞强化和产氢产乙酸等过程均为熵减过程。②分选、溶胞强化、产氢产乙酸及发酵产物的资源化等四个工序往往需要投入较多的物质和能量,从而成为厌氧发酵产氢的限速步骤。