进料频率对餐厨垃圾和剩余污泥中温共发酵系统稳定性及动力学特性的影响

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随着现代工业的迅速发展及城市化进程的加快,餐厨垃圾和剩余污泥的产量也随之增加。虽然厌氧共发酵能有效克服单一基质发酵过程中存在的问题,但是当系统负荷(OLR)较高时,发酵系统很难稳定运行。在目前的研究中,低频率进料(一天一次或多次)的完全混合式反应器(CSTR)是最常用的固废发酵系统,然而这种低频率的进料方式可能会造成进料初期产生过高的负荷冲击,从而加剧了厌氧发酵过程水解酸化和甲烷化的不平衡,导致挥发性脂肪酸(VFA)大量积累。因此,为了探究能否通过提高进料频率来缓解进料初期的负荷冲击从而提高系统的稳定性,本研究通过共发酵连续实验和批次试验,分析了进料频率对发酵系统效率、稳定性及动力学特性的影响,旨在确定高效稳定共发酵的最优进料频率。同时结合比产甲烷活性实验,进一步探明进料频率对系统中VFA积累过程的影响,得到以下主要结论:(1)进料频率较高时,连续实验系统内的产气量、甲烷产量及TS去除率随进料频率的降低而缓慢升高,CH4和CO2的含量、pH、碱度及VS去除率都无明显波动。当进料频率降为2次·d-1时,产气量、甲烷产量及TS去除率达到最高,分别为15.95 L·d-1、9.44 L·d-1和54.19%,碱度明显降低。当进料频率进一步降低时,碱度进一步降低,TS和VS的去除率迅速下降,VFA在系统中严重积累,平均浓度为4.25 g-COD·(L·d)-1,丙酸在TVFA中所占比例高达53.20%,戊酸也开始出现少量积累。(2)通过餐厨垃圾和剩余污泥中温共发酵负荷冲击实验研究发现,进料频率较高时,进料周期内系统的气体组分、SCOD和pH无明显变化,产气量呈线性增长,且基本无VFA积累。随着进料频率降低,进料初期过快的水解酸化导致SCOD、和VFAs浓度呈现明显的先升高后逐渐降低的趋势,从而导致pH和甲烷含量波动明显。当进料频率为1次·d-1,系统中甲烷含量降至45.4%,丙酸的积累占有机酸的比例最高可达87.9%。(3)通过比较各个进料频率下的乙酸钠和丙酸钠的甲烷化动力学特性可知,乙酸和丙酸的最大产甲烷速率的变化均呈现出随进料频率降低先升高而后降低的趋势,在进料频率为3次·d-1时均达到最高,分别为9.06 mL·h-1和6.20 mL·h-1。同时乙酸的最大甲烷化速率均明显大于丙酸,这可能是导致存在丙酸积累的低频进料系统中稳定性较差的原因之一。
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