餐厨垃圾厌氧消化反应器的消泡效果及机理试验研究

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起泡是厌氧消化(Anaerobic digestion,AD)厂普遍存在的技术瓶颈,会导致严重的操作、经济和环境问题。化学消泡,即投加消泡剂,是目前沼气场广泛采用的消泡方法,但泡沫的复杂性使得消泡剂往往凭经验选择,效果参差不齐。为开发针对性的消泡策略,明晰其消泡机理,保证反应器稳定运行,本研究首先改良了起泡潜能实验,确定了适用于有机垃圾AD系统的起泡潜能测定方法,使其表征参数(起泡趋势和泡沫稳定性)能准确评价起泡现象,进而准确评价消泡剂消泡效率;其次基于此改良的起泡潜能实验进行了消泡剂的初筛;再在序批次实验中探索了消泡剂对AD反应器产气性能及生物毒性的影响;最后于半连续式实验中验证了前期优选出的消泡剂的长期有效性,并揭示了其消泡机理。本研究的主要结果如下:(1)开发了基于泡腾片投加的有机垃圾AD系统起泡潜能测定方法,以泡腾片作为起泡剂,以起泡潜能中泡沫的最大高度作为起泡趋势,以1小时后的泡沫高度与最大高度比值作为泡沫稳定性,得出的起泡趋势与反应器实际泡沫体积、表面张力、粘度的相关性R~2分别达0.91、0.88、0.90。(2)在改良起泡潜能实验中测试了高碳醇、有机硅、聚醚、聚醚改性聚硅氧烷、玉米油、沼渣生物炭、油酸钠等消泡剂的消泡效果,并探索了添加方式和剂量对消泡效果的影响,发现底部添加消泡剂效果最佳,施加剂量0.1%、0.5%V/V样品两个浓度剂量为宜,有机硅、聚醚、玉米油三种消泡剂有良好的消泡效果,泡沫抑制量均大于100m L,泡沫消减率分别达到90%、40%、40%以上;高碳醇消泡剂对泡沫抑制效果和破泡效果表现差;油酸钠消泡剂,在未产生泡沫或者发泡能力较弱的系统介质中使用可以实现较好的抑泡效果,但是对于发泡潜力比较大的介质体系,不推荐使用该消泡剂;沼渣制备的生物炭消泡剂对发泡抑制基本无效果,但对泡沫破裂均具有促进作用,可推荐为起泡后泡沫控制的辅助填料。(3)在序批次实验中进一步探析上述优选的有机硅、聚醚、玉米油消泡剂的0.1%、0.5%V/V样品两个浓度剂量的生物毒性,发现有机硅和玉米油消泡剂添加后,产气量没有受到抑制;聚醚消泡剂两个浓度剂量下对产气抑制率分别达到18.4%、22.6%,具有生物毒性,不适合应用于餐厨垃圾AD系统。(4)在半连续式实验中探析上述优选出的有机硅和玉米油消泡剂的长期消泡效果,发现玉米油消泡剂在短期内显示出较好消泡特性,泡沫消减率为48.7%,但长期使用后效果变差,泡沫消减率下降为17.9%;有机硅消泡剂在0.5%V/V样品的剂量下可持续有效的控制泡沫,长达80天的消泡实验中泡沫削减率始终维持在91.3%-98.4%。(5)探析各类消泡剂的消泡机理可知,消泡剂是通过改变泡沫液膜局部表面张力,导致应力失衡来实现泡沫破裂的,主要起作用的关键点是消泡剂中的疏水与亲水基团以及疏水性颗粒;更好的消泡剂必须具备:不溶于介质体系且具有较好的稳定性、消泡剂分子表面张力低并且在介质中易于分散和铺展、消泡剂分子要易于被吸附在泡沫液膜上、消泡剂分子要含有疏水性颗粒等特性。
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