餐厨垃圾厌氧发酵产酸优化及甘油调控研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dalianmaowh
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随着经济的增长和人民生活水平的不断提高,餐厨垃圾的产量日益提高。大量的餐厨垃圾如果得不到妥善的处置,不仅会对环境造成二次污染,威胁人类健康,同时也是一种能源浪费。大量研究表明餐厨垃圾是理想的厌氧发酵原料,而厌氧发酵过程中产生大量的挥发性脂肪酸(VFAs)具有广阔的利用空间。为了更好的后续利用,可以通过一定的技术手段改变发酵条件,对产酸量进行优化。此外,人类对化石能源的过度依赖而产生的能源危机迫使研究人员不断寻求可再生能源。生物柴油作为一种可再生的清洁能源逐渐受到关注。然而粗甘油作为利用餐厨垃圾生产生物柴油过程中的重要副产物,缺乏合理处置。粗甘油与餐厨垃圾混合发酵不仅可以提高底物的碳氮比(C/N),改变发酵环境,还能使粗甘油得到有效的资源化利用。本文的目的在于通过半连续流工艺、批次实验并结合数学模拟,研究餐厨垃圾厌氧发酵的产酸浓度和组成、产量预测以及甘油对餐厨垃圾VFAs产量及组分的影响。本研究搭建并运行了餐厨垃圾厌氧发酵半连续流反应器,反应器运行过程中沿程监测发酵液溶解性化学需氧量(s COD)、氨氮浓度、溶解性蛋白浓度、溶解性多糖浓度以及VFAs的产量和组分随发酵时间的变化,从而分析厌氧发酵底物降解规律和产酸规律。结果表明,发酵液产酸效率随发酵时间不断提高,总VFAs中正戊酸和正丁酸所占的比例较高,分别为36.00%±2.63%和24.35%±2.18%。发酵5天之后,氨氮、溶解性蛋白和溶解性多糖浓度逐渐稳定,底物水解过程基本稳定。利用半连续流反应器的运行数据,建立了sCOD、氨氮浓度、溶解性蛋白浓度、溶解性多糖浓度和VFAs产量之间的动态关系。基于误差反向传播(BP)人工神经网络建立餐厨垃圾厌氧发酵VFAs产量预测模型,并对模型的预测效果进行评价。结果表明,所建立的模型具有一定的准确性和可信度,基本可以满足预测要求,可以为餐厨垃圾厌氧发酵产酸的工程应用提供参考。在此基础上,采用批次实验,通过餐厨垃圾单独发酵及与投加不同量的甘油共发酵对比,探究投加甘油对餐厨垃圾厌氧发酵底物降解规律和VFAs产量和组分的影响。结果表明,当发酵底物C/N为10.69/1(空白组),15/1,20/1和25/1时,批次实验末端发酵液总VFAs产量分别为21719.34±2248.43 mg COD·L-1,29181.43±658.38 mg COD·L-1,29631.48±472.04 mg COD·L-1和32969.93±5598.73mg COD·L-1,投加甘油的三组反应器中末端发酵液中VFAs总产量较空白对照组分别提高了34.36%,36.43%和51.80%。可知,投加甘油提高了底物的C/N,有利于水解酶的合成和分泌,促进了底物的水解过程。从各组反应器VFAs产量和组成随发酵时间的变化可以看出,在发酵底物中投加甘油,可以提高总VFAs产量,同时也会对VFAs组分产生影响。投加甘油有利于丙酸、正戊酸等奇数碳VFAs的产生,不利于正丁酸的产生。本研究为餐厨垃圾产酸的优化及合成PHA产品的应用和发展提供了参考。
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