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我国有机垃圾,典型的如污泥和餐厨垃圾,产量日益增长,在环境污染严重、能源资源短缺的当下,如何经济持续、科学合理地处置有机垃圾成了一个亟需解决的问题。厌氧消化既能实现有机垃圾的减量化、无害化,还能产沼气实现资源化,有着广阔的应用前景。然而,有机垃圾的厌氧消化往往效率较低,常受到水解的限速、高含盐/油的影响和单一物料性质限制。因此,本文以提高厌氧消化产气效率为目标,通过预处理优化污泥厌氧消化产气,研究盐分和油脂对餐厨垃圾厌氧消化的影响且提出优化方法,并探究了污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化,最后对优化技术进行动力学分析评估并建立厌氧消化模型,为有机垃圾的厌氧消化产气优化提供了技术和理论基础。本文首先针对污泥厌氧消化过程中水解阶段的限速问题,进行预处理以提高水解速率,提高厌氧消化产气量。将新颖的硫酸根自由基高级氧化技术应用于污泥预处理,结果表明,零价铁-过硫酸盐预处理中1cm×1cm铁片效果优于纳米铁粉,在最佳添加量下,累积甲烷产量提高了53.6%,且厌氧消化后污泥的脱水性能得到了提升;超声波预处理中发现超声波频率越低,破解效果越好,且在同样的能耗下,低功率-长时间的处理效果优于高功率-短时间,在最佳的处理条件(20 kHz、325W、10 min)下,累积甲烷产量提高了78.3%;碱预处理中发现当NaOH添加量为10 g/L时产气量提升最大,累积甲烷产量提高了31.6%,继续添加NaOH厌氧消化反而受到抑制。在研究了盐分对餐厨垃圾厌氧消化的影响的基础上,针对高含盐餐厨垃圾的厌氧消化,提出了驯化、渗透调节剂和水洗脱盐三种方法进行处理。实验结果表明,适量的钠离子浓度可以使沼气产量略有提高,但过量的钠离子浓度明显抑制了厌氧消化产气效果。对驯化过程中的微生物菌群演变进行研究发现细菌中属于热袍菌门(Thermotogae)的Kosmtoga和属于绿弯菌门(Chloroflexi)的Lyelina、Longilinea的相对丰度逐渐增加;古生菌中氢营养型产甲烷菌——产甲烷杆菌(Methanobacterium)和甲烷粒菌(Methanocorpusculum)的相对丰度增加。驯化过程中,微生物群落增加了水解和营养提供菌种的比重,通过水解大分子有机物得到小分子有机物,并通过营养提供菌种供给以适应高钠离子环境,经过驯化甲烷产量提高了63.6%。在甜菜碱、聚乙二醇、水杨酸三种渗透调节剂中,甜菜碱的渗透调节效果最佳,在5 g/L和8 g/L钠离子浓度条件下,添加甜菜碱可以提高累积甲烷产量36.4%和45.8%。水洗是有效的脱盐方法,经过实验研究,水洗的最佳工艺条件为m(水)/m(餐厨垃圾)=2,搅拌震荡时间为10 min,再经4000 rpm离心10 min,经过水洗脱盐处理的高含盐餐厨垃圾钠离子含量由8 g/L降至2.02 g/L。通过研究油脂对餐厨垃圾厌氧消化的影响,发现高含油率对餐厨垃圾厌氧消化有一定抑制,所以提出了驯化、添加氯化钙的方法处理高含油餐厨垃圾。实验结果表明,含油量的增加有利于甲烷产量的提高,但含油量的增加会使厌氧消化受到抑制,油脂利用率在5%含油量时最大。研究驯化过程中的微生物菌群演变发现,细菌中属于绿弯菌门(Chloroflexi)的Anaerolinea、Longilinea和属于厚壁菌门(Firmicutes)的Clostridium相对丰度逐渐增加;古生菌中氢营养型产甲烷菌——产甲烷杆菌(Methanobacterium)的相对丰度增加。微生物中分解LCFA、供给营养的菌种比重提高,使菌群适应高含油环境,驯化后甲烷产量提高了24.9%。适量的氯化钙添加有利于高含油餐厨垃圾厌氧消化产气,4 g/L的氯化钙为最佳添加剂量,较空白组可提高高含油餐厨垃圾厌氧消化甲烷产量23.9%。以实验得到的联合厌氧消化最佳C/N为基础,通过高中温两相联合厌氧消化和添加膨润土两种方法优化联合厌氧消化产气。实验结果表明,餐厨垃圾与污泥固含量比为60:40,即C/N为15.5时,联合厌氧消化的产气效果最好,与污泥或餐厨垃圾单独厌氧消化相比,累计产气量分别提高了45.2%和20.9%。高中温两相联合厌氧消化结合了高温厌氧消化初期较高的水解酸化速率和中温厌氧消化中后期稳定的VFA含量,较中温厌氧消化产气量提升了50.3%。适量的膨润土添加量可以通过形成絮凝体防止底物膨胀,缓解pH波动以及吸收钠离子、释放钙离子,从而提高产气效率,当膨润土添加量为10 g/L时,产气效率最高,产气量较空白对照组提升了47.7%。使用三种厌氧消化动力学方程对厌氧消化过程的产甲烷情况进行分析拟合,根据拟合结果,发现Gompertz方程在拟合精度和动力学意义上有一定优势。使用Gompertz方程对各种厌氧消化产气优化技术进行动力学评估。结果表明,经过优化的实验组提高了最大产甲烷速率、减少了迟滞时间,且动力学参数为厌氧消化模型的建立提供参考。最后以ADM1(厌氧消化一号模型)为基础,在Aspen Plus软件上进行建模,使用CSTR模块模拟厌氧消化反应器,将所有反应均加入其中,另在计算模块(Calculation Blocs)中以FORTRAN语言写入反应速率计算方法,并关联至每一个反应方程式中。结合动力学参数,加入反应速率修正计算模块,运行模拟精度较高。使用模型优化进料组分,模拟结果显示蛋白质:碳水化合物:油脂=2:7:1时,产气量最高。有机垃圾的厌氧消化通过优化,可以得到较好的产甲烷效果,具有广阔的应用前景。