廚余垃圾中溫濕法厭氧消化處理系統(tǒng)運(yùn)行特性及調(diào)控研究.pdf

1、本文研究了利用外加堿液吸收裝置去除氣相中CO2對(duì)降低系統(tǒng)內(nèi)酸度和提高系統(tǒng)處理負(fù)荷的影響。針對(duì)廚余垃圾中溫濕法兩相厭氧消化過(guò)程中水解酸化率低，水解酸化產(chǎn)物中乳酸濃度高，本文系統(tǒng)研究了pH、pH調(diào)節(jié)方法、ORP和接種微生物對(duì)提高水解酸化率，降低水解酸化產(chǎn)物中乳酸濃度的影響，并考察了水解酸化過(guò)程改進(jìn)后的兩相厭氧消化工藝處理廚余垃圾的運(yùn)行效果。主要研究結(jié)果如下： 1)高CO2分壓是廚余垃圾單相厭氧消化過(guò)程初期反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)酸度升高、pH下降

2、的一個(gè)重要原因。在中溫濕法單相厭氧消化工藝中采用外加堿液裝置吸收氣相中CO2，降低氣相CO2分壓，解決了廚余垃圾單相厭氧消化過(guò)程在高負(fù)荷下反應(yīng)初期因?yàn)樗岫冗^(guò)高而引起的系統(tǒng)失敗問(wèn)題，有效提高了廚余垃圾單相厭氧消化工藝的穩(wěn)定性和處理負(fù)荷。最大有機(jī)負(fù)荷達(dá)到8.4gCOD·(L·d)-1，進(jìn)料TS濃度達(dá)到85g·L-1，甲烷產(chǎn)量達(dá)到2.5L·(L·d)-1，COD和TS去除率分別達(dá)到69﹪和68﹪。無(wú)需外加堿液，反應(yīng)器中pH能保持在7.7，既降

3、低成本，又能避免陽(yáng)離子對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制。 2)采用相內(nèi)和相間同時(shí)的消化液循環(huán)能提高廚余垃圾兩相厭氧消化過(guò)程的有機(jī)負(fù)荷和水解酸化出料液中的COD、VFA濃度。相內(nèi)連續(xù)的滲濾液循環(huán)使水解酸化反應(yīng)器中始終保持流動(dòng)狀態(tài)，有利于氣體產(chǎn)物的排放和新鮮進(jìn)料與消化過(guò)熟料的充分混合。相間消化液循環(huán)為水解酸化反應(yīng)器提供固有堿度，能緩沖pH，同時(shí)又引入一些厭氧活性微生物到水解酸化反應(yīng)器中。整體工藝進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷達(dá)到10.7gCOD·(L·d)-1，水解

4、酸化液中COD濃度達(dá)到33g.L-1，VFA濃度達(dá)到12g·L-1。但兩相厭氧消化過(guò)程在高負(fù)荷下的TS去除率和甲烷產(chǎn)率并沒(méi)有表現(xiàn)出相對(duì)于單相過(guò)程的優(yōu)越性，TS去除率為63﹪，甲烷產(chǎn)率為1.95L·(L·d)-1，甲烷產(chǎn)量為195mL·(gTS)-1。 3)兩相厭氧消化工藝處理廚余垃圾，高負(fù)荷時(shí)水解酸化率低，發(fā)酵產(chǎn)物中乳酸濃度高，占總水解酸化產(chǎn)物COD濃度的一半，而VFA濃度相對(duì)較低。乳酸的酸度比乙酸、丙酸和丁酸強(qiáng)，高濃度乳酸的產(chǎn)

5、生是廚余垃圾厭氧消化過(guò)程初期pH快速下降到很低的原因。實(shí)驗(yàn)又證明，在兩相厭氧消化工藝的產(chǎn)甲烷過(guò)程中，高濃度乳酸容易導(dǎo)致出水中丙酸的累積，限制產(chǎn)甲烷過(guò)程中有機(jī)負(fù)荷的提高，降低產(chǎn)甲烷速率，在高負(fù)荷時(shí)嚴(yán)重抑制產(chǎn)甲烷微生物的活性。VFA是后續(xù)產(chǎn)甲烷過(guò)程中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌可以直接利用的底物，在有機(jī)廢物水解酸化過(guò)程中，通常將VFA的產(chǎn)率作為酸化率。因此在廚余垃圾的水解酸化階段，提高水解酸化率、降低乳酸濃度是提高整個(gè)兩相厭氧消化過(guò)程處理廚余垃圾

6、效率的關(guān)鍵。 4)本文系統(tǒng)研究了pH對(duì)廚余垃圾水解、發(fā)酵和酸化過(guò)程的影響。調(diào)節(jié)pH可以大大提高廚余垃圾的水解率和一級(jí)水解速率常數(shù)，尤其是調(diào)節(jié)pH到7，水解率高達(dá)82﹪，一級(jí)水解速率常數(shù)由未調(diào)節(jié)pH時(shí)的0.025d-1提高到0.148d-1。調(diào)節(jié)pH提高了VFA產(chǎn)率，在pH為7時(shí)，最大VFA濃度在實(shí)驗(yàn)第四天即可達(dá)到，最大VFA產(chǎn)量為0.27g·(gTS)-1，幾乎是未調(diào)節(jié)pH反應(yīng)器中VFA產(chǎn)量(0.15g·(gTS)-1)的2倍。

7、與調(diào)節(jié)pH到5、9和11相比，調(diào)節(jié)pH到7更大程度地提高了廚余垃圾的水解酸化率。pH也決定著VFA的組分分配，中性和酸性條件下，丁酸占優(yōu)勢(shì)；堿性條件下，乙酸濃度升高。發(fā)酵產(chǎn)物中乳酸濃度在未調(diào)節(jié)pH條件下逐漸升高并穩(wěn)定在最大值，調(diào)節(jié)pH提高了乳酸所能達(dá)到的高峰濃度，但達(dá)到最大值后，部分乳酸會(huì)向VFA轉(zhuǎn)化。在調(diào)節(jié)pH為7時(shí)，水解酸化過(guò)程穩(wěn)定后，乳酸的濃度最低。 5)本研究在廚余垃圾水解酸化過(guò)程中建立了一個(gè)新的pH調(diào)節(jié)方法，即調(diào)節(jié)廚余

8、垃圾的pH至7后，投加氮源使其C/N比為30。中性條件下，廚余垃圾組分中蛋白質(zhì)和投加氮源的降解產(chǎn)物中的氨氮對(duì)pH具有緩沖作用。因此，該pH調(diào)節(jié)方法不僅可以降低水解酸化過(guò)程中調(diào)節(jié)pH到7投加的堿液量，而且通過(guò)調(diào)節(jié)C/N比，滿足了水解酸化微生物的營(yíng)養(yǎng)需求，進(jìn)而能提高廚余垃圾的水解酸化率。 6)本文系統(tǒng)研究了ORP對(duì)廚余垃圾水解、發(fā)酵和酸化過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)ORP對(duì)廚余垃圾水解和發(fā)酵過(guò)程有不同的影響。調(diào)節(jié)ORP至-300mV，廚余垃圾達(dá)

9、到最大的水解速率常數(shù)(0.168d-1)。但調(diào)節(jié)ORP到200mV，水解酸化液中VFA和乳酸濃度達(dá)到最大。高ORP有利于提高廚余垃圾的酸化率。但在廚余垃圾水解酸化過(guò)程中，水解是酸化的前提，為保證提高水解率且降低水解酸化產(chǎn)物中乳酸濃度，控制廚余垃圾水解酸化過(guò)程的ORP至-300mV。調(diào)節(jié)進(jìn)料C/N比至30，反應(yīng)初期產(chǎn)生的氨氮能使ORP下降至-300mV左右，故無(wú)需額外投加藥劑調(diào)節(jié)ORP。 7)接種厭氧活性污泥和水解酸化熟料液可明顯

10、提高廚余垃圾的水解酸化率。接種厭氧活性污泥比和水解酸化熟料液比分別為12.5﹪和4時(shí)，最大水解速率常數(shù)分別為0.245d-1和0.277d-1，是未接種微生物的2倍；水解酸化液中VFA濃度分別為46g·L-1和50g·L-1。接種厭氧活性污泥必須控制合適的接種量，接種量過(guò)高則導(dǎo)致水解酸化過(guò)程中調(diào)節(jié)pH為7的條件下發(fā)生甲烷化作用，難以實(shí)現(xiàn)相分離。本研究確定接種厭氧活性污泥量為12.5﹪。 8)本文評(píng)價(jià)了相內(nèi)和相間同時(shí)帶有消化液循環(huán)

11、的兩相厭氧消化過(guò)程在強(qiáng)化水解酸化階段后的運(yùn)行效果。水解酸化階段控制pH為7、調(diào)節(jié)C/N比為30、ORP為-300mV、接種厭氧活性污泥量為12.5﹪，水解酸化過(guò)程中的HRT可由5d減至3d，SRT由20d減至9d，進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷提高到16gTS·(L·d)-1，水解和酸化效率分別達(dá)到85.8﹪和49.9﹪。整體工藝中有機(jī)負(fù)荷率提高一倍，TS去除率達(dá)到80﹪，甲烷產(chǎn)率達(dá)到266.4mL·(gTS)-1。 本文對(duì)廚余垃圾中溫濕法單相和