造紙白泥強(qiáng)化生物質(zhì)廢物產(chǎn)甲烷研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，餐廚垃圾（food waste, FW）產(chǎn)量高且增速快。它本身是一種污染物，又是一種可再利用資源。目前，厭氧消化是國內(nèi)外尤其是中國近些年來處理FW積極采用的重要生物處理技術(shù)之一。FW富含多種有機(jī)質(zhì)，易降解而引發(fā)酸化現(xiàn)象，而酸化問題通常是制約FW厭氧沼氣化程度和氣化產(chǎn)率的主要原因。造紙白泥（lime mud from paper-making process,LMP）含有大量CaCO3，少量金屬化合物和微量

2、無機(jī)元素，具有緩解FW酸化過程，防止有機(jī)酸過度累積，避免發(fā)生“酸中毒”的潛能。本文將不同廢物（如 FW、LMP和厭氧污泥）進(jìn)行聯(lián)合消化生產(chǎn)生物氣（甲烷和氫氣），旨在將垃圾無害化、減量化、資源化，拓展了 LMP資源化利用途徑，為實(shí)現(xiàn)以廢治廢和產(chǎn)能規(guī)?；难h(huán)應(yīng)用提供理論和技術(shù)上的參考與支持。
　　本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以厭氧活性污泥為接種菌種，通過單相厭氧批式反應(yīng)進(jìn)行了 LMP強(qiáng)化 FW厭氧產(chǎn)甲烷（及產(chǎn)氫）研究，主要包括不同添加劑

3、、LMP添加量（濃度）、熱堿（LMP）預(yù)處理FW、不同溫度（中溫/高溫）下，LMP對(duì)FW厭氧體系產(chǎn)甲烷性能強(qiáng)弱的比較；LMP強(qiáng)化FW高溫厭氧產(chǎn)氫作用；以及LMP馴化污泥和改性LMP（T-LMP）對(duì)FW高溫產(chǎn)甲烷作用等內(nèi)容。
　　主要結(jié)論如下：
　　CaCO3、NaHCO3、LMP、和雞蛋殼四種添加劑均能提高FW中溫厭氧體系的產(chǎn)甲烷性能和有機(jī)質(zhì)減量化效果。CaCO3與 LMP試驗(yàn)組產(chǎn)甲烷性能、滯留時(shí)間（λ）和結(jié)束時(shí)間相似，以L

4、MP強(qiáng)化FW產(chǎn)甲烷作用效果（241.61mL/g VS，VS去除率42.1％）顯著，較對(duì)照組（129.57mL/g VS，18.5%）分別提高86.5%和72.8%。這表明以LMP作為添加劑強(qiáng)化FW厭氧消化過程是可行的。
　　85–90%的甲烷產(chǎn)量主要在反應(yīng)前11 d獲得，產(chǎn)甲烷總量呈“S”型變化，符合Modified Gompertz模型。在有機(jī)負(fù)荷為19.8 g VS/L時(shí)，6.0–14.0g/LLMP起始濃度改善產(chǎn)甲烷菌生境

5、，甲烷產(chǎn)率（216.7–272.8mL/g VS）、VS去除率（40.7–47%）不斷提高，滯留λ（4.41–2.68 d）不斷縮短。低LMP起始濃度（≤2.0 g/L）緩沖能力較弱，而高濃度（≥14.0 g LMP/L）則抑制產(chǎn)甲烷菌群活性。以10.0 g LMP/L起始濃度增強(qiáng)厭氧微生物的適應(yīng)性和處理效果（272.8mL/g VS，47%VS去除率）最為顯著。
　　與LMP直接作用FW相比，F(xiàn)W經(jīng)熱堿（LMP）預(yù)處理（80℃水

6、浴，1.0 h）后，6.0–14.0 g LMP/L組甲烷產(chǎn)率提高34.3–94.5%，促進(jìn)甲烷產(chǎn)生，但其λ（12.26–5.54 d）較長。低LMP濃度（≤2.0 g/L）組因VFAs高含量（4129.6–5214.2mg/L）和低pH（3.7–4.2）而導(dǎo)致“酸中毒”。以10.0 g LMP/L效果（448.5mL/g VS）最佳，說明熱堿（LMP）預(yù)處理增強(qiáng)FW產(chǎn)甲烷作用顯著，但對(duì)產(chǎn)甲烷菌代謝過程影響不顯著。
　　高溫（55

7、℃）加快了FW降解和微生物生長，產(chǎn)氫量和比產(chǎn)氫速率明顯增加。0–13.3g LMP/L使比產(chǎn)氫速率（6.0–14.34mL H2/g VS·h）、λ（1.37–2.62 h）及起始pH從（6.5–6.9）緩慢降至（4.5–5.1）等變化明顯。LMP（3.3–13.3 g/L）增強(qiáng)FW產(chǎn)氫發(fā)酵能力，pH為5.0，10.0g LMP/L時(shí)，獲得最大產(chǎn)氫率137.6 mL H2/g VS。
　　高溫（55℃）時(shí)，甲烷產(chǎn)率、Rm、λ等隨L

8、MP起始濃度增加而呈線性變化（升高/下降）。LMP在2.0–14.0 g/L增加時(shí)，甲烷產(chǎn)率（228–287.5 mL/g VS）、Rm（295.24–512.8 mL/d）、VS去除率（35.3–49.1%）不斷升高，消化時(shí)間（25–11 d）和λ（6.45–3.35 d）不斷縮短。堿度（8771.3–10885.9 mg/L）使厭氧體系具有較高的緩沖性能（pH7.5–8.0）。與LMP強(qiáng)化FW中溫消化不同，高溫消化時(shí)以14.0 g

9、LMP/L起始濃度甲烷化效果（287.5 mL/g VS，49.1%）為最佳。
　　經(jīng)過1.0 g LMP/L馴化的污泥，改性LMP（T-LMP）加快產(chǎn)甲烷菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。低T-LMP濃度（0、2.0 g/L）較高濃度（≥6.0g/L）產(chǎn)甲烷性能好，但低于LMP直接作用FW高溫組。0、2.0 g T-LMP/L組甲烷產(chǎn)率分別為128.8、135.2 mL/g VS，λ為6.61和3.15 d。而6.0-14.0 g T-LMP/L

10、組厭氧體系高pH（10.0-11.8）嚴(yán)重抑制產(chǎn)甲烷菌活性，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。說明LMP馴化的污泥及其改性LMP對(duì)FW高溫厭氧產(chǎn)甲烷效果均低于LMP高溫強(qiáng)化FW產(chǎn)甲烷的效果。
　　產(chǎn)甲烷過程是多種因素共同作用且維持在平衡狀態(tài)下進(jìn)行的。FW缺乏金屬元素，但含有機(jī)質(zhì)多，形成的有機(jī)酸（VFAs、LCFAs、乳酸等）易對(duì)產(chǎn)甲烷菌群生長代謝產(chǎn)生抑制作用，嚴(yán)重時(shí)無法啟動(dòng)厭氧反應(yīng)。HCO3-/CO2，和蛋白質(zhì)/氨基酸降解產(chǎn)生的NH4+/NH3是厭氧

11、體系內(nèi)調(diào)節(jié)酸堿平衡的主要因素。本文中低濃度氨氮及少量CO2形成體系內(nèi)的緩沖能力低。LMP一方面通過中和少許有機(jī)酸，形成碳酸氫鹽，緩慢釋放產(chǎn)甲烷的前提物質(zhì)以增強(qiáng)緩沖能力；另一方面，源于 LMP的Mg2+、Fe2+、S2-、Na+、K+等是微生物生長所需的，促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌代謝。另外，Ca2+與LCFAs可形成硬脂酸鈣，降低LCFAs對(duì)微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)的抑制效應(yīng)。煅燒改性 LMP不含CaCO3，其緩沖能力較 LMP低。結(jié)果表明，外源 LMP具