餐廚垃圾厭氧發(fā)酵制氫產(chǎn)甲烷一體化工藝及設(shè)備開發(fā).pdf

1、餐廚垃圾產(chǎn)量日益增長，其對環(huán)境安全影響已引起人們的普遍關(guān)注。從環(huán)境友好及廢物資源化的角度，厭氧發(fā)酵技術(shù)是對其進(jìn)行科學(xué)處理的較佳選擇。因而，為了推進(jìn)餐廚垃圾資源化處理的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，進(jìn)行餐廚垃圾產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷處理的可行性及其系統(tǒng)工藝研究是非常必要的。此外，氫能是未來最具潛力的可替代能源之一，隨著厭氧生物產(chǎn)氫技術(shù)研究的深入，利用有機廢物產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷，進(jìn)行資源回收的理念已逐步成為世界各國的共識，積極對其展開研究探索，具有重要的技術(shù)與理論發(fā)展意義。

2、 本文首先研究了糖類、纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等單一有機組分產(chǎn)氫發(fā)酵的可行性，以此開展餐廚垃圾產(chǎn)氫發(fā)酵的小型條件試驗，并且研究了產(chǎn)氫發(fā)酵殘渣進(jìn)行甲烷發(fā)酵的可行性。為解決由于餐廚垃圾酸化給產(chǎn)氫過程帶來的影響，開展了現(xiàn)場酸化餐廚垃圾實驗室批式產(chǎn)氫發(fā)酵搖瓶試驗。針對現(xiàn)有厭氧反應(yīng)器的不足，開發(fā)了小型滾筒式厭氧反應(yīng)器。依據(jù)該反應(yīng)器運行試驗結(jié)果優(yōu)化滾筒式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，并對其內(nèi)部揚板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出螺旋推流滾筒式厭氧反應(yīng)器(SPFRD)。從餐廚

3、垃圾資源化處理的產(chǎn)業(yè)化角度出發(fā)，構(gòu)建了聯(lián)合產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷成套設(shè)備，而后進(jìn)行了產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷工藝試運行試驗。最終，采用對接種污泥進(jìn)行熱休克處理的手段來富集產(chǎn)氫菌，保證聯(lián)合產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷工藝的順利進(jìn)行。主要研究成果如下： (1)添加堿性廢水可緩沖體系的pH，對米飯和芹菜的產(chǎn)氫總量分別提高0.17倍和7.33倍。添加0.4 g碳酸鈣/40 g基質(zhì)后，米飯發(fā)酵，氫氣累積產(chǎn)量提高3.41倍。而對于雞蛋和肥肉產(chǎn)氫發(fā)酵而言，添加碳酸鈣未能顯著改善反應(yīng)體

4、系的產(chǎn)氫效果。對于米飯產(chǎn)氫發(fā)酵來說，NaCl添加濃度為3 g/L系列(合1.3×10—3g/kg底物)時的產(chǎn)氫效果最好，較不添加NaCl提高約37.8％。但對于不同底物進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵，其最佳的NaCl濃度有所不同。 (2)90％的含水率和添加適當(dāng)?shù)膲A性添加劑可促進(jìn)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程，氫氣產(chǎn)量提高81％。在礦化垃圾與堿性添加劑的協(xié)同作用下，對餐廚垃圾與污泥進(jìn)行聯(lián)合產(chǎn)氫發(fā)酵獲得最大的氫氣濃度為41％，氫氣產(chǎn)率為96.1mL/g

5、VS。水解反應(yīng)不是餐廚垃圾產(chǎn)氫發(fā)酵的限制性步驟，中間產(chǎn)物有機酸進(jìn)一步發(fā)酵轉(zhuǎn)化為氣相是產(chǎn)氫反應(yīng)的限制性步驟。 (3)污泥接種率為60％時，殘渣進(jìn)行靜態(tài)甲烷發(fā)酵獲得最高甲烷產(chǎn)率為441.31 mL/gVS。產(chǎn)氫殘渣動態(tài)甲烷發(fā)酵過程中，隨著殘渣進(jìn)料負(fù)荷增加，甲烷產(chǎn)生量先升高再下降。低負(fù)荷下，提高負(fù)荷量可提高甲烷產(chǎn)量，但負(fù)荷達(dá)到一定程度后，再增加負(fù)荷時，殘渣甲烷產(chǎn)量迅速下降。本次試驗得到殘渣甲烷動態(tài)發(fā)酵最大負(fù)荷為52 kg/L/d，此

6、時獲得甲烷平均產(chǎn)率為370.36 mL/gVS。 (4)逐漸增加負(fù)荷的進(jìn)料方式有利于小型滾筒式反應(yīng)器建立穩(wěn)定的產(chǎn)氫體系，維持較高的產(chǎn)氫能力。小型滾筒式反應(yīng)器最佳的運行工況為長徑比8：1、回流比0.5、轉(zhuǎn)速20 rpm。在此運行條件下，小型滾筒式反應(yīng)器內(nèi)氫氣濃度可穩(wěn)定在45％左右，產(chǎn)氫量可維持在100～120 mLH2/gVS水平，且可維持穩(wěn)定運行680 h(28 d)。與滾筒推流式厭氧反應(yīng)器相比，CSTR反應(yīng)器在產(chǎn)氫量、氫氣濃

7、度、持續(xù)時間、以及產(chǎn)氫速率方面，均與其存在較大差距，其中產(chǎn)氫量的差距達(dá)到了5倍以上。 (5)對10 L小型滾筒式產(chǎn)氫反應(yīng)器內(nèi)部揚板結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，開發(fā)出螺旋推流滾筒式厭氧反應(yīng)器(SPFRD)，其內(nèi)部物料流態(tài)呈螺旋推流式。在此基礎(chǔ)上，通過反應(yīng)器的比選構(gòu)建聯(lián)合產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷工藝。聯(lián)合產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷工藝試運行情況表明，雖然甲烷罐甲烷的濃度保持在58％以上，但由于物料特性的差異，添加堿性添加劑未能達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)氫效果，產(chǎn)氫罐氫氣的濃度基本維持在1

8、％左右，最高10％左右。搖瓶試驗表明，通過熱處理污泥富集產(chǎn)氫菌對于酸化程度高的現(xiàn)場餐廚垃圾產(chǎn)氫發(fā)酵是行之有效的途徑。 (6)在聯(lián)合產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷30 d的運行試驗中，SPFRD產(chǎn)氫罐內(nèi)氫氣的濃度基本保持在37～42％左右。進(jìn)料負(fù)荷為20 kg/m3/d、30 kg/m3/d、50 kg/m3/d餐廚垃圾時，產(chǎn)氫體系獲得的氫氣表觀產(chǎn)率分別為45.30 mLH2/gVS、40.04mLH2/gVS、28.71 mLH2/gVS。CST

9、R甲烷發(fā)酵罐內(nèi)，甲烷的濃度基本維持在50～55％左右。進(jìn)料負(fù)荷為17 kg/m3/d、25 kg/m3/d、42 kg/m3/d餐廚垃圾產(chǎn)氫出料時，CSTR甲烷罐獲得的甲烷表觀產(chǎn)率為216.32 mLCH4/gVS、189.42mLCH4/gVS和130.32mLCH4/gVS。SPFRD產(chǎn)氫罐內(nèi)體系的pH維持在4.5～5.5之內(nèi)：CSTR甲烷罐體系的pH基本維持在6.8～7.0左右。中試聯(lián)合產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷工藝可消除進(jìn)料負(fù)荷提高對pH的影響