餐廚垃圾厭氧消化特性及調(diào)控策略研究.pdf

1、隨著當(dāng)前社會(huì)能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益加劇，厭氧消化以集污染處理、能源回收和生態(tài)良性循環(huán)為一體的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為餐廚垃圾處理和資源化利用的首選方法。然而，大量研究表明餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)極易失衡，且失衡機(jī)制尚不明確，同時(shí)還缺乏對(duì)其消化性能的有效調(diào)控策略，嚴(yán)重限制了餐廚垃圾厭氧消化的發(fā)展和應(yīng)用。
　　為了破解以上難題，本論文首先研究了餐廚垃圾的批式和半連續(xù)式厭氧消化特性，將系統(tǒng)性能變化與產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的演化規(guī)律進(jìn)行關(guān)聯(lián)

2、分析，解析了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與產(chǎn)甲烷菌群落生態(tài)功能之間的交互作用。結(jié)果表明，餐廚垃圾半連續(xù)式厭氧系統(tǒng)在前50天低負(fù)荷(OLR:4gVS/L·day、HRT:20days)運(yùn)行時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，而在中等負(fù)荷(OLR:6gVS/L·day、HRT:15days)運(yùn)行約65天后，系統(tǒng)性能下降，VFA逐漸累積至26310.8mg/L，pH值降至4.0以下，VS去除率降至40％以下，產(chǎn)氣停止。在系統(tǒng)失衡階段，丙酸最先累積，濃度從0迅速提高至10000mg/

3、L以上。丙酸累積是導(dǎo)致VFA抑制的直接原因。在系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，特別是在失衡階段(Day129-155)，氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanoculleus和Methanobacterium的含量從16.5％和10.7％分別下降至0.2％和2.4％，幾乎消失殆盡，H2/CO2合成CH4的途徑受阻，導(dǎo)致系統(tǒng)氫分壓升高，阻礙丙酸代謝，引發(fā)丙酸累積。甲烷八疊球菌屬的增殖受阻，含量從最初的73.5％下降至4.7％，而

4、甲烷鬃菌屬的含量從9.7％上升至80.3％，成為優(yōu)勢(shì)菌種。產(chǎn)甲烷菌群落的多樣性也不斷下降，系統(tǒng)的生態(tài)功能逐漸退化，最終反應(yīng)終止。
　　為了調(diào)控餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)的性能，本論文考察了垃圾焚燒廠(chǎng)貯坑滲濾液對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的強(qiáng)化效應(yīng)，驗(yàn)證了這兩種有機(jī)廢物聯(lián)合厭氧消化的可行性，并對(duì)維持厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素進(jìn)行了探索。結(jié)果表明，貯坑滲濾液對(duì)餐廚垃圾批式厭氧消化有顯著的強(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)批式厭氧系統(tǒng)的初始底物濃度為20-20.5gVS/L時(shí)，基

5、質(zhì)中添加不同比例的貯坑滲濾液(5.6％、11.2％、22.1％)可使系統(tǒng)達(dá)到產(chǎn)氣峰值的時(shí)間分別縮短2、3、4天，甲烷產(chǎn)量提高1％、10％、16％，VS去除率從72.8％升至74.1％、75.9％、77.6％。當(dāng)貯坑滲濾液比例為22.1％時(shí)，批式系統(tǒng)的性能最優(yōu)。與貯坑滲濾液聯(lián)合厭氧消化可以解決餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性差的難題。聯(lián)合厭氧系統(tǒng)在低(OLR:4-4.1gVS/L·day、HRT:20days)、中(OLR:6.1-6.2g

6、VS/L·day、HRT:15days)、高(OLR:8.1-8.3gVS/L·day、HRT:10days)負(fù)荷階段保持了良好的性能，穩(wěn)定運(yùn)行218天。當(dāng)基質(zhì)中貯坑滲濾液比例為22.7％時(shí)，半連續(xù)式系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率為452.2-506.3mL/gVSadded，甲烷含量為64.2-65.5％，VS去除率為71.6-78.0％，性能最優(yōu)。添加金屬微量元素(Fe:100mg/L、Co:2.0mg/L、Mo:5.0mg/L、Ni:10.0mg

7、/L)可以使已失衡的餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，表明缺乏金屬微量元素是限制餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。與餐廚垃圾相比，貯坑滲濾液含有更豐富的金屬微量元素，能為厭氧微生物補(bǔ)充微量營(yíng)養(yǎng)素，因而確保了聯(lián)合厭氧系統(tǒng)良好的性能。本研究提出了一條餐廚垃圾和貯坑滲濾液共處置、共利用的途徑及一種通過(guò)金屬微量元素對(duì)已失衡的餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)實(shí)時(shí)恢復(fù)的方法。
　　鑒于金屬微量元素對(duì)厭氧系統(tǒng)的重要作用，本論文對(duì)金屬微量元素強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧消化的影響機(jī)

8、制進(jìn)行了解析。結(jié)果表明，金屬微量元素對(duì)餐廚垃圾批式厭氧系統(tǒng)存在“低促-高抑”效應(yīng)。Fe、Co、Mo、Ni元素的最佳劑量分別為100、1、5、5mg/L，系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量比不加金屬微量元素時(shí)分別提高了11.3％、12.4％、11.6％、14.0％。多種金屬微量元素的組合表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)。Fe(100mg/L)+ Co(1mg/L)+ Mo(5mg/L)+ Ni(5mg/L)組合的促進(jìn)效果最好，可使輔酶F420、F430的濃度、甲烷產(chǎn)量比

9、不加金屬微量元素時(shí)分別提高了52.8％、85.0％、35.5％。金屬微量元素對(duì)半連續(xù)式厭氧系統(tǒng)也有顯著的強(qiáng)化效應(yīng)，影響機(jī)制是:其一，維持產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不僅能確保甲烷八疊球菌屬始終優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，含量保持在67.2％-87.5％之間，而且能保證氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的活性維持在一定水平，含量穩(wěn)定在10％左右;其二，提高產(chǎn)甲烷菌群落的多樣性，確保產(chǎn)甲烷菌群落良好的生態(tài)功能和對(duì)環(huán)境變化良好的適應(yīng)能力。兩方面因素共同作用，消除了導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)失衡的限

10、制因素，因而顯著提高系統(tǒng)性能。投加金屬微量元素是調(diào)控餐廚垃圾厭氧消化性能的有效策略。
　　本論文的研究表明，餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的失衡機(jī)制是:在反應(yīng)前期，由接種泥帶入的大量金屬微量元素足以維持厭氧微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)，系統(tǒng)能在一段時(shí)間內(nèi)維持良好的性能，但由于餐廚垃圾中金屬微量元素的含量很低，隨著系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，金屬微量元素會(huì)不斷流失，直至無(wú)法滿(mǎn)足氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌合成多種金屬酶和甲烷八疊球菌屬生長(zhǎng)和代謝所需時(shí)，一方面會(huì)使氫營(yíng)養(yǎng)型

11、產(chǎn)甲烷菌利用H2/CO2合成CH4的代謝途徑受阻而活性下降，導(dǎo)致系統(tǒng)氫分壓升高，進(jìn)而抑制丙酸代謝，引發(fā)丙酸累積的抑制效應(yīng);另一方面會(huì)使甲烷八疊球菌屬的增殖受限而數(shù)量減少，優(yōu)勢(shì)菌種變?yōu)樾瘦^低的甲烷鬃菌屬。兩方面因素共同作用，導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)失衡。
　　在厭氧消化過(guò)程中，金屬元素會(huì)不斷向生物有效性較低的形態(tài)轉(zhuǎn)化，反應(yīng)20天后，F(xiàn)e、Co、Ni元素的水溶態(tài)含量從69.6％、40.0％、85.2％分別下降至12.3％、10.8％、35.5％

12、，酸溶態(tài)和可還原態(tài)的含量明顯增加。Mo元素的水溶態(tài)含量從88.8％下降至26.0％，可氧化態(tài)的含量從3.4％大幅增加至62.9％，這大大削弱了金屬元素的施用效果。因此，為了提高金屬元素的施用效果，本研究開(kāi)展了環(huán)境友好型螯合劑EDDS強(qiáng)化金屬元素生物有效性及減少金屬元素劑量的可行性研究。結(jié)果表明，EDDS能在一定程度上阻礙金屬元素由生物有效性最高的水溶態(tài)向其它形態(tài)轉(zhuǎn)化，使反應(yīng)中期Fe、Co、Mo、Ni元素水溶態(tài)的含量提高143.2％、36