单因素扰动下餐厨垃圾厌氧消化系统的失稳特征研究

摘要

餐厨垃圾由于含水率和有机成分含量高，具有容易腐败发臭的性质，若处理不当则会给人们的正常生活以及环境造成巨大的危害。同时，餐厨垃圾本身是一种含有巨大利用价值的资源，使用厌氧消化技术可以在处理餐厨垃圾的同时回收其中的资源，目前是处理餐厨垃圾的一种有效的技术。然而由于餐厨垃圾高蛋白、高盐和高有机质含量的特点，加上厌氧消化系统对于环境因素波动敏感的特点，使得餐厨垃圾在厌氧消化处理过程中往往容易出现盐抑制、氨抑制和超负荷抑制的问题，导致厌氧消化系统的失稳，最终造成系统产气性能下降。目前的诸多研究关于餐厨垃圾厌氧消化系统的盐抑制浓度、氨抑制浓度和有机负荷抑制浓度和对系统的影响差异性较大，原因在于在试验设计、使用的接种污泥和反应底物上，不同研究者都存在着差别。因此本研究使用配置的模化垃圾进行中温厌氧消化批次试验，研究不同浓度的Na+、氨氮和有机负荷单因素扰动对厌氧消化系统的产气性能，底物转化效率和理化参数等理化特征的影响，并结合一阶动力学模型、Modified Gompertz模型和Logistic模型对厌氧消化系统在盐抑制、氨抑制和超负荷抑制的产甲烷过程进行非线性拟合，根据模型拟合的效果和拟合参数在各抑制物扰动下系统的变化，进一步解释厌氧消化在超负荷、氨抑制和盐抑制下失稳的动力学特征。通过对厌氧消化系统在盐抑制、氨抑制和超负荷抑制下失稳过程的理化特征和动力学特征研究，以期为全规模厌氧消化反应器失稳诱因的寻找提供基础数据，并给实际餐厨垃圾厌氧消化厂的稳定运行调试提供一定的指导信息。
　　本研究主要内容包括：①盐抑制试验中，Na+浓度为2000、4000、6000、8000和10000、15000和20000mg·L-1时，系统的甲烷产率分别占对照试验组的94.46％、92.75%、84.10%、81.03%、77.80%、15.53%和10.55%，可见Na+浓度的升高会对餐厨垃圾厌氧消化的产气性能造成影响，导致系统内甲烷产率的下降。②氨抑制试验中，随着TAN浓度的升高，系统的甲烷产率逐渐下降，在TAN为1500、3000、4500、6000、7500、10000和20000 mg·L-1的反应器内，甲烷产率分别占对照试验组的84.67%、70.98%、63.76%、58.46%、58.02%、55.66%和5.74%。③负荷扰动试验中，OLR=2.5、5、10和15 g VS·L-1时，系统内的稳定性良好，甲烷产率都在理论产气量的95.21%以上，当OLR上升至20 g VS·L-1时，系统发生了明显的超负荷抑制，产甲烷率下降至36.02%。④盐抑制和氨抑制的厌氧消化反应系统内，随着Na+浓度和TAN浓度的升高，系统内会出现产气停滞现象，Na+浓度和TAN浓度越高，系统的产气停滞期越长，且氨抑制系统内的产气停滞期长于盐抑制系统内的产气停滞期；而在超负荷抑制的厌氧消化系统内，没有出现产气停滞现象。⑤厌氧消化系统内，反应器的 COD去除率与产甲烷率有十分相似的变化趋势，相比于VS去除率，COD去除率能更好的反应系统内的有机底物转化为甲烷的效率。⑥动力学模型拟合结果表明 Modified Gompertz模型可以非常好的拟合超负荷抑制系统内的产气过程（R2≥0.96）；而对于存在着产气停滞期的氨抑制和盐抑制系统，Logistic模型的拟合度比较理想。⑦餐厨垃圾厌氧消化系统内最容易和最先失稳的是产甲烷过程，在盐抑制、氨抑制和超负荷抑制试验里，随着抑制物浓度的增加，其产甲烷率总是最先下降并且数值最低，并且动力学模型参数Rmax也随之下降，表明在反应器发生失稳时，主要是产甲烷过程受到了严重抑制。⑧在超负荷抑制系统内，k/Rmax'未能呈现出随抑制物浓度升高而单调变化的趋势，但是在系统发生了超负荷抑制的反应器内（OLR=20 g·L-1），其k/Rmax'都远远高于正常运行时的 k/Rmax'值，因此在超负荷抑制系统内，可以根据 k/Rmax'数值的大小对厌氧消化系统的运行稳定性进行一定程度的判断。

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2厌氧消化产甲烷理论

1.3餐厨垃圾厌氧消化系统稳定性的研究进展

1.4动力学评价与厌氧消化过程稳定性

1.5研究意义、内容及技术路线

2 试验设计与测定方法

2.1试验材料

2.2试验设计

2.3试验指标测定方法

2.4 动力学模型

3 厌氧消化系统在单因素扰动下理化特征分析

3.1单因素扰动下厌氧消化系统产气性能的变化

3.2单因素扰动下厌氧消化系统底物转化效率的变化

3.3单因素扰动下厌氧消化系统状态参数的响应

3.4本章小结

4 厌氧消化系统在单因素扰动下动力学特征分析

4.1厌氧消化系统盐抑制失稳的动力学特征分析

4.2厌氧消化系统氨抑制失稳的动力学特征分析

4.3厌氧消化系统超负荷失稳的动力学特征分析

4.4本章小结

5 结论与建议

5.1主要研究结论

5.2进一步研究的建议

致谢

参考文献