综合应用厌氧消化工艺处理餐厨垃圾的研究

摘要

经济的发展促进了生活水平的改善，也增加了餐厨垃圾的生成量，这不仅为环保问题带来巨大的压力和难度，同时餐厨垃圾的产生还伴随着生物质能的消耗，造成浪费。以往人们在对餐厨垃圾进行处理时，往往会造成二次污染，从而影响到环境。厌氧消化技术可通过微生物作用，促使餐厨得到分解，从而实现能量转化，生成甲烷，促使生物质能得到有效利用。但是现阶段的餐厨垃圾厌氧消化技术也面临着四个主要的问题:
　　(1)餐厨垃圾预处理问题，特别是高油脂含量底物的预处理问题;
　　(2)厌氧消化工艺运行稳定性问题，即如何建立参数体系和选取评价指标以保证厌氧消化工艺的连续稳定运行;
　　(3)厌氧消化沼液处理问题，即如何实现餐厨沼液的无害化处理;
　　(4)剩余污泥综合利用问题，即如何有效提高剩余污泥可生化性和提高废弃有机质的综合利用率。
　　基于以上问题，本文重点进行了高油脂含量底物的预处理，厌氧消化工艺稳定运行和沼液及剩余污泥的处理等研究，使餐厨垃圾的可生化性进一步提高，同时对沼液和剩余污泥进行深度处理，降低了工艺本身对环境破坏的影响，提高了整体资源的综合利用效率。主要工作如下:
　　1、为了提高餐厨垃圾中油脂的降解程度，增加生物气产量，将耦合了生物-物化的预处理方法应用于厌氧消化系统中。研究发现引入油脂降解菌可以提高油脂废水厌氧消化的效率。同时，引入超声和柠檬酸可以增加甲烷产量和提高油脂废水发酵效果。实验发现超声预处理可以提高初始阶段的甲烷产量，柠檬酸预处理则可以在随后的阶段中将较高的产甲烷趋势维持下去。实验分析表明，在油脂降解菌接种率为9％，超声时间为10min和柠檬酸浓度500mg/L下可实现最大的甲烷产量，为1100ml/gVS，是未经处理时的2.8倍，证明该处理方式可以有效促进油脂废水的降解。
　　2、针对餐厨垃圾单相厌氧消化系统极易酸化，长期运行缺乏有效监控指标，极易导致发酵失败的问题，本文在中温条件下利用单相厌氧消化反应器进行了中试规模的启动和连续式单相厌氧消化系统运行试验。选取碱度作为评价厌氧消化系统稳定性的评价指标，同时考查该指标在系统长期稳定运行中对系统环境的调控作用。结果表明，本试验在启动及连续稳定运行时，碱度变化较于其他传统参数变化更加灵敏，适于作为调控指标。系统稳定运行后，底物总负荷可以达到12.9kg/m3/d，甲烷浓度可达到70％，生物气产率可达0.54m3/kg VS。与启动初期相比底物处理能力提高1.9倍，沼气产率提高1.2倍，厌氧消化系统启动成功并且可以连续稳定运行270d以上，同时还能实现较高的经济收益。
　　3、为了解决沼液处理问题，本文进行了厌氧折流板反应器(ABR)工艺的考查。针对前期隔室酸化严重，后期隔室底物匮乏等问题，对反应器进行了改造并优化了进水工艺。实验结果表明，分区进料为6∶3∶1时反应器性能最佳，其死区占比仅为8.17％。反应器内污泥颗粒形成良好，菌落丰度高，分布较为合理。进水COD为4000-5000mg/L时，COD去除率在90％-95％之间，TN去除率约在60-70％间，其他主要参数也均达到工艺要求，但尚不能直接排放，需要进一步深度处理。
　　4、针对沼液的进一步深度处理问题，本文采用了膜生物反应器(MBR)处理工艺。研究采用“搅拌-曝气”方式替代原有曝气方式运行，考查了外加连续搅拌对膜生物反应器MBR的运行效果的影响，研究发现，在外加连续搅拌下，MBR在COD和氨氮去除以及处理效率方面均优于无搅拌。其COD和氨氮去除率分别提升至95％和96％，出水COD降为40-60mg/L，符合国家一级排放标准，膜通量提升至14.68L/h*m2，是无搅拌下的3倍。同时发现连续搅拌下的污泥颗粒具有更大的比表面积和更多的附着位点。对于减小反应器占地面积，提高反应器运行效率和减小餐厨渗滤液处理费用来说具有较大优势。
　　5、针对剩余污泥综合利用问题，本文基于微波和柠檬酸盐的协同作用，在剩余污泥的厌氧消化预处理阶段引入微波和柠檬酸盐耦合工艺，研究发现污泥的降解特性和产能特性得到显著提高，在微波功率20MJ/kg TS和柠檬酸钠浓度0.11g/g TS下，剩余污泥的生化甲烷能力达到218.88ml/g VS，比空白组提升了147.7％。实验发现，微波可对微生物絮体及微生物细胞进行破解，使胞内和EPS中的有机物得到快速释放，从而有利于进一步水解;而柠檬酸盐可通过解絮凝作用破坏紧密/松散联结型的EPS，进一步促进微波对EPS的破解作用。结果表明，微波和柠檬酸盐的协同作用将显著提高剩余污泥的厌氧消化预处理效果，提高剩余污泥的有效利用。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1．1 餐厨垃圾排放量

1．1．2 餐厨垃圾特征

1．1．3 国内外餐厨垃圾排放状况

1．2 厌氧消化技术

1．2．1 活性污泥概述

1．2．2 厌氧消化原理

1．2．3 影响厌氧消化的因素

1．3 厌氧消化预处理技术

1．3．1 物理化学法预处理

1．3．2 超声法预处理

1．3．3 柠檬酸预处理

1．4 沼液处理技术

1．4．1 厌氧折流板反应器

1．4．2 膜生物反应器

1．5 剩余污泥预处理技术

1．5．1 热预处理技术

1．5．2 酸碱预处理技术

1．5．3 微波预处理技术

1．5．4 柠檬酸盐预处理技术

1．6 研究目的和研究内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

第二章 超声柠檬酸联用油脂降解菌预处理高油脂底物

2．1 实验材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．1．3 分析方法

2．2 实验结果与讨论

2．2．1 接种方式对油脂处理效果的影响

2．2．2 接种量对油腊处理效果的影响

2．2．3 超声柠檬酸联用对油脂处理效果的影响

2．2．4 超声柠檬酸联用预处理优化

2．3 本章小结

第三章 餐厨垃圾厌氧消化系统恢复及稳定运行的调控

3．1 实验材料与实验方法

3．1．1 实验工艺路线

3．1．2 实验材料

3．1．3 实验启动及运行

3．1．4 分析方法

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 启动阶段及稳定性评价指标

3．2．2 稳定运行阶段指标变化

3．2．3 日常运行经济评价

3．3 本章小结

第四章 餐厨垃圾厌氧消化沼液的O／ABR处理工艺研究

4．1 实验材料与实验方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验方法

4．1．3 分析方法

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 COD去除效果比较

4．2．2 水力特征分析比较

4．2．3 污泥颗粒形态分析

4．2．4 总细菌种群结构分析

4．3 本章小结

第五章 餐厨垃圾厌氧消化沼液的MBR深度处理工艺研究

5．1 实验装置与实验方法

5．1．1 实验装置

5．1．2 MBR工艺

5．1．3 分析方法

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 外加连续搅拌对MBR膜组件性能的影响

5．2．2 外加连续搅拌对MBR工艺有机物降解的影响

5．2．3 外加连续搅拌对MBR中污泥颗粒形态的影响

5．3 本章小结

第六章 微波柠檬酸钠联用法预处理厌氧消化剩余污泥

6．1 实验材料与实验方法

6．1．1 实验材料

6．1．2 实验方法

6．1．3 分析方法

6．2．实验结果与讨论

6．2．1 微波柠檬酸钠联用预处理工艺对剩余污泥性质的影响

6．2．2 微波柠檬酸钠联用预处理工艺对剩余污泥厌氧消化的影响

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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