餐廚垃圾厭氧消化特性及調控策略研究.pdf

1、隨著當前社會能源短缺和環(huán)境污染問題的日益加劇，厭氧消化以集污染處理、能源回收和生態(tài)良性循環(huán)為一體的獨特優(yōu)勢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)長期運行時極易失衡，且失衡機制尚不明確，同時還缺乏對其消化性能的有效調控策略，嚴重限制了餐廚垃圾厭氧消化的發(fā)展和應用。
　　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)甲烷菌群落結構和多樣性的演化規(guī)律進行關聯(lián)

2、分析，解析了系統(tǒng)運行狀態(tài)與產(chǎn)甲烷菌群落生態(tài)功能之間的交互作用。結果表明，餐廚垃圾半連續(xù)式厭氧系統(tǒng)在前50天低負荷(OLR:4gVS/L·day、HRT:20days)運行時相對穩(wěn)定，而在中等負荷(OLR:6gVS/L·day、HRT:15days)運行約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。丙酸累積是導致VFA抑制的直接原因。在系統(tǒng)長期運行過程中，產(chǎn)甲烷菌群落結構發(fā)生了巨大變化，特別是在失衡階段(Day129-155)，氫營養(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，最終反應終止。
　　為了調控餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)的性能，本論文考察了垃圾焚燒廠貯坑滲濾液對餐廚垃圾厭氧消化的強化效應，驗證了這兩種有機廢物聯(lián)合厭氧消化的可行性，并對維持厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵因素進行了探索。結果表明，貯坑滲濾液對餐廚垃圾批式厭氧消化有顯著的強化效應。當批式厭氧系統(tǒng)的初始底物濃度為20-20.5gVS/L時，基

5、質中添加不同比例的貯坑滲濾液(5.6％、11.2％、22.1％)可使系統(tǒng)達到產(chǎn)氣峰值的時間分別縮短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％。當貯坑滲濾液比例為22.1％時，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)長期運行穩(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)負荷階段保持了良好的性能，穩(wěn)定運行218天。當基質中貯坑滲濾液比例為22.7％時，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，能為厭氧微生物補充微量營養(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金屬微量元素對已失衡的餐廚垃圾厭氧系統(tǒng)實時恢復的方法。
　　鑒于金屬微量元素對厭氧系統(tǒng)的重要作用，本論文對金屬微量元素強化餐廚垃圾厭氧消化的影響機

8、制進行了解析。結果表明，金屬微量元素對餐廚垃圾批式厭氧系統(tǒng)存在“低促-高抑”效應。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。Fe(100mg/L)+ Co(1mg/L)+ Mo(5mg/L)+ Ni(5mg/L)組合的促進效果最好，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分別提高了52.8％、85.0％、35.5％。金屬微量元素對半連續(xù)式厭氧系統(tǒng)也有顯著的強化效應，影響機制是:其一，維持產(chǎn)甲烷菌群落結構穩(wěn)定，不僅能確保甲烷八疊球菌屬始終優(yōu)勢生長，含量保持在67.2％-87.5％之間，而且能保證氫營養(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)功能和對環(huán)境變化良好的適應能力。兩方面因素共同作用，消除了導致厭氧系統(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)長期運行的失衡機制是:在反應前期，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和代謝活動，系統(tǒng)能在一段時間內維持良好的性能，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)運行，金屬微量元素會不斷流失，直至無法滿足氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌合成多種金屬酶和甲烷八疊球菌屬生長和代謝所需時，一方面會使氫營養(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，導致系統(tǒng)氫分壓升高，進而抑制丙酸代謝，引發(fā)丙酸累積的抑制效應;另一方面會使甲烷八疊球菌屬的增殖受限而數(shù)量減少，優(yōu)勢菌種變?yōu)樾瘦^低的甲烷鬃菌屬。兩方面因素共同作用，導致厭氧系統(tǒng)失衡。
　　在厭氧消化過程中，金屬元素會不斷向生物有效性較低的形態(tài)轉化，反應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，本研究開展了環(huán)境友好型螯合劑EDDS強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)轉化，使反應中期Fe、Co、Mo、Ni元素水溶態(tài)的含量提高143.2％、36