有机负荷对餐厨垃圾厌氧消化性能影响及动力学分析 赵婉情.pdf

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:1000-1166(2023)04-0026-05DOI:-?qingYANGHong?LIUHaixinHANGBiaoSUNChunjiangYIWeihuaLIUJun/ChinaStateShip?,,,,,,(buildingCorporationEnvironmentalEngineeringCoLtdWuhanChina,430000,)Abstract:anicloadrateontheanaerobicdigestionsystemoffoodwaste,agradientexperimentwasconductedina50Lfullymixedanaerobicdigestionreactor(CSTR)-3-·,theModifiedGompertzmodelwasusedtostudythemethaneproductiondynamics-3-1ofdifferentfeedloads(1、2、3、4、5kgVS·md)werestudied,andthebiochemicalmethaneproductionpotential(BMP)(VFA)increasedwiththeincreaseofload,-3-1-·md,theVFAisabout2000mg·L,theacid?,andthevolumetricgas-·,:foodwaste;anicloadrate;icsofmethaneproduction在碳减排碳中和的背景下固体废物的减量具有高能量回收潜力是处理餐厨垃圾重要途径之 、,,化资源化和无害化已成为未来垃圾处理的首要原一、。则我国生活垃圾清运量逐年增加年增至餐厨垃圾与污泥和动物粪便的共消化已成为普。,2020亿吨[1],50%,高[2-3]若不对餐厨垃圾进行妥善处理会造成资的[5]主要原因是餐厨垃圾中含有的高蛋白导致氨。,,源浪费甚至是污染周围环境与堆肥等工艺相比抑制进而导致挥发性脂肪酸的积累影响反。,,(VFA)厌氧消化具有适应性强对环境的影响较小处理基应[6]为了实现厌氧消化稳定运行有机负荷通常、、。,质范围广等优势[4]生产的沼渣可用作生物肥料且较低[7]等研究的最适负荷为-3,,·m收稿日期修回日期:2022?11?10 :2023?01?17项目来源武汉市科技计划项目:(2020020602012146)作者简介赵婉情女硕士研究方向为有机废弃物资源化利用:(1995-),,,,E?mail:**********@ 通信作者阳红: ,E?mail:yanghong813@中国沼气ChinaBiogas2023,41(4)27-1曹秀芹[8]等研究餐厨垃圾湿式厌氧消化最佳有试验装置d, 机负荷为-3-·md。,1,50L数在系统稳定运行的前提下提高最佳有机负荷其中有效厌氧消化容积为高径比为,。CSTR,40L,本研究在混合式厌氧消化反应器中进材质为有机玻璃装置外侧设有水浴层夹层(CSTR)1∶1,。,行有机负荷的梯度实验通过分析反应器日产气量通过与水浴锅连接控制消化温度左右内部,、,38℃,吨产气量碱度等性能参数探讨不同负荷设置潜水搅拌器由于餐厨垃圾浆料比较粘稠采VS、VFA、,。,对消化系统运行的影响并确定最佳有机负荷开展用进料筒进行定量进料同时设置电动推杆实现自;,,批次生化产甲烷潜力试验研究不同负荷的动定时定量进料(BMP)。产甲烷动力学特性以期能促进中小型餐厨垃圾厌试验方法, 氧消化工程的快速推广本试验厌氧反应器持续运行运行阶段期。145d,间有机负荷从-3-· -3-1其负荷提高过程为kgVS·md,、、、试验材料-3- 、、、、·md,餐厨垃圾取自食堂餐厅进行人工筛选手工分运行时间不等期间检测消化液值总碱度以,,。pH、(拣出骨头鱼刺放入粉碎机粉碎调整含固率至计氨氮并通过流量计和沼气分析仪、,,CaCO3)、、VFA,左右粉碎后的餐厨垃圾密封保存于条件监测沼气产量和沼气成分所有指标都实时汇总到18%。4℃,下使用时提前从冰箱中取出放置室温下自然解高效厌氧消化工艺失稳预警和稳定调节系统内。,,。冻消化液取自余江鹰潭餐厨垃圾处理厂的餐厨垃分析方法。 圾消化液基本性质为浓度为-1试验过程涉及到的检测项目与分析方法见表,VFA800mg·L,。1。表检测项目与分析方法1 检测指标检测方法仪器厂家 烘干重量法电热鼓风干燥箱上海森信实验仪器有限公司TS105℃灼烧减重法箱式电阻炉天津天泰仪器有限公司VS600℃值玻璃电极法计雷磁pHpHPHS-25氨氮比色法紫外光度分光计上海美谱达仪器有限公司比色法紫外光度分光计上海美谱达仪器有限公司VFA碱度指示剂滴定法酸式滴定管———图反应器装置和进料装置图1 (BMP)本试验使用产甲烷模数据结合软件拟合计算出来ModifiedGompertz(MG)origin。型探究厌氧消化过程中有机物降解和产甲烷机制Rmaxe。PPmaxexpexp×λt模型的方程式如公式所示不同有机负荷的最=×[-(Pmax(-)+1)](1)(1),大产甲烷潜力最大产甲烷日产量和迟滞期等三项式中p为累计甲烷产量-1Pmax为最、:,mL·gVS;中国沼气ChinaBiogas282023,41(4)大产甲烷潜力-1R为最大甲烷日产量量升高而甲烷含量降低,mL·gVS;max,。-1-1λ为产甲烷迟滞期t为发酵时有机负荷日产气量甲烷含量mL·gVSd;,d;)间e为欧拉常数1-12068d,d;,。-66-3-/·64S1、2、3、4、5kgVS·md%/。BMP60量60(/。、NaOH,400mL020406080100120140装入的厌氧消化瓶和不同量原料后充分摇500mL时间/d匀用氮气吹扫置换顶部空气随即密封后浸,5min,图不同有机负荷下日产气量和甲烷含量变化图置于数显恒温水浴锅中进行中温批式厌2 (36±1)℃氧消化甲烷气体的收集采用溶液浓度容积产气率与吨产气量变化与分析。NaOH( VS排水集气法保证厌氧消化过程中产生的吨产气量和容积产气率随时间和有机负荷5%),CO2、VS等酸性气体能被溶液吸收排出的变化如图所示有机负荷从升至H2SNaOH,NaOH3。-3-1阶段吨产气量和容积产气率均随。BMPkgVS·mdVS量以及厌氧消化反应前后的样品的理化性质如着负荷的提高而波动上升负荷提高至-3,pH,·m值氨氮碱度等理化指标-1后容积产气率总体仍波动上升但吨产气、VFA、、。d,,VS量波动下降因为吨产气量不仅与产气量有2结果与讨论。VS 关也与进料量有关当负荷从升至,,-3- ·md400g600g,日产气量和甲烷含量随时间和有机负荷变化如但平均产气量从提高至左右仅提50%,59L69L,图所示在整个厌氧消化期间两者均波动变化高了因此吨产气量随有机负荷的提高而2。,,17%。VS变化趋势为随有机负荷的提高日产气量波动上升降低,。而甲烷含量随有机负荷的提高波动下降有机负荷吨产气量在负荷-3-1升至。·md从-3-1升至-3-1阶段-3-1阶段在3-···md800m·tVS,日产气量变化较大从升至左右而有升至-3-1阶段在3-1,;·md650m·tVS机负荷从升至-3-·md。-3-1阶段低于-1在负荷升至,80~110L,121·md1L·L,-3-1阶段处于-1与郭晓慧[9]。kgVS·md1~2L·L,甲烷含量除去第天外其余均在反应器在负荷-3-%,53%·md内小幅度变化甲烷含量随有机负荷每一阶为-1的研究结果相似在负荷升至~63%。·L;,5%)S右的情况例如第天天天甲烷含量增)-V)11,47、99、127d3---···,,((/V微减少导致的有机负荷从升至800/。(/-3-·-3-1阶段的高-3-·md4%,·。能是厌氧消化中产酸菌和产甲烷菌维持平衡时系统020406080100120140时间/d运行良好而继续提高负荷时水解酸化阶段快而产,,图不同有机负荷下吨产气量和容积产气率变化图甲烷阶段慢两类菌群平衡被打破造成二氧化碳含3 VS,,中国沼气ChinaBiogas2023,41(4)29-3-1后的阶段处于-1这比史现象有机负荷从-3-1增加至kgVS·md2~·L,,1kgVS·md5kgVS·绪川[10]等在负荷-3-1时最高容积产-3-·mdmd,%。气率-·L,,出现积累系统变得不太稳定产气并没随着在第天后产甲烷量开始有较大的区别反应第VFA,,6,15负荷增加而增多天后产甲烷能力均下降日产甲烷量下降可继续。,。 VFA是厌氧消化过程生成甲烷的中间产物它机负荷VFA,。,一[11]和碱度随时间和有机负荷变化如图模型可以很好描述不同负荷下餐厨垃圾厌氧消。VFA4MG所示两者变化趋势相反随负荷的提高波动化产甲烷过程表可知随负荷的增加最大产甲,,VFA。2,上升碱度随负荷的提高波动下降且上升幅烷量和最高产甲烷率均增加与周慧敏[13]等最高产,,VFA,度比碱度下降幅度大在负荷升至甲烷率先减少后增加的结论不同可能是因为周慧。,-3-1阶段低于-1在负荷敏等的研究所选定的负荷较大最低负荷达到kgVS·md1000mg·L,,-3-1阶段处于-1-3-·md1000~2000mg·L,kgVS·md,5在负荷-3-1后的阶段逐渐升至研究的最低值而与[14]·md4000;Dinh,-1碱度在-1波动负荷因为等的研究负荷与本试验均较小说明不同mg·L。13000~15000mg·L,Dinh,-3-1前在-·md14500mg·L,。5负荷升至-3-·md,5kgVS·降降至-1左右-3-1延滞期最高为天,13500mg·L。md,。当进料负荷超过-3-·md,系列1随之出现较大波动下降的变化系统内碱度的缓冲300系列2,系列3作用下降导致系统消化运行不稳定持续上L250系列4m,,VFA/[12]-1系列5升等认为小于且酸碱比量200。LIVFA3000mg·~。产-3-·md,VFA2000计100-1左右波动酸碱比在说明此负荷累mg·L,~,50是最佳运行负荷。0有机负荷VFA碱度05101520500015500时间/)1--4000图不同有机负荷下产甲烷数据及模型拟合效果)1m-) GM-·L14500SL·V3000g·(3结论/(/(2000/A (1)-3-·md,、020406080100120140气率和随着负荷的增加而波动上升其中容积时间/dVFA,产气率最后在-·L,VFA40004 VFA-1而吨产气量和碱度下降其中吨产mg·L;VS,VS不同负荷单位累积甲烷产量的动力学分析气量从运行开始的降至3- 1000650m·tVS。将各负荷累计产甲烷曲线采用进通过实验数据分析发现当有机负荷为Origin2019(2),行非线性曲线拟合拟合结果如图所得参数见表-3-1时餐厨垃圾厌氧消化系统中运,5,·md,其中系列代表负荷行效果最佳在-1左右波动酸碱比2,1、2、3、4、51、2、3、4、5kgVS·,VFA2000mg·L,-3-1由图可知个负荷下厌氧消化累在日产气量在容积产气率md。5,~,80~100L,积产量随着负荷的升高而提高并且未出现酸化抑制在-1系统达到最优运行状态2~·L,。中国沼气ChinaBiogas302023,41(4)表不同有机负荷下拟合参数2 名称系列系列系列系列系列12345-1Pmax/(mL·gVS)±±±±±-1-1Rmax/(mL·gVSd)±±±±±±±±±±-3-1的 (3)1、2、3、4、5kgVS·mdgestionofsourcesegregateddomesticfoodwaste:perform?试验模型适合描述厨垃圾厌氧消化过程anceassessmentbymassandenergybalance[J].Biore?BMP,MG,–每个负荷均存在延滞期且最大产甲烷量和最高产sourceTechnology,2011,102:612620.,曹秀芹袁海光丁浩等餐厨垃圾湿式厌氧消化甲烷率均随着负荷的增加而提高[8] ,,,.。最优有机负荷及失稳指标环境工程学报[J].,2018,参考文献:12(7):2123-[9] .[1] .[M].:,物学机理研究杭州浙江大学[D].:,2014:55-[10],,,.[2] ,,.“”应器处理餐厨垃圾中试研究中国环境科学圾处理现状及趋势能源与节能[J].,[J].,2022,04:63-2018,38(9):3447-[11]LIL,HEQ,WEIY,[3] ,,,.及其处理技术浅析以杭州市为例浙江农业学monitoringtheprocessfailureofanaerobicdigestionsys?—[J].报temoffoodwaste[J].BioresourceTechnology,2014,171:,2016,28(6):1055--494.[4] JandirPB,,SandraIM,?盛迎雪曹秀芹张达飞等猪粪干式厌氧消化系统[12],,,.perature,anicloadingrateontheper?稳定性及其耐氨氮机制分析中国沼气[J].,2017,35formanceofanaerobicdigestionoffoodwaste[J].Bio?(3):39-,2020,27:[13],,,.[5] ZhangL,?termanaerobicdigestionoffood含固厨余垃圾厌氧消化系统性能的影响环境科[J].wastestabilizedbytraceelements[J].WasteManage,学学报2012,32:1509-1515.,2020,40(10):3639-3650.[6] BanksCJ,ZhangY,JiangY,?[14],ChangSW,JeongSY,?quirementsforstablefoodwastedigestionatelevatedam?licsemi?continuousanaerobicdigestionoffoodwaste:Per?moniaconcentrations[J].BioresourceTechnology,2012,formanceevaluation,modifiedGompertzmodelanalysis,104:127-[J].EnergyConversionandManage?[7] BanksCJ,ChesshireM,HeavenS,?ment,2016,128:203-210.