餐厨垃圾生物质能化研究

3.0 牛悦 2024-11-11 6 4 3.19MB 61 页 15积分

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摘要

随着我国经济社会的发展，城市中餐厨垃圾的产生量逐渐增加，对城市环境

和人类健康造成了严重的威胁，餐厨垃圾与污水污泥共消化技术是解决这一问题

的重要方法，一方面餐厨垃圾与污水污泥混合是一种“互惠”，另一方面已有的污

泥厌氧消化技术为餐厨垃圾生物质能化利用提供了坚实的基础，这为城市有机固

体废弃物资源化提供了一种新途径。

本文采用中温两相厌氧消化工艺，考察了餐厨垃圾与污水污泥不同 TS（Total

Solids）混合比（1:3 和1:1）条件下的运行效果。按照混合比例的不同，试验分为

两个阶段，每一阶段中，首先进行产酸试验，考察不同 SRT（Sludge Retention Time）

（1d/3d/5d）条件下的产酸效果，选出最佳 SRT，之后进行两相试验，考察不同 SRT

条件下的两相厌氧消化效果，其中产酸相的 SRT 为产酸试验中选出的最佳 SRT，

产甲烷相的 SRT 为5d/10d/20d/30d，分别对应四个不同的产甲烷反应器。

试验结果表明，混合比例为 1:3 时，SRT=1d 的产酸反应器水解酸化效果最佳，

SCOD（Soluble Chemical Oxygen Demand）浓度比进泥有所升高，VFA（Volatility

Fatty Acid）浓度是进泥的 3.01~4.26 倍，且酸组分中乙酸含量最多；混合比例为

1:1 时，SRT=5d 的产酸反应器水解酸化效果最佳，SCOD 浓度高于进泥，VFA 浓

度是进泥的 2.81~4.26 倍，并且酸组分中乙酸含量最多。

混合比例为 1:3 时，四个产甲烷反应器产气中甲烷含量平均值介于

64.69%~66.92%， SRT=20d 的产甲烷反应器有机物去除率最高，SCOD 去除率达

92.04%，VFA 与碱度的比值最小，系统最稳定，并且产气效率最高，沼气比产率

SGP（Specific Gas Productions）和甲烷比产率 SMP（Specific Methane Productions）

分别为 1.01 L/gVS 和0.68 L/gVS；混合比例为 1:1 时，四个产甲烷反应器产气中甲

烷含量平均值介于 69.71%~73.44%，SCOD 去除率基本都大于 90%，SRT=20d 的

产甲烷反应器有机物去除效果最高，VS（Volatile Solids）和 TCOD（Total Chemical

Oxygen Demand）去除率分别达到了 50.17%和56.13%，SRT=10d 的产甲烷反应器

产气率最高，SGP 和SMP 分别达到 1.97 L/gVS 和1.45L/gVS。

餐厨垃圾与污水污泥共消化时，与混合比为 1:3 条件下的效果相比，混合比为

1:1 时的两相厌氧消化系统能够在较短的 SRT 条件下获得较高的有机物去除效率。

关键词：餐厨垃圾污水污泥中温两相厌氧共消化

ABSTRACT

With the development of our society and economy, the production of food waste in

cities increased gradually, which caused serious threat to the urban environment and

human health. Co-digestion of food waste and sewage sludge, which was not only a

kind of "reciprocity", but also had a solid foundation built by the existing sludge

anaerobic digestion technologies, was one of the effective methods to solve this

problem and provided a new way to reuse the organic solid waste for the city.

Under different mixing TS ratios of food waste and sewage sludge (1:3 and 1:1),

we investigated the co-digestion effect of two-phase mesophilic anaerobic digestion

process. This experiment was divided into two stages depending on the different mixing

ratios. During each stage, acid-producing test conducted firstly. Under the condition of

different residence times (1d/3d/5d), acid-producing effect was compared, and the best

residence time was selected. Then two-phase anaerobic digestion experiment was

carried out to inspect the effect of co-digestion. The acidogenic reactor was of the best

residence time obtained in the acid-producing test and residence time of four

methanogenic reactors were 5d/10d/20d/30d, respectively.

The results showed that acidogenic reactor with SRT=1d got the best acidification

effect when the mixing ratio was 1:3, comparing to the raw sludge, SCOD concentration

increased, VFA concentration was 3.01~4.26 times higher, and acetic acid component

was the most abundant; When the mixing ratio was 1:1, the acidification effect of

acidogenic reactor with SRT=5d was best, comparing to the raw sludge, SCOD

concentration was also increased, VFA concentration was 2.81~4.26 times higher, and

the most abundant acid content was also acetic acid.

When the mixing ratio was 1:3, methane content average value of biogas generated

by four reactors was between 64.691% ~ 66.92%. The methanogenic reactor with

SRT=20d got the highest removal rate of organic matter accompanied by as high as

92.04% of SCOD. Its system was the most stable one with the the minimum ratio of

VFA/alkalinity and its gas-producing efficiency was the highest with 1.01L/gVS of

specific gas productions (SGP) and 0.68 L/gVS of specific methane productions gas

(SMP); When the mixing ratio was 1:1, methane content of biogas was between

69.71%~73.44% produced by four reactors, whose removal rate of SCOD was almost

III

more than 90%. The organic matter removal efficiency of methanogenic reactor with

SRT=20d was the highest of all, and its VS and TCOD removal rate reached 50.17%

and 56.13%, respectively. The gas-producing efficiency of methanogenic reactor with

SRT=10d was the highest with 1.97 L/gVS of SGP and 1.45 L/gVS of SMP,

respectively.

By comparation with the co-digestion effect of food waste and sewage sludge

when the mixing ratio was 1:3, the two-phase anaerobic digestion system was able to

got high organic matter removal efficiency in a short residence time when the ratio was

1:1.

Key Word：Food waste, sewage sludge, mesophilic, two-phase

anaerobic co-digestion

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................. 1

1.1 课题背景 ......................................................................................................... 1

1.2 餐厨垃圾厌氧消化研究现状 ......................................................................... 2

1.2.1 餐厨垃圾厌氧消化影响因素研究 ...................................................... 2

1.2.2 餐厨垃圾厌氧消化存在问题 .............................................................. 5

1.3 污水污泥厌氧消化研究现状 ......................................................................... 6

1.3.1 污水污泥厌氧消化预处理方法研究 .................................................. 6

1.3.2 污水污泥厌氧消化影响因素研究 ...................................................... 8

1.3.3 污水污泥厌氧消化存在问题 ............................................................ 13

1.4 餐厨垃圾与污水污泥共消化研究现状 ....................................................... 14

1.5 研究意义、目的和内容 ............................................................................... 15

1.5.1 研究意义 ............................................................................................ 15

1.5.2 研究目的 ............................................................................................ 17

1.5.3 研究内容 ............................................................................................ 17

第二章两相厌氧工艺基本原理与特点 ................................................................... 18

2.1 厌氧处理基本理论 ....................................................................................... 18

2.2 两相厌氧工艺基本原理 ............................................................................... 19

2.3 两相厌氧消化工艺特点 ............................................................................... 22

2.3.1 动力学控制法 .................................................................................... 22

2.3.2 物理化学方法 .................................................................................... 22

2.4 产酸相发酵类型 ........................................................................................... 23

2.4.1 乙醇型发酵 ........................................................................................ 24

2.4.2 丁酸型发酵 ........................................................................................ 24

2.4.3 丙酸型发酵 ........................................................................................ 24

2.5 产甲烷相物质转化规律 ............................................................................... 25

第三章试验装置与试验方法 ................................................................................... 26

3.1 试验装置 ....................................................................................................... 26

3.2 试验材料 ....................................................................................................... 26

3.2.1 试验材料制备 .................................................................................... 26

3.2.2 试验底物分析 .................................................................................... 27

3.3 分析测定方法 ............................................................................................... 28

3.3.1 指标测定方法 .................................................................................... 28

3.3.2 试验仪器 ............................................................................................ 31

3.4 试验方案 .......................................................................................................... 32

第四章餐厨垃圾与污水污泥两相共消化产酸相研究 ........................................... 35

4.1 产酸相初步研究 ......................................................................................... 35

4.2 pH 变化 ....................................................................................................... 36

4.3 水解效率分析 ............................................................................................... 36

4.4 产酸效果分析 ............................................................................................... 37

4.4.1 产酸量分析 .......................................................................................... 37

4.4.2 酸组分分析 .......................................................................................... 38

4.5 产气变化 ....................................................................................................... 39

4.6 本章小结 ....................................................................................................... 40

第五章餐厨垃圾与污水污泥两相共消化产甲烷相研究 ....................................... 41

5.1 产甲烷反应器的启动 ................................................................................... 41

5.2 pH 变化 ......................................................................................................... 41

5.3 系统稳定性分析 ........................................................................................... 42

5.3.1 碱度变化 .............................................................................................. 42

5.3.2 VFA 变化............................................................................................... 43

5.3.3 VFA/碱度的变化 .................................................................................. 44

5.4 有机物去除分析 ........................................................................................... 45

5.4.1 产甲烷相分析 ...................................................................................... 45

5.4.2 两相分析 .............................................................................................. 46

5.5 产气分析 ....................................................................................................... 47

5.5.1 产气中甲烷含量变化 .......................................................................... 47

5.5.2 产气率分析 .......................................................................................... 49

5.6 本章小结 ....................................................................................................... 50

第六章结论与展望 ................................................................................................... 51

参考文献 ........................................................................................................................ 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 57

致谢 ............................................................................................................................ 58

第一章绪论

1.1 课题背景

餐厨垃圾通常是指餐馆、学校食堂和家庭在日常生活过程中所产生的食物垃

圾，是城镇中生活垃圾的重要组成部分之一，它主要包括居民消费过程中的产生

的极易腐烂变质的剩菜剩饭[1]，其主要成分包括食物淀粉类、蛋白质类、纤维类、

动物脂肪类等有机物质。

近年来随着我国国民经济持续快速发展，人民生活水平得到了很大程度的提

高，城市餐厨垃圾产生量随之逐年增加，公开数据显示，2007 年至 2011 年，我国

餐饮业零售额年均复合增长率高达 19%，相伴而生的是，我国餐厨垃圾产生量已

接近 4000 万吨/年。而随着我国人口的增加、餐饮业的持续快速发展，餐厨垃圾产

生量也将逐年增长，每年的增速预计将在 10%以上。与之形成鲜明对比的是，目

前我国餐厨垃圾处理能力为 300 万吨/年，有效处理的比率还不足 10%。餐厨垃圾

得不到有效处理，会严重影响我们的生存环境质量。

餐厨垃圾产生的危害主要有以下几个方面：

1. 影响城市市容和人居环境。从感观性状来说，餐厨垃圾表现为油腻、湿淋

淋，影响人的视觉和嗅觉的舒适感和生活卫生。很高的含水率和有机组分，使得

其成为微生物存在的“天然乐园”，同时高含水率导致垃圾运输与处理难度增大。

另外，餐厨垃圾会增加填埋场的产气和渗滤液的析出，这会污染地表水和地下水。

2. 作为饲料喂养家畜，也就说俗称的“泔水猪”。目前，在我国相当多的省、

市及欠发达地区的广大农村、城市郊区和相毗邻的农区广大饲养户、农民朋友普

遍用餐厨垃圾（泔水、潲水)饲养畜禽，特别是喂猪已成为一种传统习惯，这是众

所周知的现实。餐厨垃圾被猪食用后，有害物质蓄积在猪的脂肪、肌肉等组织里，

人食用了这样的猪肉达到一定程度后，就会导致肝脏、肾脏等系统免疫功能下降。

3. 废弃食用油脂所产生的危害。在暴利的驱使下，一些不法商贩回收餐厨垃

圾产生过程中的潲水，通过加热，过滤，蒸馏等一系列手段提取油脂。然后利用

这些所谓的“地沟油”，卖给一些小的食品经营点、餐馆等来牟取暴利。

最近的科学研究指出，随着人类社会的发展，许多新出现的传染病与动物有

关，人的 60％的传染病来源于动物。例如我们所熟知的“疯牛病”，SARS 和禽流

感。以疯牛病为例子，本世纪 80 年代在英国的出现的疯牛病给整个欧洲的养牛业

带来灭顶之灾，所造成的经济损失已经高达 90~140 亿美元，甚至被人们认为延缓

餐厨垃圾生物质能化研究

了全球经济复苏的脚步。

餐厨垃圾具有显著的危害和资源的二重性，其特点可归纳为：

(1)含水率高，可达 80% - 95%；

(2)盐分含量高、部分地区含辣椒、醋酸高；

(3)有机物含量高、蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等；

(4)富含氮、磷、钾、钙及各种微量元素；

(5)存在有病原菌、病原微生物；

(6)易腐烂、变质、发臭、滋生蚊。

我国餐厨垃圾具有高含水率、高盐分和高有机质含量的特点[2]，如果进行焚烧，

不但使发热量达不到发电要求，而且会产生二恶英等有害物质；如果进行掩埋，

会污染地下水和大气环境；使用餐厨垃圾养猪更不可取，因为餐厨垃圾容易滋生

病菌，会在牲畜体内集聚，通过食物链转移至人体，对人们身体健康造成危害。

一方面是餐厨垃圾数量日益增长的现实，另一方面是常规的垃圾处理方式无

法合理有效地对其进行转化和利用。所以寻求餐厨垃圾的无害化处理方法成为研

究人员的重要课题。

厌氧消化工艺是固体废弃物处理中常用的方法，能够在降低固体废弃物中有

机物含量实现固体废弃物无害化处理的同时，回收生物质能。所以，使用厌氧消

化工艺处理餐厨垃圾是目前的研究热点。

1.2 餐厨垃圾厌氧消化研究现状

1.2.1 餐厨垃圾厌氧消化影响因素研究

 温度

温度对餐厨垃圾厌氧消化效果有重要影响。赵杰红等[3]考察了餐厨垃圾在

25℃、37℃、40℃、50℃四个不同温度条件下的水解酸化效果。试验结果表明，

37℃为最佳温度，此时 VFA 浓度达到 34.4g/L，在小于最优温度的范围内，水解率

和酸化率与温度成正比，超过最优温度，酸化率下降，水解率继续增加，50℃时，

水解率达到最大值 82%。

 总固体含量和稀释率

许晓晖等[4]研究了 10%、12%、14%三种不同初始 TS 含量和 0.25d-1、0.33d-1

两种不同稀释率对餐厨垃圾水解酸化过程的影响，结果表明含固率为 14%时，系

统pH 较低，不利于水解酸化过程的进行；稀释率 D=0.33d-1，起始 TS=12%时，单

位体积反应器累积 COD 溶出量达到 49.7g/L，总固体去除率达到 50%，pH 最稳定，

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摘要：

I摘要随着我国经济社会的发展，城市中餐厨垃圾的产生量逐渐增加，对城市环境和人类健康造成了严重的威胁，餐厨垃圾与污水污泥共消化技术是解决这一问题的重要方法，一方面餐厨垃圾与污水污泥混合是一种“互惠”，另一方面已有的污泥厌氧消化技术为餐厨垃圾生物质能化利用提供了坚实的基础，这为城市有机固体废弃物资源化提供了一种新途径。本文采用中温两相厌氧消化工艺，考察了餐厨垃圾与污水污泥不同TS（TotalSolids）混合比（1:3和1:1）条件下的运行效果。按照混合比例的不同，试验分为两个阶段，每一阶段中，首先进行产酸试验，考察不同SRT（SludgeRetentionTime）（1d/3d/5d）条件下的产...

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