餐厨垃圾两相厌氧发酵氨氮特性与控制方法研究

【摘要】餐厨垃圾以有机组分为主,通过厌氧发酵工艺将其转化为氢气、甲烷是能源化处置的重要方式之一。餐厨垃圾厌氧发酵中氮的控制有其重要的特殊性,发酵时有机氮不断氨化,控制对象不稳定,且反应体系内产氢菌和产烷菌特性殊异,协同控制难。本文对餐厨垃圾厌氧发酵独立产氢、独立产烷以及两相联产氢气和甲烷过程中的氨氮抑促特性进行研究,并针对餐厨垃圾厌氧发酵氮抑促特性,研究适于两相厌氧发酵的氨氮调控方法。主要结论如下：1)获取了氨氮控制水平与餐厨垃圾厌氧发酵氢气生产之间的相关关系。通过联合控制餐厨垃圾与接种污泥配比(Feedstock/Inoculum,F/I)及氨氮水平,可有效抑制产甲烷菌同时促进产氢菌,成功实现厌氧发酵生物制氢。低浓度氨氮对餐厨垃圾厌氧发酵产氢有促进作用。在产氢效果最佳的F/I(F/I=3.9)下,0.5-6.0g/L氨氮添加浓度对氢气生产具有促进作用,氨氮添加浓度为3.5g/L时获得最高氢气产量(121.4mL/gVS),相比未添加氨氮时提高57.3%。高浓度氨氮对餐厨垃圾厌氧发酵产氢有显著的抑制作用。氨氮添加浓度超过6.0g/L开始呈现抑制产氢,7.5和10.0g/L的氨氮添加浓度分别引起氢气产量减少14.3%和58.7%。2)获取了氨氮以及硝氮联合氨氮控制水平与餐厨垃圾厌氧发酵甲烷生产之间的相关关系。低浓度氨氮对产烷有一定的促进作用,高浓度氨氮对产烷有显著的抑制作用。在6.7gVS/L有机负荷下,氨氮添加浓度为0.5g/L时,甲烷产量提高5.1%；1.54g/L总氨氮浓度(氨氮添加浓度1.0g/L)被认定为氨抑制浓度阈值,氨氮浓度高于该阈值时,甲烷生产呈现受抑制状态,批式产烷过程中需调控总氨氮浓度≤1.54g/L。在产烷氨氮抑促特性研究基础上,试验评估了应用硝化工艺脱除循环厌氧发酵系统中高浓度氨氮的可行性。通过向厌氧发酵系统投加硝氮和氨氮,模拟发酵余液经硝化处理后回流至发酵系统以稀释氨氮浓度至特定水平。试验发现,在氨氮添加浓度为1.0g/L条件下,100-750mg/L硝氮可提高甲烷产量,但硝氮添加浓度高于1.0g/L时,甲烷生产受到抑制。在带有发酵余液回流的循环厌氧发酵系统中,硝化工艺具有很大的潜力,可用于脱除总氨氮浓度小于2.29g/L餐厨垃圾发酵余液中的氨氮。但当发酵余液中总氨氮浓度高于2.29g/L时,硝化工艺将不再适用于脱除系统中的氨氮,因为氨氮将被硝氮／亚硝氮所替代,而硝氮／亚硝氮在达到一定浓度时同样对产甲烷菌具有抑制作用。3)比较研究了餐厨垃圾与园林垃圾混合干湿发酵的产气性能及氨氮抑促特性。餐厨垃圾与园林垃圾混合发酵确认具有协同效应,增加原料中餐厨垃圾的百分比可提高甲烷产量,而增加原料中园林垃圾的百分比可缩短发酵保留时间。15%和20%TS干式发酵试验组的甲烷产量高于湿式发酵(5%和10%TS),而当TS含量增至25%时,甲烷产量显著下降。干式发酵反应体系内总氨氮浓度远高于湿式发酵,具有更大的潜力发生氨抑制现象。25%TS干式发酵下总氨氮浓度高达4.2g/L,引发了对产甲烷菌的初始抑制。餐厨垃圾与园林垃圾混合批式发酵试验中,不同混合配比下最终总氨氮浓度无显著差异。连续发酵试验中,以餐厨垃圾为单一原料发酵系统内的总氨氮浓度远高于以餐厨垃圾混合园林垃圾为原料的试验组,且当总氨氮浓度累积至高于1912mg/L时,甲烷生产受到抑制。在高有机负荷率下,餐厨垃圾与园林垃圾混合发酵相比于餐厨垃圾单一发酵具有更高的稳定性和氨氮耐受性。4)获取了氨氮控制水平与餐厨垃圾两相厌氧发酵氢烷生产之间的相关关系。控制产氢相有机负荷率为9.4gVS/(L·d),水力停留时间为4d,回流比为1.0,产烷相水力停留时间为20d,成功实现两相联产氢气和甲烷。产氢相氢气产量为47.7mL/gVS,产烷相甲烷产量达335.0mL/gVS.低浓度氨氮(<4044mg/L)对产氢相中的氢气生产有一定的促进作用,高浓度氨氮(>4044mg/L)对产氢有显著的抑制作用。总氨氮浓度为4256mg/L时,氢气产量减少51.8%,总氨氮浓度为4972mg/L时,氢气生产完全停止,且在高浓度氨氮下,产氢和产酸微生物均遭受严重的氨抑制作用。产烷相在经受总氨氮浓度低于5800mg/L的急性抑制作用后,可恢复到与受抑制前相当的产气水平。总氨氮浓度高于6200mg/L时,甲烷生产性能只能恢复至低于正常产气的水平。产烷相在长期经受高浓度氨氮(>6200mg/L)慢性抑制作用时,甲烷生产受到显著抑制,总氨氮浓度为9836mg/L时,甲烷产量减少53.2%。利用扩展的Monod方程可较好的模拟氨氮对甲烷生产的影响(R2=0.959)。联合调整水力停留时间、回流比以及利用稳定产气阶段留存的产烷相发酵余液置换发酵内容物,可有效调控两相系统中的总氨氮浓度降低至与氨抑制浓度阈值相当或以下的水平。经总氨氮浓度调控后,产氢相成功恢复氢气生产性能,产烷相在经受氨氮的慢性抑制作用后未能随总氨氮浓度的降低而恢复产气性能。
【作者】陈祥；
【导师】盛奎川；
【作者基本信息】浙江大学，生物系统工程，2014，博士
【关键词】餐厨垃圾；厌氧发酵；氨氮；两相工艺；氢气；甲烷；氢烷；

【参考文献】
[1]陈洋.耐盐菌的驯化筛选及其在环氧丙烷生产废水中的应用[D].中北大学,环境工程,2014,硕士.
[2]卜丹.论“文革”前《档案工作》对档案事业的几点重要贡献[D].辽宁大学,档案学,2012,硕士.
[3]王旭.影响轨道车辆塞拉门安全性因素的研究[D].吉林大学,车辆工程,2014,硕士.
[4]B·S·弗劳尔斯.勘探地球物理学综合评述——在地球物理学和认识挑战性的新问题上的最新突破[J].石油地球物理勘探,1976,S1:10.
[5]张昭遂,孙元章,李国杰,程林,林今.超速与变桨协调的双馈风电机组频率控制[J].电力系统自动化,2011,17:20-25+43.
[6]马雪.网上党的思想建设研究[D].重庆邮电大学,马克思主义基本原理,2014,硕士.
[7]李梦莹.公共领域视阈下的阿伦特公民思想研究[D].黑龙江大学,政治学理论,2013,硕士.
[8]张健夫.多功能层层组装黏合膜[D].吉林大学,2013.
[9]吴金玉,高金伟,张帅.距离保护在交流电压回路异常时操作规定的讨论[J].电力系统自动化,2012,04:114-115.
[10]李卓敏.永磁同步电机转子位置观测误差自适应补偿方法研究[D].哈尔滨工业大学,电力电子与电力传动,2014,硕士.
[11]李纪鑫.免疫算法在异常光谱识别中的应用研究[D].西安工业大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[12]林峰.基于环境感知的线下购物推荐系统的设计与实现[D].北京交通大学,2014.
[13]冯晨晨.低氧诱导因子1α与系统性红斑狼疮相关性的分子流行病学研究[D].安徽医科大学,流行病与卫生统计学,2014,博士.
[14]刘萍.江西城镇居民生活质量时空变化研究[D].江西财经大学,区域经济学,2013,硕士.
[15]李煦.基于B/S模式的远程网络教学平台[D].天津大学,计算机应用,2004,硕士.
[16]唐荷.国产电影之衍生品产业链设计和发展研究[D].上海外国语大学,工商管理,2012,硕士.
[17]吴永平.挖掘机作业机群配置技术研究[J].工程机械,2002,02:15-17.
[18]信坤.基于Opensees的无粘结预应力混凝土桥墩数值模拟与抗震性能分析[D].北京交通大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[19]贾露露.海上事故调查报告中词汇的量化分析[D].大连海事大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[20]尹逊和,樊雪丽,杜洋,董春.二级直线倒立摆系统的实物控制[J].计算机工程与应用.
[21]王建飞.停车场空位检测系统研究[D].贵州民族大学,概率论与数理统计,2014,硕士.
[22]赵文博.井下胶带输送机的智能视频监测方法研究[D].西安科技大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[23]陈众,颜伟,李祖枢,王官洁,徐国禹.基于HSIC的非线性PID控制器[J].控制与决策,2003,06:694-697+702.
[24]张建华,苏玲,刘若溪,王利,陈勇.逆变型分布式电源微网小信号稳定性动态建模分析[J].电力系统自动化,2010,22:97-102.
[25]张伟伟.超音速、高超音速非线性气动弹性问题研究[D].西北工业大学,流体力学,2004,硕士.
[26]张金林.葡萄砧木特性及微繁殖技术的研究[D].甘肃农业大学,作物遗传育种,2003,硕士.
[27]刘文静.多壁碳纳米管/聚合物薄膜的制备及其在生物检测中的应用[D].哈尔滨工业大学,生物医学工程,2013,硕士.
[28]刘丽君.X连锁性凋亡抑制蛋白和生存素与卵巢癌耐药关系的研究进展[D].蚌埠医学院,临床医学（专业学位）,2013,硕士.
[29]任艳.马承“三位一体”语音教学法在小学英语教学中的实践研究[D].山西师范大学,英语课程与教学论,2013,硕士.
[30]孙晔.二氧化硅消光剂对涂料漆膜光泽的影响及在生产中的应用研究[D].天津大学,涂料,2013,硕士.
[31]侯利颖.意识形态对文学翻译的操纵[D].湖南师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[32]曹方蓝.媒介环境学视野下的中国文艺气质[D].兰州大学,文艺学,2013,硕士.
[33]闫祯祯.基于后悔理论的出行时间信息感知价值研究[D].大连理工大学,交通运输规划与管理,2013,硕士.
[34]曾国屏,陈衍华,王振希,孙复钱,游胜勇.纳米材料/聚氨酯复合乳液性能研究进展[J].涂料技术与文摘,2014,03:18-21+33.
[35]方芳.氧化—乙酰化淀粉作为食品乳化剂的研究[D].江南大学,制糖工程,2012,硕士.
[36]贡亮.软件频谱缺陷定位技术的研究[D].清华大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[37]谭慧月.面向农户的智能配方施肥空间数据库建立与应用研究[D].华中农业大学,资源环境信息工程,2014,硕士.
[38]刘坤.银河证券理财产品服务营销策略研究[D].湖南大学,工商管理,2014,硕士.
[39]谭艳玲.低温对不同基因型铁皮石斛（Dendrobium candidum）幼苗生理特性的影响[D].浙江大学,作物学,2012,硕士.
[40]苗宏伟.店铺转让合同法律问题研究[D].大连海事大学,法律,2013,硕士.
[41]王虎军.维药异常黑胆质成熟剂对增生性瘢痕影响的实验研究[D].新疆医科大学,整形外科（专业学位）,2013,博士.
[42]张琳.对2012年度“跑完全程”项目实施现状及发展的调查与研究[D].首都体育学院,体育教学,2013,硕士.
[43]徐东辉.国有资产管理体制改革的反思与探索[D].吉林大学,马克思主义理论与思想政治教育,2004,硕士.
[44]吕相权.吉林省东晋煤矿生态环境评估与恢复方案设计研究[D].吉林大学,环境工程,2013,硕士.
[45]陈晓敏.谷子农艺性状和蒸煮品质与GBSS1基因等位变异分析[D].内蒙古农业大学,作物遗传育种,2013,硕士.
[46]冯建嶺.扎努西天津公司东移项目的方案设计与评价研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[47]汪曼.高校网络教学平台学习支持服务的现状调查与研究[D].首都师范大学,现代教育技术,2014,硕士.
[48]徐万仁,吴信慈,陈君明,钱晖,林金嘉.高喷煤比操作对焦炭劣化的影响[J].钢铁.2003(03)
[49]张舒淇.论张艺谋封建家庭题材电影中女性形象的视觉塑造[D].云南艺术学院,视听语言,2014,硕士.
[50]黄树明.山区铁路开展重载运输相关问题研究[D].西南交通大学,交通运输规划与管理,2014,硕士.