垂直流厌氧消化系统处理高含固厨余垃圾效能及菌群解析

作     者：汤云榕 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵庆良

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：高含固厨余垃圾 垂直流 厌氧消化 运行效能 微生物群落 

摘      要：我国厨余垃圾年产量巨大,含固率在25%左右,有机质含量高,传统的填埋处理方式产生较多的渗滤液,而且占地面积大,因此厨余垃圾亟待寻找其他处理方式。厌氧消化技术不仅能实现厨余垃圾减量化、无害化,还可回收生物燃气,是今后厨余垃圾处理的重要发展方向。但传统湿式厌氧消化技术多用于废水、污泥、畜禽粪便等含水率较高的废物处理,而厨余垃圾组分复杂、含固率较高,采用湿式厌氧消化技术存在一定困难。因此本文对厨余垃圾单组分进行厌氧消化研究,并结合研究结果调整启动阶段厨余垃圾的配比;构建一种新型的垂直流厌氧消化系统,分阶段启动,考察该系统启动阶段的运行效能,并通过批次实验对温度和搅拌方案进行优化;对启动各阶段微生物群落结构加以解析,并对比了不同温度和搅拌方案下微生物群落的差异。对四种代表性组分的单组分厌氧消化研究表明,主食类、果蔬类均易发生酸化,尤其是主食类,p H快速降至3.53左右,果蔬类纤维素含量高水解酸化速率较慢,而肉蛋内脏类蛋白质含量高,厌氧消化产生的氨氮可缓解酸化,但厌氧消化后期游离氨（FAN）达到225.28 mg/L,氨抑制因子（INH3）达到0.29,产生了较严重的氨抑制。因此启动阶段的厨余垃圾配比中,可以适当提高肉蛋内脏类的比例。对中温条件（37±1）℃条件下垂直流厌氧消化系统处理高含固厨余垃圾的运行效能研究表明,分三阶段成功启动后,系统容积负荷为9.79 g VS/（L·d）,p H稳定在7.50左右,碱度维持在4500 mg/L附近,产酸以乙酸和丙酸为主,VS降解率可达（80.57±4.10）%,比产气率（SBP）和比甲烷产率（SMP）分别为（0.878±0.061）L/（g VSadd·d）和（0.476±0.045）L/（g VSadd·d）,系统缓冲能力强,具有良好的产气能力,不存在酸抑制和氨抑制（INH3为0.77）的情况。对温度和搅拌方案两个重要参数进行优化,综合考虑系统稳定性和产气能力两个因素,最终选取中温和每日一次机械搅拌作为优化后的参数。对启动过程中不同阶段和不同运行条件下的微生物菌群结构的研究表明,启动阶段从单一底物向复杂底物转变过程中,主要参与水解酸化阶段的细菌种类增多,并趋于平均化,而负责产甲烷的古菌更趋向专一性。启动后细菌中Chloroflexi（10.11%）、Firmicutes（20.94%）和Bacteroidetes（14.68%）占较大比例,而古菌优势菌属为Methanothrix（50.57%）。参数优化过程中对比温度和搅拌方案而言,通过聚类分析和主成分分析（PCA）,温度对微生物群落分布的影响均更大,但Methanothrix和Firmicutes两者在各运行条件下始终占较大比例。本研究为高含固厨余垃圾处理的实际工程提供了一种可行的启动方案参考,并从微生物水平揭示了运行参数的调控机理。