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高含固厨余垃圾厌氧消化超负荷失稳预警及恢复调控

高含固厨余垃圾厌氧消化超负荷失稳预警及恢复调控

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作者：陈勃言哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来我国生活垃圾产量逐年递增,且其中有60%0%来源于厨余垃圾。相比于焚烧、填埋、堆肥等处理技术,厌氧消化技术为最符合可持续发展道路的清洁环保处理手段。来自于进料基质、温度变化、水力条件等微小冲击都会使厌氧消化体系出现大... 详细信息

近年来我国生活垃圾产量逐年递增,且其中有60%0%来源于厨余垃圾。相比于焚烧、填埋、堆肥等处理技术,厌氧消化技术为最符合可持续发展道路的清洁环保处理手段。来自于进料基质、温度变化、水力条件等微小冲击都会使厌氧消化体系出现大幅度波动,而进料基质波动失稳更是限制工业上高负荷运行的主要因素。本文构建垂直流高含固厌氧消化反应器,通过进料底物负荷调控,营造体系超负荷失稳过程,监测此过程中全方位性质下的参数变化,以寻找潜在的有效失稳预警指标。并在反应系统预警指标突变后添加复合铁碳基材料,以观察相比单一材料是否是更加有效的恢复调控技术,最后进行微生物菌群解析,以了解全过程的内在机理。负荷提升实验结果表明高含固厨余垃圾厌氧消化最适有机负荷为6 kg VS·m-3·d-1时,此时体系稳定性最好,甲烷产量最高。当负荷继续提升时,代谢产物挥发酸积累使得体系碱度被逐步消耗,且过高浓度的氨氮和盐分使得微生物活性降低,反应体系稳定性下降,直至崩溃失稳。选定复合参数乙酸/丙酸作为本研究中超负荷失稳的预警判据,其预警时间为21d,突变方向为骤降,临界数值为2。在不同含固率下添加零价铁均显著促进了水解酸化过程,且提高了体系的碱性环境。但只有在6%含固率下零价铁的添加使得甲烷产量显著提升,9%和12%含固率下甲烷产量均有所降低。在不同含固率下添加污泥基生物炭均显著提升了体系的甲烷产量,促进了水解过程及乙酸和丙酸的降解转化。分别使用铁碳基材料对临界失稳污泥进行恢复,均具有良好的恢复效果,具体恢复速度为铁炭复合>生物炭>零价铁>空白。在厌氧消化负荷提升过高时,细菌Proteobacteria向Firmicutes转化,古菌Methanothrix丰度降低,Methanolinea丰度增加,产甲烷途径由乙酸型向氢型转化;且Methanothrix具有DIET功能,其丰度降低使得电子传递效率降低,从而使反应体系稳定性下降,最终崩溃。添加零价铁后,6%含固率下Chloroflexi丰度增加,且Methanothrix是优势菌种,产甲烷过程得到促进;9%和12%含固率下Proteobacteria丰度增加,但Methanothrix丰度下降,产甲烷过程受到抑制。添加生物炭使Chloroflexi丰度增加,Firmicutes丰度降低,提升了Methanothrix和Methanosarcina的丰度,促进了乙酸及甲基营养型产甲烷途径。添加铁碳基材料恢复临界失稳污泥,零价铁提高了Methanosarcina和Methanothrix的丰度;生物炭提升了Methanosarcina的丰度。但微生物丰度提升幅度为Fe>Fe C>C,认为是由于C的吸附功能占主导地位,因此添加生物炭作为恢复技术的微生物群落变化响应相比其余两组显著性降低。本研究对高含固厨余垃圾厌氧消化超负荷失稳预警指标及有效恢复措施进行了探索,并从微生物水平探究了机理,研究结果期望为过程监控提供理论支持。

关键词：厨余垃圾超负荷失稳预警指标零价铁生物炭微生物群落

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