摘 要

为实现对厨余废物的充分利用，从厨余废物当中回收部分有机碳，研究了厨余废物厌氧发酵产气情况。采用序批式实验方法，对厨余废物中常见的果渣进行厌氧发酵实验，并对其产气潜能进行研究分析。选取不同温度（30℃、20℃和15℃）条件对液相进行厌氧发酵产气潜力实验。结果表明：接种取自市政污水厂的厌氧活性污泥，温度条件为30℃，20℃，15℃时的累积产气量分别达到143ml、103ml和38ml。在纤维素酶的作用下，产气总量基本不变，但产气速率能够得到明显提高。相比20℃，15℃两种实验条件，30℃为更为适宜的环境温度条件，其累积产气量最高达143ml。说明与其他两组相比，30℃的温度条件下，不同物料混合能够有效改善厨余废物厌氧发酵的产气情况。

关键词：厨余废物；有机碳；厌氧发酵；产气潜能

Abstract

In order to make full use of kitchen waste and recover some organic carbon from kitchen waste, the yield of gas especially methane produced from anaerobic fermentation of food waste was studied.In this paper, the anaerobic fermentation experiment was carried out with the residue from fruit juice extractor,and its gas yield with different fermentation conditio was studied. To optimize different fermentation ccondition. 3 paralle syringe batch reactors with 15 Celsius degree, 20 ℃ and 30 ℃, 2 parallel syringe batch reactors with and without cellulase were set; Results show that the inoculation of activated sludge of anaerobic digestion of municipal sewage plant temperature 30 ℃, 20 ℃, 15 ℃ when the total yield of gas reached 143 ml, 103 ml, 38 ml. With and without addictive of cellulase, the total yield of gas was almost the same, but the gas production rate could be significantly increased at the early phase of fermentation. Two experimental conditions than 20 ℃, 15 ℃, 30 ℃ for more suitable environment temperature conditions, the cumulative gas production rate of up to 143 ml. That compared with the other two groups, the temperature of 30 ℃ under the condition of different material mixing can effectively improve the anaerobic fermentation of kitchen waste waste gas.

Key Words：kitchen waste；organic carbon；anaerobic fermentation；gas potential

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

第2章 厨余废物厌氧发酵产气研究 3

2.1研究目的和意义 3

2.2研究内容 3

2.2.1污泥的驯化与培养 3

2.2.2.厨余废物厌氧发酵 4

2.3厌氧消化失稳预警指标 5

2.3.1pH值 5

2.3.2挥发性脂肪酸（VFA） 6

2.3.3氢气 6

2.4研究方法 6

2.4.1发酵原料 6

2.4.2发酵装置及主要仪器 7

2.5研究步骤 7

2.5.1.污泥驯化与培养 7

2.5.2发酵 7

2.6实验结果与分析 9

2.6.1污泥驯化的结果 10

2.6.2不同温度的结果 10

2.6.3 pH分析的结果 10

2.6.4纤维素酶添加与否的分析 10

2.6.5单独发酵和混合发酵 11

第3章 产气分析 13

3.1产气量及产气过程动力学分析 13

3.1.1日产气量分析 13

3.1.2累计产气分析 15

3.2产气潜力分析 17

3.2.1厌氧发酵产气能力计算 17

3.2.2产甲烷规律分析 17

3.2.3厌氧降解特性 18

第4章 结论 19

参考文献 20

致 谢 22

第1章 绪论

1.1 研究背景

在经济高速发展和人民生活水平不断提高的时代背景下，能源短缺与环境恶化成为了当前人类亟待解决的两大难题。能源消耗量正在逐年显著增加，环境污染问题也越发不容忽视。减少污染物排放的同时，竭尽全力开发有效的清洁能源并且高效地实现有限资源的循环利用，已经成为了解决这些难题的关键，也是实现我国“节能减排”的基本国策的必由之路，更是稳定保持我国经济可持续发展的重要保障。

能源是推动社会可持续发展不可或缺的重要力量。从全世界来看，我们能源消耗量仅次于美国。2016年我国成为世界上最大的可再生能源生产国^[1]。如表1所示，煤炭比重保持着绝对优势地位。虽然我国已初步形成各种能源全面发展的能源供应格局，但可再生能源比重有待进一步提高^[2]。

表1.1 全国历年能源消费情况

基于开发利用可再生能源和提高其所占能源消耗比重迫在眉睫的现状，如何实现废弃物安全再循环利用为我们提供了不错的选择。二十一世纪以来，社会高速发展，人类资源消耗量进一步提高。当代社会物质生活产生的大量废弃物对人类以及地球上其它生物都有着极大的不良影响。为了尽可能避免和控制这种现状，人类已经采取了各种各样的废弃物处理处置办法。其中，在废弃物被简单填埋或焚烧之前，对其进行分类，让其中仍有利用价值的部分，例如氮、磷等植物营养元素，具有降解性的有机质等，能够回收再利用，已经成为当下废弃物处理处置的趋势。再循环利用安全有序地实现，获得了极大的关注。其中，厌氧发酵便是使这一目标得以实现的方法之一。我国地处北温带，自古以来就有着沤肥或堆肥的废物处理手段。对于厌氧发酵有着独特的温度条件优势。除此之外，这种方法能够减少能量的耗用，极有可能在未来成为世界环境问题处理手段中的一种不错的选择。因此，本文我们将目光转向了厨余废物，希望通过厌氧发酵技术从厨余废物中回收有机碳。同焚烧相比，厌氧发酵在处理含水量高的废物上更占据优势，能够产生更多的能量。而在焚烧过程中，能源物流失较为严重。目前来看，居民小区、食堂、餐饮业等是富含有机废弃物的厨余垃圾的主要来源。据统计，2016年我国全国范围内厨余废弃物产量接近9700万吨^[3]。这些厨余垃圾占生活垃圾总量的37%-65%^[4]，其中能够得到有限处理处置利用的部分占据极小的比重，约为5.6%^[5]。厌氧发酵技术在处理厨余废物时还可以产生甲烷等能源物质。

1.2 国内外研究现状

研究表明，不同种类物料混合进行厌氧发酵能够使原料的产气情况得到显著的改善，可以使厌氧发酵实验更加顺利的进行^[6]。宋丽等将蔬菜废弃物与市政厌氧污泥放在同一厌氧发酵反应器中进行混合发酵，而且在改变厌氧活性污泥与蔬菜废弃物的比例进行实验的基础上缩短了其水解酸化的反应时间，实验取得了良好的效果^[7]。李兴勇等以冰糖橙皮为原料,在中温(29℃±1℃)下进行厌氧发酵实验。实验结果显示冰糖橙皮是一种可行的厌氧发酵原料,为冰糖橙皮提供了新的资源化处理处置手段^[8]。许志杨通过厌氧发酵实验实现对厨余垃圾的资源化利用。固态厌氧发酵处理效率高、排废量低、废物资源化利用率比较高，但容易引起代谢物的局部累积，形成严重的反馈抑制作用。通过固态厌氧发酵反应器的运行，表明VFA与氨氮是抑制厨余垃圾固态厌氧发酵的主要因素^[9]。Molinuevo-Salces等将果渣和蔬菜废物捣碎并与牲畜粪便进行充分混合进行厌氧发酵实验，结果显示多种物料充分混合进行厌氧发酵的产气效果不错^[10]。Jong-Hun Park等通过实验证明，稀释的厨余垃圾的连续进料对比间歇喂食未经稀释的厨余垃圾表现更稳定有效。同时，还发现了底物的进料状态对厨余垃圾厌氧发酵的影响明显高于进料方式^[11]。Javkhlan Ariunbaatar等利用厨余废物进行厌氧发酵实验，研究氨氮对厌氧发酵实验的作用，结果显示相对于连续进料方式进行发酵，半连续进料的方式可以相对减少氨的积累^[12]。

第2章 厨余废物厌氧发酵产气研究

2.1研究目的和意义

随着中国能源需求的不断增长和对环境保护的日益重视,清洁可再生能源的开发和利用受到了空前的关注。在当代餐饮业不断发展的情况下，愈来愈多的厨余废物导致的污染已经成为了我们急需解决的问题。本实验通过小型活塞式反应器进行厌氧发酵实验对武汉市洪山区珞瑜路6号群光广场负一楼惠人芳果汁店的果渣废弃物进行产气潜力研究。由于厨余废物含水量很高，有机物含量也高。另外，由于尾气排放受到限制、前期投资过大等因素，利用焚烧法来进行厨余废物的处理便难以得到广泛的利用。将厨余废物当作厌氧发酵产气的原料，是当前进行厨余废物垃圾处理的一种不错的选择。因此，本实验对厨余废物产气发酵进行了实验研究，希望能为实际利用提供理论基础。

2.2研究内容

通过将短期驯化后的厌氧活性污泥与厨余废物混合进行厌氧发酵处理，来研究厨余废物发酵产气潜力。本实验采用序批式实验方法，对其产气潜力进行研究，并进一步对厨余废物产气参数及有机物降解参数进行分析，对厌氧发酵不同阶段进行动力学拟合，初步了解其厌氧发酵的过程，以期为厨余废物厌氧发酵提供理论依据和参考。

2.2.1污泥的驯化与培养

在厌氧处理系统中，产甲烷菌与非甲烷细菌相互依赖，又相互制约，厌氧发酵体系中处于平衡状态。双方具体相互作用如下：

（1）不产甲烷细菌将各种复杂的有机物进行发酵为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物和产甲烷所需的各种原料或中间体，比如碳前体、电子供体、氢供体等物质。