1、导师：王德汉导师：王德汉 教授教授餐厨垃圾水解酸化产氢餐厨垃圾水解酸化产氢耦合后续产甲烷研究耦合后续产甲烷研究申请同济大学工学博士学位答辩申请同济大学工学博士学位答辩博士生：王星博士生：王星导师：赵由才教授导师：赵由才教授5/26/20222主要内容主要内容前前 言言论文研究内容论文研究内容实验结果分析实验结果分析结结 论论致致 谢谢5/26/20223主要内容主要内容前前 言言论文研究内容实验结果分析结 论致 谢5/26/20224研究背景研究背景v以填埋、饲养生猪为主的餐厨垃圾处置方法以填埋、饲养生猪为主的餐厨垃圾处置方法v以餐厨垃圾为原料制作生猪饲料则导致了动物同以餐厨垃圾为原料制作生猪
2、饲料则导致了动物同源性饲料广泛使用，容易造成疾病的扩散。源性饲料广泛使用，容易造成疾病的扩散。v上海市农委根据农业部文件已经明确表示利用灭上海市农委根据农业部文件已经明确表示利用灭菌餐厨垃圾生产的饲料不能作为禽畜养殖饲料。菌餐厨垃圾生产的饲料不能作为禽畜养殖饲料。5/26/20225v京都议定书京都议定书：20122012年后，中国承担减排义务年后，中国承担减排义务v餐厨垃圾厌氧消化产氢对温室气体减排意义重大。餐厨垃圾厌氧消化产氢对温室气体减排意义重大。v今后，我国餐厨垃圾厌氧消化工业市场广阔。今后，我国餐厨垃圾厌氧消化工业市场广阔。5/26/20226v餐厨垃圾厌氧消化产甲烷技术成熟餐厨垃圾
3、厌氧消化产甲烷技术成熟n有机负荷率、停留时间、温度有机负荷率、停留时间、温度v产氢过程问题产氢过程问题n接种物热处理接种物热处理抑制耗氢菌活性、以富集氢气抑制耗氢菌活性、以富集氢气（能耗高、操作繁琐）（能耗高、操作繁琐）v与产甲烷过程耦合时存在的问题与产甲烷过程耦合时存在的问题n氨氮、挥发性脂肪酸氨氮、挥发性脂肪酸研究进展研究进展5/26/20227v如何在低能耗的情况下抑制产氢过程中耗氢菌的如何在低能耗的情况下抑制产氢过程中耗氢菌的活性？活性？v产氢、产甲烷过程的优化产氢、产甲烷过程的优化v产氢、产甲烷阶段的良好衔接产氢、产甲烷阶段的良好衔接v如何处置沼渣更生态如何处置沼渣更生态主要解决的问
4、题：主要解决的问题：5/26/20228主要内容主要内容前 言 论文研究内容论文研究内容实验结果分析结 论致 谢5/26/20229 研究思路研究思路水解酸化阶段水解酸化阶段产甲烷阶段产甲烷阶段产甲烷菌产甲烷菌餐厨垃圾餐厨垃圾水溶性有机物水溶性有机物挥发性脂肪酸挥发性脂肪酸氢气、氢气、CO2、乙酸、乙酸C HC H4 4、COCO2 2水解细菌水解细菌酸化细菌酸化细菌产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌利用产酸相积累的挥发性脂肪酸抑制甲烷菌、富集氢气利用产酸相积累的挥发性脂肪酸抑制甲烷菌、富集氢气 氢气氢气 5/26/202210材料与方法材料与方法材料TS(%)VS(TS%)pH(无量纲 ）C（%TS）
5、H（%TS）N（%TS）TCOD(g/L)餐厨垃圾23.561.2690.98 1.13 4.34 0.25 46.211.127.32 0.332.43 0.12211.52 10.34接种污泥6.440.3165.20 1.54 6.75 0.32 31.36 0.654.12 0.214.76 0.3296.42 3.67 表表1. 餐厨垃圾和接种污泥的理化性质餐厨垃圾和接种污泥的理化性质 餐厨垃圾经机械打浆，制成糊状半流体态，于冷柜内餐厨垃圾经机械打浆，制成糊状半流体态，于冷柜内（4 ）保存备用。混合菌群采用江苏某酒精厂厌氧）保存备用。混合菌群采用江苏某酒精厂厌氧消化池颗粒污泥消化池颗
6、粒污泥 ，污泥取回后于塑料瓶内密封，并置，污泥取回后于塑料瓶内密封，并置于冰箱（于冰箱（4）保存）保存 。5/26/202211 图图1.排水法试验装置图排水法试验装置图 实验装置实验装置36 恒温室恒温室 量筒量筒发酵底物发酵底物采气口采气口血清瓶血清瓶硅胶管硅胶管排水集气瓶排水集气瓶饱和饱和NaCl溶液溶液5/26/202212 1 1 外源混合菌群存在下餐外源混合菌群存在下餐厨垃圾厌氧消化产氢研究厨垃圾厌氧消化产氢研究2 2 餐厨垃圾厌氧消化产氢工餐厨垃圾厌氧消化产氢工艺的满意度函数优化研究艺的满意度函数优化研究5 5 餐厨垃圾两相厌氧消餐厨垃圾两相厌氧消化产氢产甲烷中试研究化产氢产甲烷
7、中试研究6 6 餐厨垃圾厌氧消化残餐厨垃圾厌氧消化残余物的蚯蚓处置研究余物的蚯蚓处置研究3 3 餐厨垃圾预处理对厌餐厨垃圾预处理对厌氧消化产氢的影响研究氧消化产氢的影响研究4 4 餐厨垃圾厌氧消化产餐厨垃圾厌氧消化产氢残余物的甲烷化研究氢残余物的甲烷化研究论文研论文研究内容究内容5/26/202213主要内容主要内容前 言论文研究内容实验结果分析实验结果分析结 论致 谢5/26/202214实验一实验一v外源混合菌群存在下餐厨垃圾外源混合菌群存在下餐厨垃圾厌氧消化产氢的工艺研究厌氧消化产氢的工艺研究1实验目的：实验目的：通过单因素实验研究餐厨垃圾通过单因素实验研究餐厨垃圾含量、菌群含量分别对厌
8、氧消含量、菌群含量分别对厌氧消化产氢的影响，确定两者的最化产氢的影响，确定两者的最佳用量。佳用量。5/26/2022151 1 餐厨垃圾含量对氢气产率的影响餐厨垃圾含量对氢气产率的影响 v固定颗粒污泥含量，改变餐厨垃圾用量来研究餐厨垃圾负固定颗粒污泥含量，改变餐厨垃圾用量来研究餐厨垃圾负荷对厌氧消化产氢的过程的影响。荷对厌氧消化产氢的过程的影响。 表表1.1.颗粒污泥含量与餐厨垃圾含量颗粒污泥含量与餐厨垃圾含量实验编号实验编号颗粒污泥颗粒污泥（g VS/L）餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量（g VS/L）119.09 20.75 219.09 41.52 319.09 62.28 419.09 83.
9、05 519.09 103.80 619.09 124.57 5/26/202216 20406080100120140051015202530354045氢气产率（ mL/ g VS）4567pH 厌氧消化体系中餐厨垃圾含量 （g VS/L）图2.餐厨垃圾含量与氢气产率、pH关系5/26/2022170100200300010203040506070甲 烷浓 度（%, V/V）时 间（h）01002003000100200300400500600甲 烷累积产量（mL）时 间（h） 20.75 g VS/L 41.52 g VS/L图图3.3.餐厨垃圾含量对甲烷产量、甲烷浓度的影响餐厨垃圾含量
10、对甲烷产量、甲烷浓度的影响r 62.28 g VS/L 83.05 g VS/L 103.80 g VS/L 124.57 g VS/L5/26/2022181234560400080001200016000有机酸浓 度（mg/L） 厌氧体系中餐厨垃圾含量（g VS/L）（ 乙酸 丙酸 异丁酸 正丁酸 异戊酸 正戊酸） 图4.不同餐厨垃圾含量下VFA浓度20.75 41.52 62.28 83.05 103.80 124.57 5/26/2022192 2 厌氧消化体系中颗粒污泥含量对产氢的影响厌氧消化体系中颗粒污泥含量对产氢的影响 v固定餐厨垃圾含量条件，改变混合颗粒污泥含量来研究混固定餐厨
11、垃圾含量条件，改变混合颗粒污泥含量来研究混合菌群对餐厨垃圾厌氧消化产氢的过程的影响。合菌群对餐厨垃圾厌氧消化产氢的过程的影响。 表表2.2.实验设置实验设置实验编号实验编号餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量 （g VS/L）颗粒污泥含量颗粒污泥含量 （g VS/L）1103.83.832103.87.673103.811.514103.815.345103.819.176103.823.015/26/2022200100200300010203040506070010020030001020304050607001002003000102030405060700100200300010203040506
12、07001002003000102030405060700100200300010203040506070氢气累积产率（mL/ g VS）氢气累积产率（mL/ g VS）时 间（h）时 间（h）时 间（h）污泥含量污泥含量 3.83 g VS/L 7.67 g VS/Lrr 11.51 g VS/L 23.01 g VS/L 15.34 g VS/L 19.17 g VS/L :109.09图 6. 颗粒污泥含量对氢气累积产率的影响 :39.91 :26.55 :17.53 :9.02 :8.9446.3852.3252.6367.2467.8566.075/26/20222101002003
13、0001020304050607001002003000102030405060700100200300010203040506070010020030001020304050607001002003000102030405060700100200300010203040506070氢气浓 度（%）时 间（h）氢气浓 度（%）时 间（h）时 间（h）图图7. 7. 颗粒污泥含量对氢气浓度的变化的影响颗粒污泥含量对氢气浓度的变化的影响污泥含量污泥含量 3.83 g VS/L 7.67 g VS/Lrr 11.51 g VS/L 23.01 g VS/L 15.34 g VS/L 19.17 g
14、VS/L5/26/202222实验二实验二v餐厨垃圾厌氧消化产氢工艺的餐厨垃圾厌氧消化产氢工艺的满意度函数优化研究满意度函数优化研究 25/26/202223v1 1、氢气产率高、氢气产率高 a. a. 产氢残余物中富含乙酸产氢残余物中富含乙酸 b. b. 产氢残余物中富含丁酸产氢残余物中富含丁酸v2 2、能较好的满足产氢结束后的产甲烷过程的顺利、能较好的满足产氢结束后的产甲烷过程的顺利进行进行 c. SCODc. SCOD浓度高浓度高 d. d. 丙酸含量低丙酸含量低什么样的工艺是好的产氢工艺？什么样的工艺是好的产氢工艺？5/26/202224餐厨垃圾厌氧消化产氢工艺优化餐厨垃圾厌氧消化产氢
15、工艺优化 v选用中心旋转实验设计选用中心旋转实验设计(CCD)(CCD)v自变量：餐厨垃圾含量（自变量：餐厨垃圾含量（X X1 1）、混合菌群浓度）、混合菌群浓度（X X2 2）v因变量（响应值）：因变量（响应值）：氢气产率（氢气产率（Y Y1 1）、丙酸浓度丙酸浓度（Y Y2 2）、丁酸浓度（丁酸浓度（Y Y3 3）、乙酸浓度（乙酸浓度（Y Y4 4）、SCODSCOD浓度（浓度（Y Y5 5） 5/26/202225实验编号实验编号餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量(X1)颗粒污泥含量颗粒污泥含量(X2)177.857.67277.85233129.757.674129.7523567.1015.3
16、46140.5015.347103.84.508103.826.179103.815.3410103.815.3411103.815.3412103.815.3413103.815.34表3. CCD实验设计5/26/202226v将餐厨垃圾、颗粒污泥含量值与各响应值将餐厨垃圾、颗粒污泥含量值与各响应值( (氢气产氢气产率、乙酸、丙酸、丁酸、率、乙酸、丙酸、丁酸、SCODSCOD浓度浓度) )进行二次非线进行二次非线性回归拟合，拟合时采用的模型方程为：性回归拟合，拟合时采用的模型方程为：11112 + =kkkki=i=ij0i iii iij i jY AAxA xAxx 经方差分析后，从五
17、个响应值（氢气产率经方差分析后，从五个响应值（氢气产率Y Y1 1、丙、丙酸浓度酸浓度Y Y2 2、丁酸浓度、丁酸浓度Y Y3 3、乙酸浓度、乙酸浓度Y Y4 4、SCODSCOD浓度浓度Y Y5 5）中筛选出与餐厨垃圾含量、菌群浓度显著相关的响中筛选出与餐厨垃圾含量、菌群浓度显著相关的响应值。应值。5/26/202227结果分析结果分析模型模型线性项线性项p值值二次项二次项p值值交互项交互项p值值模型模型p值值X1(餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量)X2(颗粒污泥含量颗粒污泥含量)X12X22 X1X2氢气产率氢气产率 (Y1)0.002 0.0001 0.026 0.004 0.0830.003丙
18、酸丙酸 (Y2)0.107 0.014 0.007 0.039 0.596 0.015丁酸丁酸 (Y3)0.0369 0.0058 0.113 0.158 0.041 0.017乙酸乙酸 (Y4) 0.0730.095 0.142 0.108 0.4470.09SCOD (Y5)0.2840.1300.4600.1580.502 0.23表表4.方差分析结果方差分析结果5/26/202228v氢气产率氢气产率: :Y Y1 1 = -53 + 1.305X = -53 + 1.305X1 1 + 7.357X + 7.357X2 2 - 0.011X - 0.011X1 12 2 + 0.03
19、5X + 0.035X1 1X X2 2 - 0.284 X - 0.284 X2 22 2 v丙酸浓度丙酸浓度:Y:Y2 2 = 8024.161 - 110.309 X = 8024.161 - 110.309 X1 1 - 202.688 X - 202.688 X2 2 + 0.536 X + 0.536 X1 12 + 0.356 2 + 0.356 X X1 1X X2 2+ 4.165 X+ 4.165 X2 22 2 v丁酸浓度丁酸浓度:Y:Y3 3 = 14183.47 - 94.775 X = 14183.47 - 94.775 X1 1 - 73.15252 X - 73
20、.15252 X2 2 +0.1083 X +0.1083 X1 12 2 +3.4123X +3.4123X1 1X X2 2- - 5.811X5.811X2 22 2 图图11. 11. 氢气产率、丙酸浓度、丁酸浓度与餐厨垃圾含量、颗粒物料含量关系氢气产率、丙酸浓度、丁酸浓度与餐厨垃圾含量、颗粒物料含量关系氢气产率氢气产率丙酸浓度丙酸浓度丁酸浓度丁酸浓度5/26/202229v满意度函数是对每个响应值分别建立单一函数方程，根据满意度函数是对每个响应值分别建立单一函数方程，根据研究者的目的（期望相应值最大、期望值最小等）将每个研究者的目的（期望相应值最大、期望值最小等）将每个响应值转化为无
21、量纲值，即单项满意度（响应值转化为无量纲值，即单项满意度（didi）。单项满意）。单项满意度的计算中，常用的计算方法为以下几种：度的计算中，常用的计算方法为以下几种：期望响应值最大时，单项满意度函数由方程（期望响应值最大时，单项满意度函数由方程（1 1）计算：）计算：idiwtiiiiYLowHighLow= 0 = Yi Highi= 1 Lowi Yi Highi Yi (预测值) Highi= 1 Lowi Yi Highi Yi Lowi期望响应值最小时，单项满意度函数由方程（期望响应值最小时，单项满意度函数由方程（2 2）计算：计算：（1）（2）5/26/202230实验实验编编号号
22、自变量自变量 (g VS /L)实验测试结果实验测试结果 满意度值满意度值(D)餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量(X1)颗粒污泥含量颗粒污泥含量(X2)氢气产率氢气产率(Y1, mL/g VS)丙酸浓度丙酸浓度 (Y2, mg/L)丁酸浓度丁酸浓度(Y3, mg/L) 177.857.6752.231214.87 9245.61 0.3797 277.852368.57618.09 9030.58 0.7999 3129.757.674.851678.24 6124.25 0.0000 4129.752349.381364.58 8624.15 0.6205 567.1015.3458.26 1638
23、.42 8751.24 0.6520 6140.5015.3441.171724.57 8315.22 0.3104 7103.84.502.461951.26 6283.26 0.1109 8103.826.1759.81 946.84 9125.810.7933 9103.815.3467.43 868.91 8121.510.8800 10103.815.3466.79 726.24 8324.050.8800 11103.815.3470.11 784.159216.370.8800 12103.815.3465.47 887.318467.910.8800 13103.815.346
24、1.24 665.838150.180.8800 表5. 实验结果5/26/202231D =-1.674 +0.0355 X1 + 0.096 X2 -0.000223X12 + 0.000314 X1X2 - 0.0031X22 图图12. 12. 满意度值与餐厨垃圾含量、颗粒物料含量关系满意度值与餐厨垃圾含量、颗粒物料含量关系v经过满意度函数优化后，产氢工艺的最佳组合为经过满意度函数优化后，产氢工艺的最佳组合为餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量 93.84 g VS/L, 93.84 g VS/L, 颗粒污泥含量颗粒污泥含量 20.25 g VS/L20.25 g VS/L 5/26/202232
25、实验三实验三v餐厨垃圾预处理对厌氧消化产餐厨垃圾预处理对厌氧消化产氢的影响氢的影响 3高温热水解对餐厨垃圾的性质的影响高温热水解对餐厨垃圾的性质的影响调节初始调节初始pH值对餐厨垃圾产氢的影响值对餐厨垃圾产氢的影响5/26/2022331 1 高温热水解对餐厨垃圾性质的影响高温热水解对餐厨垃圾性质的影响v选取选取TSTS含量分别为含量分别为10%10%、15%15%、20%20%的餐厨垃圾，在的餐厨垃圾，在120120条条件下高温热水解。热水解时间分别为件下高温热水解。热水解时间分别为30 min30 min、45 min45 min、60 60 minmin。0 min30min45min6
26、0min048121620热处理时 间（min）TS溶解率（%）图13. 餐厨垃圾高温热水解时间与TS溶解率变化规律 TS 10% TS 15% TS 20%5/26/202234 TS 10% TS 15% TS 20% 图14. 热水解时间对SCOD (a)和TOC (b)的影响0min30min45min60min2030405060热水解时 间（min）TOC （g/L）0min30min45min60min6080100120140热水解时间（min）SCOD (mg/L) TS 10% TS 15% TS 20%(a)(b)5/26/2022350min30min45min60mi
27、n010002000300040005000有机酸浓 度（mg/L）热水解时 间（min） 0min30min45min60min010002000300040005000有机酸浓 度（mg/L）热水解时 间（min） 0min30min45min60min01000200030004000500060007000有机酸浓 度（mg/L）热水解时 间（min） TS 10% TS 15%TS 20% 乙酸；乙酸；丙酸；丙酸；正丁酸；正丁酸；异丁酸异丁酸图图15. 10%、15%与与20%TS浓度的餐厨垃圾热水解后乙酸与浓度的餐厨垃圾热水解后乙酸与VFA浓度变化浓度变化5/26/202236热水
28、解后餐厨垃圾厌氧消化产氢性能热水解后餐厨垃圾厌氧消化产氢性能 v选择选择TSTS浓度为浓度为20%20%的餐厨垃圾，在的餐厨垃圾，在120120条件下热水解条件下热水解3030、4545、60 min60 min后，研究其产氢特性后，研究其产氢特性 。0501000200400600050100020040060005010002004006000501000200400600累积产气量（mL）累积产气量（mL）时 间 （h）时 间 （h） 图16. 不同热水解时间后餐厨垃圾的产气量图原餐厨垃圾 热水解30 min 热水解45 min 热水解60 min 加第一动画 4805205405675
29、/26/2022372 2 初始初始pHpH对餐厨垃圾厌氧消化产氢的影响对餐厨垃圾厌氧消化产氢的影响 050100150200250010203040500501001502002500102030405001020304050050100150200250010203040500102030405005010015020025001020304050氢气累积产率（mL/ g VS）时 间（h）氢气累积产率（mL/ g VS）时 间（h）未调节初始未调节初始pH pH 调节至调节至3.5 pH 调节至调节至4.5 rr pH 调节至调节至5.5 图17.不同pH初始条件下氢气产率的变化 5/2
30、6/202238对照pH=3.5pH=4.5pH=5.504000800012000160002000024000实验体系有机酸浓 度（mg/L）（ 乙酸 丙酸 异丁酸 正丁酸 异戊酸 正戊酸）图18. 初始pH对消化液中VFA浓度的影响5/26/202239实验四实验四v餐厨垃圾厌氧消化产氢残余物餐厨垃圾厌氧消化产氢残余物的甲烷化研究的甲烷化研究 4(a) 控制餐厨垃圾含量控制餐厨垃圾含量(b) 调节接种物与底物的比例调节接种物与底物的比例(c) 添加钙盐添加钙盐(d) 控制初始控制初始pH 5/26/202240表表8. 四因素两水平因素筛选实验四因素两水平因素筛选实验 变量变量名称名称水
31、平水平低低 高高X X1 1VSVS（产氢残余物含量）（产氢残余物含量）6 6 8 8X X2 2Ra(Ra(接种物接种物/ /残余物比例残余物比例, VS/VS), VS/VS) 1 13 3X X3 3Ca(Ca(钙离子浓度钙离子浓度, mg/L), mg/L) 200 200400400X X4 4pHpH（初始（初始pHpH）6 67.57.5从众多因素中淘汰对甲烷产率促进作用不明显的因素从众多因素中淘汰对甲烷产率促进作用不明显的因素5/26/202241表 两水平因子筛选实验结果序号序号VS（产氢残余物含量（产氢残余物含量, g VS/L）Ra(接种物接种物/残余物比例残余物比例,
32、VS/VS）钙离子浓度钙离子浓度（mg/L）pH（初始（初始pH）甲烷甲烷产率产率（mL/g VS）1612006.0261.812812006.0303.253632006.0360.134832006.0491.245614006.0283.526814006.0356.767634006.0371.478834006.0514.319612007.5272.8910812007.5334.4611632007.5341.6512832007.5503.5213614007.5284.5514814007.5361.3415634007.5365.0116834007.5506.155/2
33、6/202242图19. 初始pH对消化液中VFA浓度的影响CDBCACDBDABADCAB9876543210项项标标准准化化效效应应2.015AvsBraCcaDph因子名称标标准准化化效效应应的的 P Pa ar re et to o 图图（响应为 results，Alpha = .10)因子因子 名称名称A 残余物残余物B 接种物接种物/残余物残余物C 钙离子浓度钙离子浓度D pH接种物接种物/残余物残余物残余物残余物钙离子浓度钙离子浓度pH标准化效应小于标准化效应小于2.0152.015的因素对甲烷产率促进作用不明显的因素对甲烷产率促进作用不明显5/26/202243甲烷发酵过程的甲
34、烷发酵过程的RSMRSM法工艺优化法工艺优化 变量变量名称名称水平水平负星号臂负星号臂-101正星号臂正星号臂X1VS(产氢残余物含量，产氢残余物含量，g VS/l)5.326788.68X2RATIO(接种物接种物/残余物比例残余物比例, VS/VS)0.321233.37X3Calcium concentration(钙离子浓度钙离子浓度, mg/L)131.82200300400468.18表 10. 响应面优化实验因素水平表响应面实验设计可以充分考虑各因素之间的交互作用，响应面实验设计可以充分考虑各因素之间的交互作用，而不是孤立的研究各个因素对系统的贡献。而不是孤立的研究各个因素对系统
35、的贡献。5/26/202244实验实验编组编组参数水平参数水平甲烷产率甲烷产率SMP(mL CH4/g VS)产氢残余物产氢残余物 (g VS/L)接种物接种物/残余物残余物钙离子浓度钙离子浓度( mg/L)161200284.72261400307.48363200371.92463400394.04581200354.8681400386.8783200520.92883400548.1695.312300334.28108.682300490.241170.32300238.961273.68300502.641372131.82489.041472468.18526.441572300
36、512.561672300522.681772300511.281872300515.321972300510.652072300517.84表 11. 响应面实验设置与结果5/26/202245 项目项目效应效应离差平方和离差平方和Fp模型模型174522.7048.790.01x1 (产氢残余物含量产氢残余物含量)52.34137414.0394.140.01x2 (接种物接种物/残余物残余物)69.17465348.19164.420.01x3 (钙离子钙离子)12.232042.595.140.0468x12-42.46725990.1265.390.01x1x219.2152953.
37、737.430.0213x1x31.79525.780.0650.8041x22-57.12647028.58118.330.01表11.甲烷产气率模型及各因素方差分析5/26/202246(a) (b)Ratio=0.32 (c)Ratio=1 (d)Ratio=2(e) Ratio=3(f)Ratio=3.37 峰值峰值图20. 产氢残余物含量与钙离子浓度交互关系的响应面图和等值线图(a, 响应面图; b, c, d, e, f表明接种物/残余物比例分别处于0.32, 1, 2, 3, 3.37, SMP:甲烷产率, VS:残余物含量, Calcium concentration: 钙离子
38、浓度)5/26/202247 图21.产氢残余物含量与接种物/残余物比例的响应面与等值线图 (a) (b)项目项目自由度自由度效应效应离差平方和离差平方和F-valuep-valuex1x2119.2152953.737.430.0213表12. 方差分析5/26/202248 图22. 钙离子浓度和接种物/残余物比例的响应面图与等值线图 (a) (b)项目项目自由度自由度效应效应离差平方和离差平方和F-valuep-valuex2x31-0.6753.650.0090.9256表13. 方差分析5/26/202249实验五实验五v餐厨垃圾两相厌氧消化产氢产餐厨垃圾两相厌氧消化产氢产甲烷中试研
39、究甲烷中试研究 5水解酸化产氢水解酸化产氢产氢残余物后续产甲烷产氢残余物后续产甲烷5/26/202250实验装置实验装置热水箱沼渣产氢罐产氢罐缓冲罐产甲烷罐产甲烷罐餐厨垃圾沼气缓冲罐图23. 中试流程图5/26/202251实验参数实验参数表15. 中试实验反应器参数设置有机负荷率有机负荷率给料负荷率给料负荷率（kg/d）酸化相酸化相OLR (kg VS/m3d）水解酸化相水解酸化相SRT（h）甲烷相甲烷相OLR(kg VS/m3d) 甲烷相甲烷相SRT（d）OLR12015.10 240 2.94 40 OLR23022.651604.6126.67 OLR34030.201206.2820
40、OLR45037.75968.1516 表14. 餐厨垃圾和接种污泥理化性质参数参数餐厨垃圾餐厨垃圾接种污泥接种污泥TS (%)17.60 0.355.78 0.42VS/TS (%)85.91 1.2763.66 1.68pH4.68 0.147.04 0.27总氮总氮 (%)2.34 0.080.42 0.15TCOD (g O2/kg) 211.79 11.1393.114 4.36 5/26/202252氢气、甲烷浓度变化氢气、甲烷浓度变化 0204060801001201401015202530354045(a)H2%有机负荷率 生物气产率时 间 时 间 (d)氢气浓 度(%); 有
41、机负荷率氢气浓 度(%); 有机负荷率( (kg VS/d/mkg VS/d/m3 3) )0.100.150.200.250.300.350.40生物气产率生物气产率(m3/kg VS)020406080100120140010203040506070(b)CH4%有机负荷率 沼气产率时 间时 间 (d)甲 烷浓 度(%); 有机负荷率甲 烷浓 度(%); 有机负荷率(kg VS/d/m3)0.50.60.70.80.91.0沼气产率沼气产率(m3/kg VS) 图24. 产氢产甲烷浓度变化5/26/2022532.944.415.887.358.820.00.51.01.52.02.53.
42、0NH4-N（g/L）1520253035400.00.10.20.30.40.5 NH4-N(g/L)图26. 产氢(a)/产甲烷(b)过程中氨氮浓度与有机负荷率有机负荷率 （kg VS/m3d） 有机负荷率 （kg VS/m3d） (a) (b) 5/26/20225415.122.6530.237.75010002000300040005000浓 度浓 度(mg/L)( 乙醇 乙酸 丙酸 丁酸 乳酸 ) 2.944.415.887.358.820200400600800100012001400OLR（kg VS/d/m3)浓度（mg/L）浓度（mg/L） 乙酸 丙酸 丁酸 乳酸 （ 乙酸
43、 丙酸 丁酸 乳酸)图27. 产氢(a)/产甲烷(b)过程中挥发性脂肪酸浓度与有机负荷率(a) (b) 有机负荷率 （kg VS/m3d）有机负荷率 （kg VS/m3d）5/26/2022550510152025303540450.000.020.040.060.080.100.120.14(a)氢气产率氢气产率 (m3/kg VS)有机负荷率有机负荷率 ( H kg VS/m3/d)0.118氢气产率拟合曲线02468100.00.10.20.30.40.50.60.70.61 甲 烷产率 拟合曲线 (b)有机负荷率有机负荷率( M kg VS/m3d)甲 烷产率甲 烷产率 (m3p图28
44、. 产氢(a)、产甲烷过程 (b) 的有机负荷率与生物气产量图(a)(b)5/26/2022561520253035401234567(a)水解酸化产氢相的生物转化率水解酸化产氢相的生物转化率(%)(%)有机负荷率 有机负荷率 (kg VS/m3.d)23456789657075808590(b)甲烷相生物转化率甲烷相生物转化率(%)(%)有机负荷率 有机负荷率 (kg VS/m3.d)图29. 产氢(a)、产甲烷过程 (b) 生物转化率5/26/202257实验六实验六v餐厨垃圾厌氧消化残余物的餐厨垃圾厌氧消化残余物的 蚯蚓处置研究蚯蚓处置研究 6蚯蚓处理沼渣的速率蚯蚓处理沼渣的速率蚯蚓生物
45、量的变化蚯蚓生物量的变化蚯蚓繁殖能力蚯蚓繁殖能力5/26/202258表18. 沼渣的化学性质指标指标含量含量水分（水分（%）82.43pH7.23全氮（全氮（%，干重），干重）0.912全磷（全磷（%，干重），干重）0.0475全钾（全钾（%，干重），干重）1.412有机质（有机质（%，干重），干重）16.43碳氮比（碳氮比（%，干重），干重）10.45在恒温室、恒温箱内分别建立在恒温室、恒温箱内分别建立2525和和2020的环境温度，同时在的环境温度，同时在恒温室、恒温箱内对培养容器建立两水平的沼渣湿度和碳氮比，恒温室、恒温箱内对培养容器建立两水平的沼渣湿度和碳氮比，沼渣湿度水平为沼渣湿度
46、水平为60%60%、70%70%，碳氮比水平为，碳氮比水平为15:115:1、20:120:1。表19. 实验设计温度温度（T）水分水分（M, %）碳氮比碳氮比 (R)20601560207015702025 60156020701570205/26/202259蚯蚓处理沼渣速率蚯蚓处理沼渣速率 表20. 蚯蚓对沼渣消化速率结果 温度温度(T)水分水分(M, %)碳氮比碳氮比 (R)处理速率处理速率 (g/gd)平均值平均值 (g/gd)2060150.340.36360200.2870150.4570200.3825 60150.510.68060200.5770150.785/26/202
47、260蚯蚓生物量蚯蚓生物量 温度温度（T）水分水分（M，%）碳氮比碳氮比 (R)生物量日增长率生物量日增长率 （%）倍增时间倍增时间（d）日增长率平均值日增长率平均值 （%）20 60150.505137.600.59760200.527131.8770150.621111.9670200.642108.31 25 60150.97271.660.93960200.84482.4770151.04366.8070200.93174.78表21. 蚯蚓生物量增长情况 5/26/202261蚯蚓繁殖能力蚯蚓繁殖能力 表22. 蚓茧产量结果 温度温度（T）水分水分（M，%）碳氮比碳氮比 (R)蚓茧产
48、量蚓茧产量（粒）（粒）平均产茧率平均产茧率（粒（粒/条）条）20 6015160.86020190.957015542.77020613.05 25 6015422.16020321.67015502.57020412.055/26/202262蚯蚓处置沼渣的可行性分析蚯蚓处置沼渣的可行性分析 v在在5050天的培养期内，天的培养期内，4.4g4.4g蚯蚓平均消耗沼渣蚯蚓平均消耗沼渣114.13g114.13g。蚯蚓每消耗。蚯蚓每消耗1g1g沼渣可转化为沼渣可转化为0.018 g0.018 g蚯蚯蚓、蚓、0.4364 g0.4364 g蚓粪。蚓粪。v从实验中可看出，在不同环境条件下，蚯蚓处置从
49、实验中可看出，在不同环境条件下，蚯蚓处置沼渣的效率有较大差别，但只要管理得当，还是沼渣的效率有较大差别，但只要管理得当，还是可以取得比较客观的结果。可以取得比较客观的结果。v在在2020、沼渣水分、沼渣水分70%70%、碳氮比、碳氮比1515的条件下，的条件下，1 1吨吨蚯蚓每日消化可消化蚯蚓每日消化可消化780kg780kg的沼渣、产生的沼渣、产生513kg513kg蚓蚓粪、粪、7kg7kg的鲜活蚯蚓（不考虑蚯蚓繁殖）。的鲜活蚯蚓（不考虑蚯蚓繁殖）。5/26/202263实验结果分析七实验结果分析七v餐厨垃圾两相厌氧消化产氢产餐厨垃圾两相厌氧消化产氢产甲烷技术瓶颈分析甲烷技术瓶颈分析7中试与
50、实验室研究的工艺比较中试与实验室研究的工艺比较 接种物热处理对产氢的影响接种物热处理对产氢的影响 油脂对厌氧消化产氢的影响油脂对厌氧消化产氢的影响 5/26/202264 表24. 中试与实验室研究工艺对比工艺及结果工艺及结果血清瓶实验血清瓶实验中试实验中试实验接种物接种物颗粒污泥颗粒污泥餐厨垃圾土著微生物餐厨垃圾土著微生物主要代谢产物主要代谢产物乙酸、丁酸乙酸、丁酸乙醇、乙酸、丁酸、乳酸乙醇、乙酸、丁酸、乳酸代谢产物浓度代谢产物浓度 (mg/L)16000-2400013000-14000单位质量产气率单位质量产气率(mL/g VS)70.8771中试与实验室研究的工艺比较5/26/2022
