【摘要】 隨著全球人口的增長，餐廚垃圾的排放量逐漸增大，大量的餐廚垃圾一方面給世界各國帶來了嚴重的環(huán)境污染，另一方面導致了大量生物質能的浪費。傳統(tǒng)的餐廚垃圾處理方法（如焚燒、填埋等）雖然能將餐廚垃圾處理，但會產生二次污染，不利于環(huán)境保護。作為一種綠色環(huán)保的處理工藝，厭氧發(fā)酵技術不但可以通過微生物將餐廚垃圾降解，還可以回收餐廚垃圾中的生物質能并將其轉化為能源氣體——甲烷。本文進行了厭氧發(fā)酵技術處理餐廚垃圾產沼氣的研究，在優(yōu)化小試發(fā)酵的基礎上進行了中試水平的實驗；采用了餐廚垃圾固液分離雙發(fā)酵工藝，克服了高濃度鹽分和油脂對厭氧發(fā)酵的抑制；將餐廚垃圾與牛糞進行混合發(fā)酵，使原料中的營養(yǎng)元素更為均衡，提高了厭氧發(fā)酵效率。主要工作如下：1、由于批式發(fā)酵對餐廚垃圾的處理能力較低，本文在批式發(fā)酵的基礎上，重點考察了序批式厭氧發(fā)酵，優(yōu)化了序批式發(fā)酵的操作條件，并建立了序批式發(fā)酵過程中一個周期內的甲烷產氣模型。批式發(fā)酵結果表明，厭氧發(fā)酵最佳的總固體（TS）濃度為5.6%，對應的沼氣產率可達888mL/g-VS。序批式發(fā)酵的最佳進料負荷和保留時間分別為8g-VS/L和2d，對應的甲烷產率和化學需氧量（COD）去除率分別為436mL/g-VS和93.3%。在序批式發(fā)酵的一個進料周期內，甲烷的產氣規(guī)律符合兩個模型：有機酸積累時，為零級模型；有機酸無積累時，為一級模型。另外，研究了餐廚垃圾中各主要組分（淀粉、蛋白質和脂肪）單獨厭氧發(fā)酵時的產氣規(guī)律，建立了淀粉、蛋白質和脂肪的產氣模型。研究結果表明，淀粉單獨發(fā)酵時，產氣規(guī)律符合slogistic模型，第1d為水解階段，為限速步驟，沼氣主要在第2d內產生，平均沼氣產率為448mL/g-VS。蛋白質和脂肪單獨發(fā)酵時的產氣規(guī)律均符合零級模型，蛋白質的代謝速率較快，發(fā)酵在1d內完成；而脂肪的代謝速率較慢，發(fā)酵需要14d完成?；旌习l(fā)酵時，脂肪對淀粉和蛋白質的降解有抑制作用；在無脂肪存在的條件下，淀粉和蛋白質混合發(fā)酵的沼氣產率比模型預測值高。2、為了避免高濃度鹽分和油脂對厭氧發(fā)酵的影響，研究了雙發(fā)酵系統(tǒng)處理餐廚垃圾的工藝，即將餐廚垃圾的固液分離分別發(fā)酵，同時將油脂去除。批式發(fā)酵實驗表明，固液分離后的固相和液相的產氣速率和甲烷產率均比原餐廚的產氣速率高，固相、液相和原餐廚對應的甲烷產率分別為643、659和581mL/g-VS。序批式發(fā)酵實驗結果表明，固相、液相和原餐廚的最佳負荷率分別為9、4、7g-VS/L/d，在此條件下，固相、液相和原餐廚的甲烷產率分別為540、390、405mL/g-VS?；?span>1kg-VS原餐廚計，甲烷在雙系統(tǒng)和單系統(tǒng)中的總產量分別為405L和460L，這說明甲烷的總產量在固液分離雙系統(tǒng)中提高了13.6%。固相中的最佳C/N比、高濃度的微量元素和低濃度的油脂是雙系統(tǒng)中沼氣產量提高的原因。3、為了平衡餐廚垃圾中的營養(yǎng)元素，進一步提高厭氧發(fā)酵效率，選用了牛糞作為餐廚垃圾的混合物，考察了餐廚垃圾與牛糞混合發(fā)酵性能。批式實驗結果表明，當餐廚垃圾與牛糞的比例（FW/CM）為2：1時，厭氧發(fā)酵的甲烷產率最高，此配比下的批式發(fā)酵實驗中，餐廚垃圾負荷為8g-VS/L時，混合發(fā)酵比餐廚垃圾單獨發(fā)酵時的甲烷產率提高了41.1%，對應的甲烷的產率為388mL/g-VS。牛糞的加入提高了系統(tǒng)的緩沖能力，在沒有pH調控的情況下，厭氧發(fā)酵能夠在48g-VS/L的高負荷下穩(wěn)定運行。利用響應面技術對甲烷產率進行了優(yōu)化分析，結果表明，當餐廚垃圾的負荷為10g-VS/L/d時，混合體系的甲烷產率提高了55.2%，對應的甲烷產率為317mL/g-VS。較適宜的C/N、牛糞中豐富的微量元素和更強的油脂去除能力是混合發(fā)酵中沼氣和甲烷產量提高的主要原因。4、為了進一步提高厭氧發(fā)酵水平，本文對厭氧發(fā)酵罐進行了放大，分別考察了20L、30L和300L發(fā)酵罐的厭氧發(fā)酵。發(fā)酵穩(wěn)定時，20L發(fā)酵罐的沼氣和甲烷的產率分別為744mL/g-VS和467mL/g-VS，對應廢水的COD值在5-6g/L之間，總氮和總硫的含量分別在400mg/L和10mg/L以下。30L發(fā)酵罐序批式發(fā)酵時的最佳的攪拌轉速為100r/min，在此轉速下發(fā)酵罐內部的大部分發(fā)酵液處于流動狀態(tài)，平均流速為0.082m/s，既可以形成有效的傳質，又可以形成致密性較好的顆粒污泥。300L發(fā)酵罐最佳的餐廚垃圾負荷為6g-VS/L/d，對應的平均沼氣產率和廢水COD分別為680mL/g-VS和4g/L。
