生物炭强化餐厨垃圾与污泥共发酵的行为机理研究

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厌氧共发酵由于具有平衡C/N比、稀释毒性物质且能高效回收甲烷的优势越来越广泛的被人们用来进行厨余垃圾与污泥的处理。高温情况下厌氧发酵系统相较于中温能更好地减少挥发性固体并且灭活系统中的病原体,有着产甲烷速率高、甲烷产量大、有机物降解更为彻底的优势。但是当温度升高时水解速率也随之变快,在高有机负荷下更容易造成有机酸生成与降解的不平衡导致VFAs的积累。因此如何有效促进VFAs的降解,提高系统对pH值下降的抗冲击能力,是实现餐厨垃圾及污泥共发酵技术高效稳定运行的关键。传统以氢气/甲酸为电子介质的互营氧化过程往往是产甲烷阶段的限速步骤,本研究考察了生物炭在不同负荷下对厌氧发酵过程的促进效果,分析生物炭在发酵系统长期使用过程的效率变化,观察生物炭作用下不同VFA的EPS的变化及在发酵系统中的微生物负载特性分析互营氧化产甲烷的促进机制,得到了以下几点结论:(1)不同负荷下延滞时间t0和最大产甲烷速率Rmax均随负荷的增加而线性增加,其中未添加生物炭延滞时间最高可达18.6d而生物炭的添加使之维持在2d左右并且Rmax也提高1.86倍,当超过4500mg-COD/L时发酵系统的Rmax会受到限制,但是生物炭添加组并没有受负荷的影响有所减缓。这是由于生物炭的碱性官能团在高负荷下中和水解酸化产生的有机酸有效防止反应初期pH值的快速下降从而提高了系统的抗缓冲能力。(2)通过对生物炭作用下的三个周期共发酵实验发现,未添加生物炭的系统在三个周期下Rmax分别为7.25mL/d、17.58mL/d、22.61mL/d,生物炭的添加有效使Rmax提高到15.29mL/d、31.79mL/d、41.87mL/d。同个发酵系统中Rmax增长速率虽然在第三周期时都有所变缓但是生物炭的添加显然长期有利于系统中Rmax的提高。(3)通过对单一VFA的降解动力学实验可知,生物炭的添加有效的缩短了丁酸向乙酸的转化而且还促进了乙酸向甲烷的转化,对共发酵系统微生物种群的分析证实了生物炭可以增加系统互营氧化产甲烷古菌的丰富度(如Methanosaeta和Methanosarcina从41.1%增加至59.7%),种间H2传递的抑制实验间接说明了生物炭能够促进细菌和附着在多孔生物炭上的产甲烷菌之间的电子交换为主的直接种间传递DIET过程。
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