餐厨垃圾中高温厌氧发酵的产沼动力学模拟及比较研究

来源:用户上传      作者:施宇森　应李广　黄顺寅　俞奔　洪钰婷　曹玉成

　　摘 要：通过批式试验研究了中温和高温2种工艺温度下餐厨垃圾厌氧发酵沼气产率及其动力学特征。结果表明：试验第33天，中温和高温处理系统比沼气产率分别达到706.14L/kg、897.80L/kg。Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型均可以用来模拟餐厨垃圾中高温发酵产沼动力学过程，其中Gompertz模型具有更高的拟合度（R2>0.99），预测值与实验观测值之间的吻合程度更高（相对均方根误差RRMSE<0.03，模型效率ME>0.99）、拟合求得的中温和高温系统最大沼气产气潜能分别为0.43m3·d-1、0.64m3·d-1，产气迟滞期分别为4.65d、3.65d，表明高温处理系统的产沼性能优于中温处理系统。
　　关键词：餐厨垃圾;厌气发酵;比沼气产率;动力学模拟
　　中图分类号  TS201.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）13-0155-04
　　Abstract： In this study， a batch experiment was conducted to study specific biogas production and kinetic characteristics of the anaerobic digestion of food waste at mesophilic and thermophilic conditions. Three kinetic models including the transference model， the modified gompertz model and the modified logistic model were considered to evaluate the biogas yield potential， the maximum biogas production rate and the duration of lag phase. Values of the specific biogas production were found to be 706.14L/kg for the mesophilic process and 897.80L/kg for the thermophilic process. The three kinetic models were proven to be suitable for predicting the biogas production of the two digstion process systems， and the modified Gompertz model was the best approach to fitting the experimental results （R2>0.99， RRMSE <0.03 and ME >0.99）. According to the modified Gompertz model， the maximum biogas production rate and the duration of lag phase were estimated as 0.43m3/d and 4.65d for the mesophilic process， respectively， and as 897.80 L/kg and 0.64 m3/d for the thermophilic process， respectively. The results indicated that the thermophilic digestion treatment of food waste could be better than the mesophilic digestion treatment in biogas production performance.
　　Key words： Food waste; Anaerobic digestion; specific biogas production; Kinetic modelling
　　餐厨垃圾资源化利用一直是国内外环境科学与工程领域研究的热点之一，也是当前我国生态文明建设推进的环保民生工程之一。據统计，2017年我国餐厨垃圾年产量高达1.58×108t。随着我国社会经济的发展、城镇化的推进和居民生活水平的提高，餐厨垃圾的产生量必将持续增加。长期以来，我国对餐厨垃圾的处置主要采用填埋、焚烧和饲料化利用3种方式[1]。填埋占用有限的土地资源，同时也难以避免向空气、水体以及土壤环境中排放污染物。焚烧具有减量化彻底、可完全灭绝有害生物、并可部分回收能源等优点，但是，焚烧处置不可避免地会产生大量携带多种有毒有害物质的烟气，而这些有毒有害物质的有效清除和净化需要大量的设施投入和较高的运行费用。饲料化利用可实现餐厨垃圾的资源化，但具有潜在的食物链风险，并容易滋生众多环境卫生问题。
　　厌氧消化是一种基于厌氧生物转化机理的废弃物稳定化、减量化和能源化处理技术，具有反应条件温和、运行成本低、二次污染小等优点。通常可将废物中近50%的有机物转化成沼气，所生成的沼气是一种可代替煤、天然气等化石燃料的清洁能源，产生的沼液和沼渣营养成分含量高，可直接或简单处理后替代化肥还田利用。因此，该技术已被广泛应用于畜禽粪污、污水处理厂污泥等富含有机质废物的处理[2-4]。而餐厨垃圾有机质和水分含量高，蕴含着大量生物质能，其高含水特性又为这类垃圾的厌氧消化能源转化提供了有利条件。近年来，我国许多地区正在掀起的生活垃圾分类工作为餐厨垃圾厌氧消化等能源化利用的产业化创造了极为有利的市场和政策条件。
　　厌氧发酵产气动力学研究可以获取产气速率、最大产气潜能等特征参数，对于工艺优化和指导工程设计具有重要意义。目前，国内外针对市政污泥和畜禽粪污厌氧发酵产气动力学开展了比较深入细致的研究，但对餐厨垃圾发酵动力学特征的研究还较为欠缺，特别是对餐厨垃圾中高温厌氧发酵动力学的比较研究还较少涉及[5]。为此，本试验以餐厨垃圾为供试材料，通过中试规模的批式试验研究中温和高温2种工艺温度下餐厨垃圾厌氧发酵沼气产生量，在此基础上，利用Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型模拟产沼过程，获取相关动力学参数，以期为餐厨垃圾厌氧发酵工艺优化设计提供参考。
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