城市有机固体废弃物固—液两相厌氧发酵工艺研究

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1、中图分类号：TK6单位代码：11414学号：2013210712题目城市有机固体废弃物固-液两相厌氧发酵工艺研究专业或领域化学工程研究方向新能源化工专业硕士生李宝晨指导教师周红军教授、江皓助理研究员现场导师常正林高级工程师入学时间：2013年9月论文完成时间：2016年5月硕士专业学位论文独创性声明郑重声明：本硕士专业学位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者

2、其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研究做出贡献的个人和集体，均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。作者签名：日期：导师签名：日期：硕士专业学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于：学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文

3、；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文属于保密范围，保密期限0年，解密后适用本授权书。本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书面同意，且须以中国石油大学（北京）为第一署名单位。作者签名：日期：导师签名：日期：-I-摘要摘要城市有机固体废弃物作为一种生物质，可以通过厌氧发酵工艺制沼气，产出的沼渣可进行堆肥生产有机肥。但是，城市有机固体废弃物成分复杂，采用的厌氧发酵工艺需要对复杂底物具有适用性和稳定性，同时，考虑到环境影响、经济因素，降低耗水量以

4、及沼渣处理成本，也是处理该底物时所需的工艺要求。本文以城市有机固体废弃物为原料，在过滤床反应器建立干发酵状态产酸相，在生物膜固定床反应器中建立液态产甲烷相，通过对产酸相水解酸化反应、生物膜培养以及固-液两相厌氧发酵产气特性的研究，得到以下结论：（1）在过滤床反应器中，对不同接种比的城市固体废弃物有机质进行水解酸化反应研究。水解酸化反应在初期占主导。随着底物中RDO（Readilydegradedorganic）组分被大量消耗，反应由酸化状态转化为甲烷化状态，但通过底物中的纤维素组分分析，底物中的有

5、机质仍有大量处于未水解酸环状态。反应器内底物的相对上升，使酸液中的可溶性有机质量上升，但水解酸化程度并没有相对提高，酸液中的大部分有机质依旧以水溶性有机质的形式存在。（2）以葡萄糖和产酸相酸液为原料，通过逐步降低HRT（Hydraulicretentiontime）的方式提高生物膜固定床反应器负荷，对生物膜进行培养试验，并辅以聚氨酯填料微生物增殖试验分析微生物在填料上的增殖过程。葡萄糖加酸液的两段式培养可以稳定的培养生物膜，而不会出现反应器波动失败等现象。在酸液培养前期的沼液还具有较强的水解酸化能

6、力，但随着甲烷化微生物的富集，水解酸化反应有削弱的趋势。在填料作为微生物附着载体时，会延长微生物的增殖周期，但甲烷化微生物活性却提高了。（3）基于前两阶段对两部分反应的研究基础，构建完整的固-液两相厌氧发酵体系，与底物产甲烷潜力试验进行对比分析。产甲烷相在15天的产酸周期内，虽然产沼气量仅为理论产沼气量的20%左右，但产甲烷量却能达到理论产甲烷量的40%左右。产酸相经过水解酸化后，依旧有大量的有机质没有进入酸液而存在于固体底物中，这部分底物需要持续的微生物作用进行分解利用。通过产甲烷相生物膜培养阶

7、段的试验数据分析，HRT依旧有降低的余量。（4）通过对产酸相中的沼渣、产甲烷相填料上的生物膜以及产甲烷相沼液进行群落结构分析发现，产甲烷相生物膜上细菌保存了大量可参与水解酸化的细菌。而产酸相沼渣细菌多样性虽然较低，但其参与水解酸化反应的细菌相对丰度提高。-II-摘要梭菌目（Clostridiales）、拟杆菌目（Bacteroidales）、互养菌目（Synergistales）三类细菌约占总细菌的35～45%左右，是三组样品中的优势细菌群体。在沼液中出现相对丰度较高的着色菌目（Chromatia

8、les），该细菌在生物膜培养过程中很难在生物膜上附着。在古菌方面上，甲烷鬃毛菌（Methanosaeta）与甲烷八叠球菌（Methanosarcina）作为甲烷化反应的参与主体，具有较高的相对丰度，填料对此两类古菌提供了聚集附着场所。但甲烷螺旋菌（Methanospirillum）在填料上附着作用较差，大多存在于沼液中。关键词：固-液两相厌氧发酵；干发酵；生物膜；沼气；群落结构-III-ABSTRACTStudyonbiogasproductionfromorganicfracti