基本信息
- 项目名称：
- 餐厨垃圾和污泥联合厌氧发酵制取氢气
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 餐厨垃圾和污泥联合厌氧发酵产氢技术是一种较为理想的生物法处理餐厨的有效技术，本课题通过研究餐厨和污泥的不同预处理方式、F/M和有机负荷、初始pH值、膨润土等对产氢的影响，探究并优化产氢的最佳工艺条件，从而为最终工业化提供有效参数，该研究既可解决生活垃圾和污水处理厂污泥的污染问题，又可制备清洁的能源，具有长期发展的战略意义，对我国固体废弃物污染控制及节能减排工作起到重要推进作用。
- 详细介绍：
- 随着经济的发展和各国城市化进程的推进，餐厨垃圾对人类生活和居住环境的影响日益明显，已经是全世界亟待解决的一个大问题。与其它垃圾相比，餐厨垃圾具有含水率高、有机含量高、盐分及油脂含量高、糖类含量比率大、营养元素丰富、有毒有害物质含量少等特点，这使其具备资源化利用，变废为宝的条件。餐厨垃圾和污泥联合厌氧发酵产氢技术是一种较为理想的生物法处理餐厨的有效技术，首先，产生的氢可用作汽车燃料、供热及发电，解决我国部分地区能源短缺问题，有较高的经济利用价值。再者，发酵产氢后的沼液可进行产甲烷过程，最后的沼液通过处理，可制成肥料，使沼渣和沼液重新被植物利用，这样不仅可以实现废弃物的减量化、资源化、无害化处理，更可代替传统化肥，减少对土壤、水体及空气的污染，使农业朝绿色循环方向发展。 目前国内外关于餐厨垃圾和污泥联合厌氧发酵产氢问题的研究还不多，大部分的研究都还处于起步阶段，本课题分析了餐厨垃圾以及接种污泥的含水率、挥发分等组成及性质，通过对餐厨进行酸、碱处理以及对污泥进行热处理，来探究预处理对产氢的影响，再通过控制F/M、有机负荷以及改变初始pH、添加碱剂来探究产氢的最佳工艺条件。 通过试验，本团队得到以下结论：（1）酸处理餐厨+热处理污泥是最优的预处理方式，这种处理可以大大提高产氢效率，增强反应体系的抗酸化能力，使体系处于以丁酸型发酵为主的稳定状态；（2）有机负荷为25gVS/L、F/M=5时，体系反应较充分，可较大程度上利用餐厨垃圾和污泥进行厌氧发酵产氢；（3）加入膨润土后初始pH为7.5可较大程度的产氢；（4）本试验内加入一定量碱剂十二烷基磺酸钠对产氢不利，膨润土对产氢具有较好的效果。 此外，本课题研究内容具有良好的应用前景，在已经探究得出餐厨垃圾和污泥联合厌氧发酵制取氢气最佳工艺条件的基础上，可研究餐厨垃圾和污泥厌氧发酵联产氢气和甲烷，包括反应器各种参数的设定、联产条件优化等内容，并结合现有厌氧发酵产甲烷技术的工程应用，将餐厨垃圾和污泥厌氧发酵联产氢气甲烷技术运用到实际工程项目中。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写目的： 餐厨垃圾与污泥联合厌氧发酵制取氢气是实现生活垃圾资源化、无害化的有效技术，本文通过探究餐厨与污泥联合产氢的最优工艺条件，从而为工业化提供有效依据。 基本思路： 首先通过对餐厨垃圾和污泥进行预处理确定最佳预处理方式，进而研究两者的混合比例和有机负荷对产氢的影响，在此基础上研究添加膨润土情况下初始pH以及添加碱剂对产氢的影响，从而确定产氢最佳工艺条件。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性： 餐厨垃圾富含有机物，在特定环境下能被微生物降解，过程中会产生氢气、甲烷等气体，而微生物厌氧发酵产氢需要一个特定的环境条件，通过控制一些条件可以实现能源的最大化回收利用。 先进及独特之处： （1）强化预处理——针对餐厨垃圾的物理和化学特性，研究集破碎、除杂、均化、酸化为一体的综合预处理技术； （2）外部条件优化——首次考察了在膨润土的添加下产氢的最佳初始pH。
应用价值和现实意义
- 实际应用价值： 随着城市化进程的推进，餐厨垃圾产量的增大，其高效资源化处理必将成为未来新能源开发的一个方向，目前，人类对氢燃料的需求越来越多，厌氧发酵制氢技术具有很好的市场前景和实际应用价值。 现实意义： 利用餐厨垃圾和污泥联合制氢不但可以解决城市餐厨垃圾及污水厂污泥的污染问题，而且可以制备清洁的燃料能源，对我国固体废弃物污染控制及节能减排工作具有重要意义。
学术论文摘要
- 利用餐厨与污泥联合厌氧发酵是处理餐厨垃圾的有效途径。对餐厨垃圾产氢处理的系统工艺研究是非常必要的。本试验分析了餐厨垃圾以及接种污泥的含水率、挥发分等组成及性质，通过对餐厨进行酸、碱处理以及对污泥进行热处理，来探究预处理对产氢的影响，再通过控制F/M、有机负荷以及改变初始pH、添加碱剂来探究产氢的最佳工艺条件，从而确定出餐厨和污泥联合厌氧发酵的最佳工艺条件是：餐厨进行酸处理，污泥进行热处理，F/M=5，有机负荷为25gVS/L，初始pH为7.5。本试验范围内在500mL有效体积情况下，累计产氢量最高达812.63mL ，平均最高单位产氢量达65.01mLH2/gVS。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 曹先艳，袁玉玉，赵由才，牛冬杰，等.温度对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响 [J].同济大学学报，2008,36(7):943-946 [2] 宋庆彬，李爱民，鞠茂伟，等. 厨余与污泥联合发酵不同预处理产氢特性研究 [J]. 可再生能源， 2008，26(6): 62-65. [3] 陈文花.市政污泥厌氧发酵产氢的试验研究 [D].福州:福建师范大学硕士学位论文,2007. [4] 宋庆彬，李爱民，鞠茂伟，刘 卓，等.厨余和污泥不同混合比例碱处理产氢特性研究 [J].太阳能学报，2010,31(3):396-400. [5] 李东，袁振宏，孙永明，马隆龙，等.生活有机垃圾厌氧发酵联产氢气和甲烷 [J].农业工程学报，2009，25（增刊1）：59-63 [6] Kim S H, Han S K, Shin H S. Feasibility of biohydrogen production by anaerobic co-digestion of food waste and sewage sludge [J].International Journal of Hydrogen Energy, 2004, 29(15): 1607-1616.
同类课题研究水平概述
- 目前国内外许多学者关于发酵法制氢的研究范围主要是富含可溶性碳水化合物的有机废水，对于固体有机废弃物的发酵制氢研究很少，对于污泥和餐厨联合制氢，一些学者做了一些尝试。Kim等利用餐厨和污泥联合发酵，通过正交试验确定最佳餐厨与污泥配比为87︰13，并且VS质量分数w为3.0%，此条件下VSS 获得最大比产氢速率为111.2 mL/g•h。宋庆彬等研究认为餐厨与污泥在碱处理条件下，最佳餐厨污泥混合比例为5︰1，其氢气含量、最大比产氢速率(VS)和氢气产率(VS)分别达52.69%、1.73 mL/g•h 和50.27 mL/g。而陈文花等使用热处理污泥与餐厨垃圾按不同配比制成的混合物为试验样品，进行厌氧发酵实验，发现累积产氢量随着餐厨比例的增大而减小，当餐厨污泥比为1︰9 时，累积产氢量最大，这与前两人的研究结果存在较大差异。余瑞彰等研究了添加矿化垃圾和碱性添加剂的作用效果和作用机理以及关键影响因子对产氢性能的影响，研究表明，投加矿化垃圾及碱剂可以提高氢气产量。另外，许多学者对生物制氢单个因素做了一些研究，包括碳氮比的选择，微量元素的添加，无机盐的影响等。 生物制氢技术目前大部分仍处于实验室阶段，由于其产氢稳定、速率快等优点，使其成为研究热点，但是由于挥发性脂肪酸的积累而产生的反馈抑制作用限制了氢气产量，这一问题成为了技术瓶颈，另外，成本问题也制约其产业化应用，廉价底物的开发对降低生物制氢成本至关重要。
