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餐厨垃圾产量日益增长，其对环境安全影响已引起人们的普遍关注。从环境友好及废物资源化的角度，厌氧发酵技术是对其进行科学处理的较佳选择。因而，为了推进餐厨垃圾资源化处理的产业化进程，进行餐厨垃圾产氢产甲烷处理的可行性及其系统工艺研究是非常必要的。此外，氢能是未来最具潜力的可替代能源之一，随着厌氧生物产氢技术研究的深入，利用有机废物产氢、产甲烷，进行资源回收的理念已逐步成为世界各国的共识，积极对其展开研究探索，具有重要的技术与理论发展意义。
本文首先研究了糖类、纤维素、蛋白质、脂肪等单一有机组分产氢发酵的可行性，以此开展餐厨垃圾产氢发酵的小型条件试验，并且研究了产氢发酵残渣进行甲烷发酵的可行性。为解决由于餐厨垃圾酸化给产氢过程带来的影响，开展了现场酸化餐厨垃圾实验室批式产氢发酵摇瓶试验。针对现有厌氧反应器的不足，开发了小型滚筒式厌氧反应器。依据该反应器运行试验结果优化滚筒式反应器结构，并对其内部扬板结构进行改进，开发出螺旋推流滚筒式厌氧反应器(SPFRD)。从餐厨垃圾资源化处理的产业化角度出发，构建了联合产氢产甲烷成套设备，而后进行了产氢产甲烷工艺试运行试验。最终，采用对接种污泥进行热休克处理的手段来富集产氢菌，保证联合产氢产甲烷工艺的顺利进行。主要研究成果如下：
(1)添加碱性废水可缓冲体系的pH，对米饭和芹菜的产氢总量分别提高0.17倍和7.33倍。添加0.4 g碳酸钙/40 g基质后，米饭发酵，氢气累积产量提高3.41倍。而对于鸡蛋和肥肉产氢发酵而言，添加碳酸钙未能显著改善反应体系的产氢效果。对于米饭产氢发酵来说，NaCl添加浓度为3 g/L系列(合1.3×10—3g/kg底物)时的产氢效果最好，较不添加NaCl提高约37.8％。但对于不同底物进行产氢发酵，其最佳的NaCl浓度有所不同。
(2)90％的含水率和添加适当的碱性添加剂可促进餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程，氢气产量提高81％。在矿化垃圾与碱性添加剂的协同作用下，对餐厨垃圾与污泥进行联合产氢发酵获得最大的氢气浓度为41％，氢气产率为96.1mL/gVS。水解反应不是餐厨垃圾产氢发酵的限制性步骤，中间产物有机酸进一步发酵转化为气相是产氢反应的限制性步骤。
(3)污泥接种率为60％时，残渣进行静态甲烷发酵获得最高甲烷产率为441.31 mL/gVS。产氢残渣动态甲烷发酵过程中，随着残渣进料负荷增加，甲烷产生量先升高再下降。低负荷下，提高负荷量可提高甲烷产量，但负荷达到一定程度后，再增加负荷时，残渣甲烷产量迅速下降。本次试验得到残渣甲烷动态发酵最大负荷为52 kg/L/d，此时获得甲烷平均产率为370.36 mL/gVS。
(4)逐渐增加负荷的进料方式有利于小型滚筒式反应器建立稳定的产氢体系，维持较高的产氢能力。小型滚筒式反应器最佳的运行工况为长径比8：1、回流比0.5、转速20 rpm。在此运行条件下，小型滚筒式反应器内氢气浓度可稳定在45％左右，产氢量可维持在100～120 mLH2/gVS水平，且可维持稳定运行680 h(28 d)。与滚筒推流式厌氧反应器相比，CSTR反应器在产氢量、氢气浓度、持续时间、以及产氢速率方面，均与其存在较大差距，其中产氢量的差距达到了5倍以上。
(5)对10 L小型滚筒式产氢反应器内部扬板结构加以改进，开发出螺旋推流滚筒式厌氧反应器(SPFRD)，其内部物料流态呈螺旋推流式。在此基础上，通过反应器的比选构建联合产氢产甲烷工艺。联合产氢产甲烷工艺试运行情况表明，虽然甲烷罐甲烷的浓度保持在58％以上，但由于物料特性的差异，添加碱性添加剂未能达到预期的产氢效果，产氢罐氢气的浓度基本维持在1％左右，最高10％左右。摇瓶试验表明，通过热处理污泥富集产氢菌对于酸化程度高的现场餐厨垃圾产氢发酵是行之有效的途径。
(6)在联合产氢产甲烷30 d的运行试验中，SPFRD产氢罐内氢气的浓度基本保持在37～42％左右。进料负荷为20 kg/m3/d、30 kg/m3/d、50 kg/m3/d餐厨垃圾时，产氢体系获得的氢气表观产率分别为45.30 mLH2/gVS、40.04mLH2/gVS、28.71 mLH2/gVS。CSTR甲烷发酵罐内，甲烷的浓度基本维持在50～55％左右。进料负荷为17 kg/m3/d、25 kg/m3/d、42 kg/m3/d餐厨垃圾产氢出料时，CSTR甲烷罐获得的甲烷表观产率为216.32 mLCH4/gVS、189.42mLCH4/gVS和130.32mLCH4/gVS。SPFRD产氢罐内体系的pH维持在4.5～5.5之内：CSTR甲烷罐体系的pH基本维持在6.8～7.0左右。中试联合产氢产甲烷工艺可消除进料负荷提高对pH的影响。
(7)设计了处理规模为10t/d的餐厨垃圾联合产氢产甲烷处理厂，给出了主体发酵设备的尺寸以及相关的运行参数。通过对餐厨垃圾处理厂经营成本的核算，发现在计算固定资产折旧率的前提下，政府对餐厨垃圾至少需要补贴111.3元/t才能保证处理厂的正常运行。