《王星博士论文答辩》PPT课件.ppt
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1、导师:王德汉导师:王德汉 教授教授餐厨垃圾水解酸化产氢餐厨垃圾水解酸化产氢耦合后续产甲烷研究耦合后续产甲烷研究申请同济大学工学博士学位答辩申请同济大学工学博士学位答辩博士生:王星博士生:王星导师:赵由才教授导师:赵由才教授5/26/20222主要内容主要内容前前 言言论文研究内容论文研究内容实验结果分析实验结果分析结结 论论致致 谢谢5/26/20223主要内容主要内容前前 言言论文研究内容实验结果分析结 论致 谢5/26/20224研究背景研究背景v以填埋、饲养生猪为主的餐厨垃圾处置方法以填埋、饲养生猪为主的餐厨垃圾处置方法v以餐厨垃圾为原料制作生猪饲料则导致了动物同以餐厨垃圾为原料制作生猪
2、饲料则导致了动物同源性饲料广泛使用,容易造成疾病的扩散。源性饲料广泛使用,容易造成疾病的扩散。v上海市农委根据农业部文件已经明确表示利用灭上海市农委根据农业部文件已经明确表示利用灭菌餐厨垃圾生产的饲料不能作为禽畜养殖饲料。菌餐厨垃圾生产的饲料不能作为禽畜养殖饲料。5/26/20225v京都议定书京都议定书:20122012年后,中国承担减排义务年后,中国承担减排义务v餐厨垃圾厌氧消化产氢对温室气体减排意义重大。餐厨垃圾厌氧消化产氢对温室气体减排意义重大。v今后,我国餐厨垃圾厌氧消化工业市场广阔。今后,我国餐厨垃圾厌氧消化工业市场广阔。5/26/20226v餐厨垃圾厌氧消化产甲烷技术成熟餐厨垃圾
3、厌氧消化产甲烷技术成熟n有机负荷率、停留时间、温度有机负荷率、停留时间、温度v产氢过程问题产氢过程问题n接种物热处理接种物热处理抑制耗氢菌活性、以富集氢气抑制耗氢菌活性、以富集氢气(能耗高、操作繁琐)(能耗高、操作繁琐)v与产甲烷过程耦合时存在的问题与产甲烷过程耦合时存在的问题n氨氮、挥发性脂肪酸氨氮、挥发性脂肪酸研究进展研究进展5/26/20227v如何在低能耗的情况下抑制产氢过程中耗氢菌的如何在低能耗的情况下抑制产氢过程中耗氢菌的活性?活性?v产氢、产甲烷过程的优化产氢、产甲烷过程的优化v产氢、产甲烷阶段的良好衔接产氢、产甲烷阶段的良好衔接v如何处置沼渣更生态如何处置沼渣更生态主要解决的问
4、题:主要解决的问题:5/26/20228主要内容主要内容前 言 论文研究内容论文研究内容实验结果分析结 论致 谢5/26/20229 研究思路研究思路水解酸化阶段水解酸化阶段产甲烷阶段产甲烷阶段产甲烷菌产甲烷菌餐厨垃圾餐厨垃圾水溶性有机物水溶性有机物挥发性脂肪酸挥发性脂肪酸氢气、氢气、CO2、乙酸、乙酸C HC H4 4、COCO2 2水解细菌水解细菌酸化细菌酸化细菌产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌利用产酸相积累的挥发性脂肪酸抑制甲烷菌、富集氢气利用产酸相积累的挥发性脂肪酸抑制甲烷菌、富集氢气 氢气氢气 5/26/202210材料与方法材料与方法材料TS(%)VS(TS%)pH(无量纲 )C(%TS)
5、H(%TS)N(%TS)TCOD(g/L)餐厨垃圾23.561.2690.98 1.13 4.34 0.25 46.211.127.32 0.332.43 0.12211.52 10.34接种污泥6.440.3165.20 1.54 6.75 0.32 31.36 0.654.12 0.214.76 0.3296.42 3.67 表表1. 餐厨垃圾和接种污泥的理化性质餐厨垃圾和接种污泥的理化性质 餐厨垃圾经机械打浆,制成糊状半流体态,于冷柜内餐厨垃圾经机械打浆,制成糊状半流体态,于冷柜内(4 )保存备用。混合菌群采用江苏某酒精厂厌氧)保存备用。混合菌群采用江苏某酒精厂厌氧消化池颗粒污泥消化池颗
6、粒污泥 ,污泥取回后于塑料瓶内密封,并置,污泥取回后于塑料瓶内密封,并置于冰箱(于冰箱(4)保存)保存 。5/26/202211 图图1.排水法试验装置图排水法试验装置图 实验装置实验装置36 恒温室恒温室 量筒量筒发酵底物发酵底物采气口采气口血清瓶血清瓶硅胶管硅胶管排水集气瓶排水集气瓶饱和饱和NaCl溶液溶液5/26/202212 1 1 外源混合菌群存在下餐外源混合菌群存在下餐厨垃圾厌氧消化产氢研究厨垃圾厌氧消化产氢研究2 2 餐厨垃圾厌氧消化产氢工餐厨垃圾厌氧消化产氢工艺的满意度函数优化研究艺的满意度函数优化研究5 5 餐厨垃圾两相厌氧消餐厨垃圾两相厌氧消化产氢产甲烷中试研究化产氢产甲烷
7、中试研究6 6 餐厨垃圾厌氧消化残餐厨垃圾厌氧消化残余物的蚯蚓处置研究余物的蚯蚓处置研究3 3 餐厨垃圾预处理对厌餐厨垃圾预处理对厌氧消化产氢的影响研究氧消化产氢的影响研究4 4 餐厨垃圾厌氧消化产餐厨垃圾厌氧消化产氢残余物的甲烷化研究氢残余物的甲烷化研究论文研论文研究内容究内容5/26/202213主要内容主要内容前 言论文研究内容实验结果分析实验结果分析结 论致 谢5/26/202214实验一实验一v外源混合菌群存在下餐厨垃圾外源混合菌群存在下餐厨垃圾厌氧消化产氢的工艺研究厌氧消化产氢的工艺研究1实验目的:实验目的:通过单因素实验研究餐厨垃圾通过单因素实验研究餐厨垃圾含量、菌群含量分别对厌
8、氧消含量、菌群含量分别对厌氧消化产氢的影响,确定两者的最化产氢的影响,确定两者的最佳用量。佳用量。5/26/2022151 1 餐厨垃圾含量对氢气产率的影响餐厨垃圾含量对氢气产率的影响 v固定颗粒污泥含量,改变餐厨垃圾用量来研究餐厨垃圾负固定颗粒污泥含量,改变餐厨垃圾用量来研究餐厨垃圾负荷对厌氧消化产氢的过程的影响。荷对厌氧消化产氢的过程的影响。 表表1.1.颗粒污泥含量与餐厨垃圾含量颗粒污泥含量与餐厨垃圾含量实验编号实验编号颗粒污泥颗粒污泥(g VS/L)餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量(g VS/L)119.09 20.75 219.09 41.52 319.09 62.28 419.09 83.
9、05 519.09 103.80 619.09 124.57 5/26/202216 20406080100120140051015202530354045氢气产率( mL/ g VS)4567pH 厌氧消化体系中餐厨垃圾含量 (g VS/L)图2.餐厨垃圾含量与氢气产率、pH关系5/26/2022170100200300010203040506070甲 烷浓 度(%, V/V)时 间(h)01002003000100200300400500600甲 烷累积产量(mL)时 间(h) 20.75 g VS/L 41.52 g VS/L图图3.3.餐厨垃圾含量对甲烷产量、甲烷浓度的影响餐厨垃圾含量
10、对甲烷产量、甲烷浓度的影响r 62.28 g VS/L 83.05 g VS/L 103.80 g VS/L 124.57 g VS/L5/26/2022181234560400080001200016000有机酸浓 度(mg/L) 厌氧体系中餐厨垃圾含量(g VS/L)( 乙酸 丙酸 异丁酸 正丁酸 异戊酸 正戊酸) 图4.不同餐厨垃圾含量下VFA浓度20.75 41.52 62.28 83.05 103.80 124.57 5/26/2022192 2 厌氧消化体系中颗粒污泥含量对产氢的影响厌氧消化体系中颗粒污泥含量对产氢的影响 v固定餐厨垃圾含量条件,改变混合颗粒污泥含量来研究混固定餐厨
11、垃圾含量条件,改变混合颗粒污泥含量来研究混合菌群对餐厨垃圾厌氧消化产氢的过程的影响。合菌群对餐厨垃圾厌氧消化产氢的过程的影响。 表表2.2.实验设置实验设置实验编号实验编号餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量 (g VS/L)颗粒污泥含量颗粒污泥含量 (g VS/L)1103.83.832103.87.673103.811.514103.815.345103.819.176103.823.015/26/2022200100200300010203040506070010020030001020304050607001002003000102030405060700100200300010203040506
12、07001002003000102030405060700100200300010203040506070氢气累积产率(mL/ g VS)氢气累积产率(mL/ g VS)时 间(h)时 间(h)时 间(h)污泥含量污泥含量 3.83 g VS/L 7.67 g VS/Lrr 11.51 g VS/L 23.01 g VS/L 15.34 g VS/L 19.17 g VS/L :109.09图 6. 颗粒污泥含量对氢气累积产率的影响 :39.91 :26.55 :17.53 :9.02 :8.9446.3852.3252.6367.2467.8566.075/26/20222101002003
13、0001020304050607001002003000102030405060700100200300010203040506070010020030001020304050607001002003000102030405060700100200300010203040506070氢气浓 度(%)时 间(h)氢气浓 度(%)时 间(h)时 间(h)图图7. 7. 颗粒污泥含量对氢气浓度的变化的影响颗粒污泥含量对氢气浓度的变化的影响污泥含量污泥含量 3.83 g VS/L 7.67 g VS/Lrr 11.51 g VS/L 23.01 g VS/L 15.34 g VS/L 19.17 g
14、VS/L5/26/202222实验二实验二v餐厨垃圾厌氧消化产氢工艺的餐厨垃圾厌氧消化产氢工艺的满意度函数优化研究满意度函数优化研究 25/26/202223v1 1、氢气产率高、氢气产率高 a. a. 产氢残余物中富含乙酸产氢残余物中富含乙酸 b. b. 产氢残余物中富含丁酸产氢残余物中富含丁酸v2 2、能较好的满足产氢结束后的产甲烷过程的顺利、能较好的满足产氢结束后的产甲烷过程的顺利进行进行 c. SCODc. SCOD浓度高浓度高 d. d. 丙酸含量低丙酸含量低什么样的工艺是好的产氢工艺?什么样的工艺是好的产氢工艺?5/26/202224餐厨垃圾厌氧消化产氢工艺优化餐厨垃圾厌氧消化产氢
15、工艺优化 v选用中心旋转实验设计选用中心旋转实验设计(CCD)(CCD)v自变量:餐厨垃圾含量(自变量:餐厨垃圾含量(X X1 1)、混合菌群浓度)、混合菌群浓度(X X2 2)v因变量(响应值):因变量(响应值):氢气产率(氢气产率(Y Y1 1)、丙酸浓度丙酸浓度(Y Y2 2)、丁酸浓度(丁酸浓度(Y Y3 3)、乙酸浓度(乙酸浓度(Y Y4 4)、SCODSCOD浓度(浓度(Y Y5 5) 5/26/202225实验编号实验编号餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量(X1)颗粒污泥含量颗粒污泥含量(X2)177.857.67277.85233129.757.674129.7523567.1015.3
16、46140.5015.347103.84.508103.826.179103.815.3410103.815.3411103.815.3412103.815.3413103.815.34表3. CCD实验设计5/26/202226v将餐厨垃圾、颗粒污泥含量值与各响应值将餐厨垃圾、颗粒污泥含量值与各响应值( (氢气产氢气产率、乙酸、丙酸、丁酸、率、乙酸、丙酸、丁酸、SCODSCOD浓度浓度) )进行二次非线进行二次非线性回归拟合,拟合时采用的模型方程为:性回归拟合,拟合时采用的模型方程为:11112 + =kkkki=i=ij0i iii iij i jY AAxA xAxx 经方差分析后,从五
17、个响应值(氢气产率经方差分析后,从五个响应值(氢气产率Y Y1 1、丙、丙酸浓度酸浓度Y Y2 2、丁酸浓度、丁酸浓度Y Y3 3、乙酸浓度、乙酸浓度Y Y4 4、SCODSCOD浓度浓度Y Y5 5)中筛选出与餐厨垃圾含量、菌群浓度显著相关的响中筛选出与餐厨垃圾含量、菌群浓度显著相关的响应值。应值。5/26/202227结果分析结果分析模型模型线性项线性项p值值二次项二次项p值值交互项交互项p值值模型模型p值值X1(餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量)X2(颗粒污泥含量颗粒污泥含量)X12X22 X1X2氢气产率氢气产率 (Y1)0.002 0.0001 0.026 0.004 0.0830.003丙
18、酸丙酸 (Y2)0.107 0.014 0.007 0.039 0.596 0.015丁酸丁酸 (Y3)0.0369 0.0058 0.113 0.158 0.041 0.017乙酸乙酸 (Y4) 0.0730.095 0.142 0.108 0.4470.09SCOD (Y5)0.2840.1300.4600.1580.502 0.23表表4.方差分析结果方差分析结果5/26/202228v氢气产率氢气产率: :Y Y1 1 = -53 + 1.305X = -53 + 1.305X1 1 + 7.357X + 7.357X2 2 - 0.011X - 0.011X1 12 2 + 0.03
19、5X + 0.035X1 1X X2 2 - 0.284 X - 0.284 X2 22 2 v丙酸浓度丙酸浓度:Y:Y2 2 = 8024.161 - 110.309 X = 8024.161 - 110.309 X1 1 - 202.688 X - 202.688 X2 2 + 0.536 X + 0.536 X1 12 + 0.356 2 + 0.356 X X1 1X X2 2+ 4.165 X+ 4.165 X2 22 2 v丁酸浓度丁酸浓度:Y:Y3 3 = 14183.47 - 94.775 X = 14183.47 - 94.775 X1 1 - 73.15252 X - 73
20、.15252 X2 2 +0.1083 X +0.1083 X1 12 2 +3.4123X +3.4123X1 1X X2 2- - 5.811X5.811X2 22 2 图图11. 11. 氢气产率、丙酸浓度、丁酸浓度与餐厨垃圾含量、颗粒物料含量关系氢气产率、丙酸浓度、丁酸浓度与餐厨垃圾含量、颗粒物料含量关系氢气产率氢气产率丙酸浓度丙酸浓度丁酸浓度丁酸浓度5/26/202229v满意度函数是对每个响应值分别建立单一函数方程,根据满意度函数是对每个响应值分别建立单一函数方程,根据研究者的目的(期望相应值最大、期望值最小等)将每个研究者的目的(期望相应值最大、期望值最小等)将每个响应值转化为无
21、量纲值,即单项满意度(响应值转化为无量纲值,即单项满意度(didi)。单项满意)。单项满意度的计算中,常用的计算方法为以下几种:度的计算中,常用的计算方法为以下几种:期望响应值最大时,单项满意度函数由方程(期望响应值最大时,单项满意度函数由方程(1 1)计算:)计算:idiwtiiiiYLowHighLow= 0 = Yi Highi= 1 Lowi Yi Highi Yi (预测值) Highi= 1 Lowi Yi Highi Yi Lowi期望响应值最小时,单项满意度函数由方程(期望响应值最小时,单项满意度函数由方程(2 2)计算:计算:(1)(2)5/26/202230实验实验编编号号
22、自变量自变量 (g VS /L)实验测试结果实验测试结果 满意度值满意度值(D)餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量(X1)颗粒污泥含量颗粒污泥含量(X2)氢气产率氢气产率(Y1, mL/g VS)丙酸浓度丙酸浓度 (Y2, mg/L)丁酸浓度丁酸浓度(Y3, mg/L) 177.857.6752.231214.87 9245.61 0.3797 277.852368.57618.09 9030.58 0.7999 3129.757.674.851678.24 6124.25 0.0000 4129.752349.381364.58 8624.15 0.6205 567.1015.3458.26 1638
23、.42 8751.24 0.6520 6140.5015.3441.171724.57 8315.22 0.3104 7103.84.502.461951.26 6283.26 0.1109 8103.826.1759.81 946.84 9125.810.7933 9103.815.3467.43 868.91 8121.510.8800 10103.815.3466.79 726.24 8324.050.8800 11103.815.3470.11 784.159216.370.8800 12103.815.3465.47 887.318467.910.8800 13103.815.346
24、1.24 665.838150.180.8800 表5. 实验结果5/26/202231D =-1.674 +0.0355 X1 + 0.096 X2 -0.000223X12 + 0.000314 X1X2 - 0.0031X22 图图12. 12. 满意度值与餐厨垃圾含量、颗粒物料含量关系满意度值与餐厨垃圾含量、颗粒物料含量关系v经过满意度函数优化后,产氢工艺的最佳组合为经过满意度函数优化后,产氢工艺的最佳组合为餐厨垃圾含量餐厨垃圾含量 93.84 g VS/L, 93.84 g VS/L, 颗粒污泥含量颗粒污泥含量 20.25 g VS/L20.25 g VS/L 5/26/202232
25、实验三实验三v餐厨垃圾预处理对厌氧消化产餐厨垃圾预处理对厌氧消化产氢的影响氢的影响 3高温热水解对餐厨垃圾的性质的影响高温热水解对餐厨垃圾的性质的影响调节初始调节初始pH值对餐厨垃圾产氢的影响值对餐厨垃圾产氢的影响5/26/2022331 1 高温热水解对餐厨垃圾性质的影响高温热水解对餐厨垃圾性质的影响v选取选取TSTS含量分别为含量分别为10%10%、15%15%、20%20%的餐厨垃圾,在的餐厨垃圾,在120120条条件下高温热水解。热水解时间分别为件下高温热水解。热水解时间分别为30 min30 min、45 min45 min、60 60 minmin。0 min30min45min6
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