餐廚垃圾市政污泥聯合厭氧消化處理技術

鄧國平，任玉森，李杰偉，孫業政

東江環保股份有限公司，廣東 深圳 518104

餐廚垃圾市政污泥聯合厭氧消化處理技術

鄧國平，任玉森，李杰偉，孫業政

東江環保股份有限公司，廣東 深圳 518104

餐廚垃圾有機質濃度高，在厭氧消化處理過程中容易致系統酸化而導致消化系統中止。采用餐廚垃圾與市政污泥聯合厭氧消化技術解決餐廚垃圾消化條件難控制的問題。結果表明，系統穩定運行時，在進料總固體(TS)濃度為10％左右，水力停留時間(HRT)為20 d，堿度控制在6 000～8 000 mgL時，餐廚垃圾與市政污泥聯合厭氧消化能穩定運行，且有機負荷達到5.29 g(L·d)，沼氣產量達1.03 Lg〔以揮發性固體(VS)計〕，沼氣中的甲烷濃度在59％以上。

餐廚垃圾；市政污泥；聯合厭氧消化

據統計，餐廚垃圾占城市生活垃圾總量的50％以上[1]。餐廚垃圾的主要成分為水分、糖類、蛋白質、脂類和鹽分等，易腐敗、變臭，直接影響城市的市容衛生，導致蟲害、鼠害甚至疾病傳播；更為嚴重的是，部分餐廚垃圾未經處理成為廉價飼料而流向養豬場，威脅民眾的生命健康[2]。另外，城鎮市政污泥含水率較高，產量巨大，處理難度高，給環保工作帶來巨大的挑戰[3]。目前深圳市城市市政污泥主要采用固化衛生填埋處理處置，該方法通過添加固化劑不僅增加了填埋廢物量，同時也占用著日趨緊張的土地資源[4]。餐廚垃圾與市政污泥具有有機質濃度高、含水量大(近80％)的特點，因此，該類廢物具有很高的生物質價值利用潛力，目前國內外普遍采用厭氧消化技術對該類廢物進行資源化處理[5]。厭氧消化生成的沼氣燃燒產生電能和熱能，電能可并網供居民使用，熱能可用于沼渣烘干脫水，提高沼渣的商品有機肥價值，真正實現了有機廢物的資源化、減量化和無害化。

厭氧消化技術的應用發展歷史較長，但在處理高固體濃度、高有機質濃度廢物(如餐廚垃圾)的過程中仍存在很多問題[6]，如餐廚垃圾單獨消化處理時極易出現酸化現象，處理效率低(負荷低)等，集中表現為：1)餐廚垃圾固體濃度高，流動性差，因此進料、攪拌和出料等工藝步驟執行較困難；2)反應器中單位體積的有機物濃度遠高于有機廢水，即單位體積中需要降解的物質多，從而使料液的酸性升高，導致酸化，又稱“酸中毒”，酸化將使厭氧反應過程停止；3)反應器內的料液與微生物充分、均一接觸的難度遠大于有機廢水[7-9]。這些因素影響了餐廚垃圾處理的產業化發展[10]，導致市政有機固體廢物厭氧發酵的裝置成本較高，設計難度較大，發酵工藝相對復雜。筆者擬采用餐廚垃圾與市政污泥聯合厭氧消化技術解決餐廚垃圾消化難控制的問題。

1 材料與方法

1.1 材料

餐廚垃圾來自深圳市某垃圾填埋場，其各項理化指標如表1所示；市政污泥來自深圳市某污水處理廠，其主要理化指標如表2所示。其中污染物指標均滿足GB 4284—84《農用污泥中污染物控制標準》要求。

表1 餐廚垃圾理化指標

注：總氮濃度約為蛋白質濃度的16％。

表2 濱河污水處理廠市政污泥主要理化指標

1.2 試驗方法

將厭氧消化處理進料基質的含水量均調整為(10±2)％。厭氧消化反應器容積50 L，攪拌強度、溫度(35 ℃)、pH由智能控制系統控制，試驗過程中的各指標分析均由深圳市華保科技有限公司承擔。試驗中，厭氧系統經馴化培養運行6個月后，采取分階段逐步提高餐廚垃圾有機負荷和提高市政污泥比例的方法，進行餐廚垃圾聯合市政污泥厭氧消化試驗。試驗分4個階段(表3)：第1階段為單一消化餐廚垃圾，有機負荷為2.34 g(L·d)條件下穩定運行約30 d后提高有機負荷至3.50 g(L·d)運行約10 d，因有機負荷提高后系統不能正常運行而中止第1階段試驗。為解決該問題采取了添加市政污泥的方案，在系統恢復正常后進行了餐廚垃圾與市政污泥的配比試驗。將餐廚垃圾與市政污泥按質量比為2∶1混合后進行第2階段試驗，此時有機負荷為3.79 g(L·d)，HRT為25 d；運行后期由于氨氮濃度過高重新進行了配比調整，將餐廚垃圾與市政污泥質量比調整為1∶1進行第3階段試驗，有機負荷為3.77 g(L·d)，HRT為25 d；第4階段餐廚垃圾與市政污泥配比不變(1∶1)，提高有機負荷至5.29 g(L·d)，HRT為20 d。

表3 厭氧消化試驗設計

2 結果與分析

2.1 pH與揮發性脂肪酸(VFA)濃度變化

試驗過程中每天監測pH，每3～4 d監測一次VFA濃度，結果如圖1所示。由圖1可知，第1階段在低有機負荷〔2.34 g(L·d)〕時，餐廚垃圾單獨厭氧消化的pH和VFA濃度均較穩定；當提高餐廚垃圾有機負荷〔3.50 g(L·d)〕時，pH低于系統正常控制范圍出現酸化，VFA濃度也急劇升高到近5 000 mgL，說明當有機負荷提高時，酸化現象影響發酵系統不能正常運行。而在添加市政污泥后的第2、第3和第4階段(40 d以后)試驗中，pH(6.80～7.60)與VFA濃度(2 000～3 000 mgL)基本保持在系統正常運行的范圍。

圖1 聯合厭氧消化系統pH和VFA濃度變化Fig.1 pH and VFA of anaerobic digestion system

為了保證反應器內有足夠濃度的厭氧菌，pH通常應維持在7.0～7.5，以滿足厭氧菌的最佳生長代謝環境[11]，通常穩定的厭氧反應體系中pH可通過厭氧反應中的產酸反應和產甲烷反應平衡。但當產酸反應速率大于產甲烷化速率，則出現有機酸的積累，pH降低，而低pH抑制了甲烷化反應，加劇了有機酸的積累，形成有機酸濃度增加的惡性循環[12]。為維持系統穩定的pH，在應急情況下可采用加堿中和等手段。

2.2 氨氮濃度及堿度變化

餐廚垃圾市政污泥聯合消化系統每3～4 d監測一次氨氮濃度及堿度，其變化如圖2所示。由圖2可知，隨著厭氧消化系統有機質停留時間的縮短(有機負荷提高)，在第2階段(40～60 d)明顯檢測到氨氮濃度有積累升高的趨勢，從約1 500 mgL升高到約2 500 mgL，最終導致系統運行不正常。分析認為是由于氨氮濃度過高對厭氧菌的生物活性有抑制的作用，但抑制濃度的閾值和抑制的程度均沒有一定的標準，通常認為氨氮濃度在2 000 mgL時就會產生明顯的抑制效果[13]。第3和第4階段(65～110 d)在同樣的有機負荷條件下，通過增加市政污泥的添加比例，氨氮濃度能有效地降低至正常的范圍。

圖2 氨氮濃度和堿度變化Fig.2 The comcentraion of ammonia and alkalinity in anaerobic digestion system

根據任南琪等[11]的研究可知，正常運行的厭氧反應器堿度為小于5 000 mgL，而在該試驗中，厭氧消化系統的堿度從開始的7 729 mgL降到最后的6 758 mgL，比正常堿度值要高出30％左右。隨著有機負荷的提高，整個過程的堿度略有降低，但均比較穩定。

2.3 厭氧消化沼氣變化

餐廚垃圾和市政污泥通過厭氧消化反應，其中的大部分有機碳在微生物的作用下轉化成沼氣(主要含二氧化碳和甲烷，占99％)，沼氣中常含有少量硫化氫，是由厭氧消化蛋白質(蛋白質中含二硫鍵)產生的，沼氣的產率以及沼氣中甲烷濃度直接反應厭氧消化體系進程[14]。沼氣產率通過濕式流量計檢測，沼氣中的甲烷用堿吸收法測定，試驗結果如表4和圖3所示。由表4和圖3可知，餐廚垃圾與市政污泥聯合消化沼氣產氣量隨有機負荷的增加而增加，而沼氣中的甲烷濃度有所降低。

表4 厭氧系統沼氣產量統計

圖3 厭氧系統沼氣產率變化Fig.3 The productivity of biogas from anaerobic digestion

2.4 TS濃度變化

厭氧消化基質進料和出料的固體濃度不但是厭氧反應的重要控制因素，其變化值也是厭氧消化效率高低的重要衡量指標[15]，該試驗4個階段平均TS濃度變化如表5所示。

由表5可知，餐廚垃圾和市政污泥中的有機質濃度較高〔VS(揮發性固體)TS達到80％以上〕，單獨消化處理餐廚垃圾TS去除率可達71.70％，與市政污泥聯合消化去除率約60％。通過聯合消化技術，可使有機負荷從單獨消化的2.34 g(L·d)提高到5.29 g(L·d)；沼氣產率也可從0.78 Lg提高到1.03 Lg，提高了32.05％。

表5 餐廚垃圾市政污泥厭氧消化固體物料統計分析

1)VS為揮發性固體；TS為總固體。

3 結論

(1)利用餐廚垃圾與市政污泥聯合消化不僅能起到以廢治廢的目的，更重要的是能解決餐廚垃圾單獨消化出現的酸化現象，使厭氧消化系統的pH維持在6.80～7.60；當餐廚垃圾與市政污泥質量比為1∶1時，氨氮濃度維持在1 500～2 000 mgL，系統可正常運行。

(2)餐廚垃圾與市政污泥聯合消化有效地提高了厭氧消化系統的有機負荷率，有機負荷從單獨消化的2.34 g(L·d)提高到聯合消化的5.29 g(L·d)。有機負荷的提高縮短了反應停留時間(20 d)，極大地提高了設備設施的利用效率，可為產業化生產處理提供參考。

(3)聯合消化同時提高了系統的沼氣產氣量，單位TS產氣量從單獨消化的0.78 Lg提高到聯合消化的1.03 Lg，提高了32.05％。

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ResearchonAnaerobicCo-digestionofFoodWasteandSewageSludge

DENG Guo-ping, REN Yu-sen, LI Jie-wei, SUN Ye-zheng

Dongjiang Environment Co., Ltd., Shenzhen 518104, China

The organic matter content of food waste is high and can easily cause system acidification and suspension in the process of anaerobic digestion. The anaerobic co-digestion technology to jointly treat food waste and sewage sludge was studied, which could well solve the difficulty of controlling the food waste digestion conditions. The results showed that the anaerobic co-digestion of food waste and sewage sludge could run steadily when the total solid(TS) content of the feeding waste was about 10％, hydraulic retention time(HRT) being 20 d, and alkalinity controlled between 6 000-8 000 mgL. And under these conditions, the organic loading rate reached 5.29 g(L·d), the biogas production rate reached 1.03 Lg (calculated by volatile solid(VS)) and the methane content in biogas was more than 59％.

food waste; sewage sludge; anaerobic co-digestion

1674-991X(2013)02-0179-04

2012-09-06

深圳市科技計劃項目(JSA200903201352A)

鄧國平(1981—)，男，工程師，碩士研究生，主要從事環境生物應用技術研究，dgp@dongjiang.com.cn

X53

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.029