間歇式厭氧生物組合工藝處理餐廚垃圾中試研究

彭明國，朱衛(wèi)兵，杜爾登，史東曉，張進鋒，李月中

（1.常州大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇 常州 213002；2.江蘇維爾利環(huán)保科技股份有限公司，江蘇 常州 213125；3.常州市生活廢棄物處理中心，江蘇 常州 213171）

1 材料與方法

1.1 餐廚垃圾

樣品為某餐館餐廚垃圾、菜場果蔬垃圾混合物，垃圾成分包括米飯、豬肉、魚蝦、果蔬菜葉等，經(jīng)手工篩選除去其中的骨頭、筷子等大塊雜質，保存待用。測定其固體含量為11.3%，SS為44.3%，密度1.13 kg/L。

1.2 實驗裝置

本實驗采用自行設計的組合式厭氧消化裝置，包括機械反應器、厭氧反應器，工藝裝置示意見圖1。機械反應器是1臺臥式裝置，帶有攪拌葉片，有效容積5 m3，實現(xiàn)餐廚垃圾破碎成漿預處理功能；厭氧反應器是工藝主體設備，鋼結構罐體，直徑4.0 m，有效容積30 m3，內(nèi)部有PE帶狀填料，占有效容積的30%，反應器上升流速0.8 m/h，此外部分厭氧消化出水回流至機械反應器，對餐廚垃圾進行淋洗，餐廚垃圾中的有機組分在機械攪拌和消化回流液的作用下進行酸化水解，并溶入消化回流液。另一部分消化出水外排至填埋場滲瀝液處理站集中處置，厭氧消化產(chǎn)生的沼氣收集利用。

圖1 組合工藝示意

1.3 分析項目與方法

沼氣成分分析采用紅外測定法（北斗星氣體分析儀）；VFA（揮發(fā)性脂肪酸）以酚酞指示劑滴定法測定。化學需氧量（COD） 檢測方法為GB 11914—1989重鉻酸鉀氧化法；pH檢測用玻璃電極法；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定。

1.4 實驗過程

在組合反應初始啟動階段，往厭氧反應器中倒入4.0 t污水廠厭氧消化污泥，啟動期間不進行厭氧消化液回流。機械反應器加入一定體積餐廚垃圾，破碎成漿液后，采用間歇方式進入?yún)捬醴磻鳎刂泼刻爝M料次數(shù)和時間，逐漸提升容積負荷，并保持穩(wěn)定。經(jīng)過20 d，厭氧反應器中所產(chǎn)生沼氣甲烷含量提升至70%以上并趨于穩(wěn)定，表明厭氧反應器馴化完成，組合工藝啟動完畢。

在實驗階段，根據(jù)工程實施經(jīng)驗和餐廚垃圾的特點，采用間歇一次性進料方式，即一次連續(xù)把5 t餐廚垃圾提升倒入機械反應器，中途不再加料。考察一次間歇反應周期內(nèi)，厭氧反應器出水水質、產(chǎn)氣等指標變化。

2 結果與討論

2.1 間歇反應中COD的變化

一次性進料就是一次連續(xù)把餐廚垃圾倒入機械反應器，中途不再加料，直至出渣。本研究共進行了3個批次試驗，每次間歇實驗中，餐廚垃圾投入量為5．0 t，機械反應器出水進入?yún)捬醴磻鳎蔀閰捬醴磻鬟M水。厭氧消化液回流比為9．8。機械反應器攪拌器轉速為2 r/min，厭氧反應器容積負荷為2．4 kg/（m3·d）。3個批次間歇試驗厭氧反應器進水和出水COD見圖2。

圖2 厭氧反應器進水、出水COD濃度變化

從圖2可以看出，在反應初期厭氧反應器進水COD呈上升趨勢，厭氧反應器進水來自機械反應器的出水，機械反應器中的餐廚垃圾有機物在攪拌和消化回流液的作用下將有機垃圾處理成漿料，漿料中的有機組分進一步水解酸化并溶入水中，游離態(tài)的油脂在微生物胞外酶的作用下水解成可溶態(tài)油脂，并由長鏈大分子裂解成短鏈有機酸，因此COD逐漸升高，在反應第3天時達到最高值，為117 000 mg/L。隨著微生物的不斷生長繁殖，微生物對有機質的降解速度隨之升高，小分子可溶性有機物被微生物氧化分解，有機質不斷被降解，厭氧反應器進水COD開始下降，第6天降低到35 000～55 000 mg/L。

此外，厭氧反應器出水COD較穩(wěn)定，保持在8 000～13 000 mg/L，這表明厭氧反應器具有較大的耐沖擊負荷能力，將出水COD保持在穩(wěn)定范圍。

2.2 間歇反應中VFA的變化

揮發(fā)性脂肪酸（VFA）是厭氧微生物新陳代謝活動的重要指標。從圖3可以看出，厭氧反應器進水VFA濃度在第2天達到最大6 000 mg/L左右，表明此時機械反應器內(nèi)水解酸化作用顯著，出現(xiàn)VFA的累積。隨著能被水解酸化的有機物逐漸減小，水解酸化反應逐漸趨于平緩，使得VFA濃度逐漸降低，在第6天降低到2 000～3 500 mg/L。而厭氧反應器出水VFA基本穩(wěn)定在50～150 mg/L，表明厭氧反應器具有較強的抗沖擊負荷能力。

圖3 厭氧反應器進水、出水VFA濃度變化

2.3 間歇反應中pH的變化

pH作為一個重要的環(huán)境因素，不僅能夠影響微生物酶的活性，也能夠決定揮發(fā)酸的存在形態(tài)［1］。餐廚垃圾分散性差、密度大、孔隙容易被壓縮，容易在內(nèi)部形成厭氧區(qū)，加上機械反應器內(nèi)部水解酸化作用顯著，這使得機械反應器內(nèi)部常處于酸性環(huán)境，厭氧反應器進水呈酸性，pH為5～6。隨著反應進程的進行，微生物分解作用下形成的小分子有機酸被微生物所吸收，而此時含氮物質被分解生成的氨氮未被微生物合成利用完全，使機械反應器的出水pH略有升高，第6天時厭氧反應器進水呈中性。厭氧反應器中pH變化見圖4。

圖4 厭氧反應器進水、出水pH變化

在厭氧反應器內(nèi)部進行消化反應，不同的微生物要求不同的pH，過高或過低的pH對微生物代謝有明顯影響。產(chǎn)甲烷菌對生長環(huán)境的pH極為敏感，甲烷菌最適宜的pH為6．8～7．5，若pH＜6．3，將使二氧化碳增加，促使大量水溶性有機酸和硫化氫產(chǎn)生，硫化物含量的增加會抑制甲烷菌生長；若pH＞7．8，NH4+轉變成非離子化的NH3，會產(chǎn)生毒性抑制［2］。從圖4可以看出，在厭氧反應器間歇運行的6 d內(nèi)，厭氧反應器內(nèi)部pH基本在7．6左右波動，pH變化不大，說明系統(tǒng)有較強的抗外界干擾的緩沖能力。

2.4 間歇反應中氨氮的變化

在間歇反應中，進水、出水氨氮隨著反應的進行逐漸增加。在6 d間歇反應時間內(nèi)，厭氧反應區(qū)進水氨氮從60 mg/L增加到80 mg/L左右；而厭氧反應器出水氨氮從80 mg/L增加到130 mg/L左右，如圖5所示。餐廚垃圾厭氧消化過程中，氨氮的產(chǎn)生主要來自蛋白質、氨基酸及其它含氮有機物的降解。由于厭氧微生物的細胞增殖較少，故只有很少的氮素轉化為細胞，大部分可生物降解的有機氮都被還原為氨氮，因此厭氧反應器出水的氨氮濃度比進水中的氨氮濃度高。

圖5 厭氧反應器進水、出水氨氮濃度變化

2.5 鹽分的影響

餐廚垃圾中含有較高的鹽分。通常認為，低濃度無機鹽對微生物的生長有促進作用，但是高濃度鹽分反而抑制微生物生長。無機鹽對微生物的生長抑制主要表現(xiàn)在微生物外界中滲透壓較高，微生物細胞失水，降低微生物代謝酶活性，從而引起細胞壁分離，甚至死亡［3］。研究表明當厭氧消化系統(tǒng)中鈉鹽濃度超過5 000 mg/L時就會抑制厭氧消化進程。間歇反應過程中對鈉鹽含量進行了分析，結果為762.8 mg/L。因此鹽分并不會抑制產(chǎn)甲烷微生物活性，干擾厭氧消化進程。

2.6 間歇反應沼氣產(chǎn)生情況

經(jīng)過3次間歇反應，共產(chǎn)生沼氣1 380.3 m3，平均產(chǎn)沼系數(shù)為0.35 m3/kg。餐廚垃圾產(chǎn)氣量以及產(chǎn)沼系數(shù)等見表1。

表1 間歇反應沼氣產(chǎn)生情況

此外在間歇反應過程中，所產(chǎn)生沼氣的CH4含量為71%～79%，基本保持穩(wěn)定。試驗中發(fā)現(xiàn)每批次試驗開始時的CH4含量低于試驗結束時的數(shù)值，這可能是由于起始階段VFA對厭氧環(huán)境的沖擊引起的，微生物逐漸適應后CH4含量穩(wěn)步增加，甲烷含量的逐漸增加表明甲烷菌活性逐漸增強，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

3 結論

1） 在1個間歇反應周期內(nèi)，厭氧反應器進水COD、VFA濃度呈現(xiàn)先增加后逐漸減小的趨勢；厭氧反應器出水COD、VFA濃度保持穩(wěn)定，厭氧反應器具有較強的負荷緩沖能力。

2） 3次間歇反應共產(chǎn)生沼氣1 380.3 m3，平均產(chǎn)沼系數(shù)為0.35 m3/kg，沼氣含量在71%～79%，且保持穩(wěn)定。

3）間歇式厭氧生物組合工藝在對餐廚垃圾處理的同時實現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用，為餐廚垃圾厭氧消化工藝的工程化應用提供技術依據(jù)。

［1］張玉靜，蔣建國，王佳明.pH值對餐廚垃圾厭氧產(chǎn)酸的影響［J］.中國給水排水，2013，29（1）：30-33.

［2］Tampio E，Ervasti S，Paavola T，et al.Anaerobic digestion of autoclaved and untreated food waste［J］.Waste Manage，2014，34 （2）：370-377.

［3］馬磊，王德漢，曾彩明.餐廚垃圾的干式厭氧消化處理技術初探［J］.中國沼氣，2007，25（1）：27-30.