餐廚垃圾高效厭氧消化穩定產氣研究

據統計，目前我國每年產生的餐廚垃圾量超過6000 萬噸。餐廚垃圾是餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱，包括餐館、飯店、單位食堂等的飲食剩余物以及后廚的果蔬、肉食、油脂、面點等的加工過程廢棄物和家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩余飯菜、瓜果皮等有機易腐垃圾。餐廚垃圾具有典型的“四高”特征——高含水量、高有機物含量、高油脂及高鹽分,而且易腐敗，在處理設備相對落后的條件下，處理效率和效果都不盡人意，極易影響城市環境衛生。為妥善處理餐廚垃圾，實現餐廚垃圾無害化、減量化、資源化，國家從2011 年至2015 年間批復了五批共100 個餐廚垃圾循環經濟試點城市，試點項目超過160 個，試點項目中主要以厭氧消化作為主體處理工藝。在餐廚垃圾厭氧消化系統中，高負荷穩定運行并獲得高產沼氣是實現餐廚垃圾無害化、減量化、資源化可行性的關鍵。但高有機負荷往往又容易引發厭氧消化系統酸化。本實驗研究不同的攪拌頻率、有機負荷和投料方式對大型厭氧消化系統產氣率的影響，同時檢測不同條件下系統沼氣產氣率、pH、氨氮濃度、揮發性脂肪酸（VFA）濃度及堿度等指標的變化，探索大型全混合厭氧消化系統（CSTR）穩定運行的合適條件，為大型的全混合厭氧消化系統高效穩定化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

餐廚垃圾：由深圳市羅湖區大型的餐廳酒樓提供，經過螺旋擠壓制漿、除雜和水力旋流除砂后調整含固率至（10±1）%泵送至酸化罐備用。

厭氧消化罐：試驗用設備為容積3000m3的全混合式厭氧消化罐（CSTR），其中有效厭氧消化容積2200m3，高徑比1：1，SUS316 材質。采用側壁盤管和基座盤管傳熱控溫，通過PT100溫度傳感器實時監控溫度，發酵溫度37℃。設備采用側壁機械攪拌加外循環流體攪拌的間歇攪拌方式，總攪拌功率67kw。壓力控制自動排氣，氣體通過流量計計量及脫硫干燥后引入發電機組資源化利用。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素實驗

分別考察攪拌頻率、物料流加方式和單位體積有機負荷對厭氧系統產氣影響，并組合各最優單一因素驗證厭氧系統產氣潛力。具體操作如下：①攪拌頻率對厭氧系統產氣影響。維持厭氧系統有機負荷2.0kg TVS/(m3.d)，進料頻率4 次/天，攪拌頻率分別為20、40、60、80、100 min/3h，各運行7 天，期間檢測相應指標；②物料投加方式對厭氧系統產氣影響。維持厭氧系統有機負荷2.0kg TVS/(m3.d)，攪拌頻率40min/3h，考察連續投料間歇投料，其中間歇投料頻率分別為4、3、2、1次/天，各運行7 天，期間檢測相應指標；③單位體積有機負荷對厭氧系統產氣影響。設定攪拌頻率40min/3h，進料頻率4 次/天，以0.2kg TVS/(m3.d)梯度遞增的方式往穩定運行的單位體積有機負荷為2.0kg TVS/(m3.d)的CSTR罐內逐步增加投料量，每個濃度梯度運行7 天，直至系統單位體積有機負荷提升至3.0kg TVS/(m3.d)，檢測消化液pH、堿度、氨氮、揮發性脂肪酸（VFA）、沼氣產率的變化。

1.2.2 驗證實驗

按單因素實驗的最優指標設定攪拌頻率和投料方式，以0.1kg TVS/(m3.d)梯度變化調整至最優濃度梯度后，維持30天，檢測維持期系統的產氣率、甲烷體積比例、消化液pH、堿度、氨氮、揮發性脂肪酸（VFA）濃度，計算各指標平均值和標準差，驗證系統產氣潛力及穩定性。

1.2.3 產氣率的測定

用標定的渦輪氣體流量計直接讀取每天氣量，通過產氣量與設備有效消化容積比計算設備的單位體積產氣率，即每立方米罐容每天產氣的氣體量。

1.2.4 甲烷含量的測定

利用甲烷檢測儀在線檢測氣體中的甲烷體積比例，每天5次，取平均值。

1.2.5 其他指標的測定

pH，參照國標GB/T 6920-1986《水質 PH 值的測定 玻璃電極法》測定；堿度，參照《水和廢水監測分析方法》（第四版）測定；氨氮，參照國家環境保護標準HJ535-2009《水質氨氮的測定》測定；揮發性脂肪酸（VFA），參照企業標準Q/YZJ10-03-02-2000《揮發性脂肪酸的測定（四）》測定；水分，參照農業標準NY/T52-1987《土壤水分測定法》測定；灰分，參照GB/T5009.4-2016《食品中灰分的測定》測定；粗蛋白，參照國標GB/T11891-1989《水質 凱氏氮的測定》測定；總糖，參照國標GB/T5009.7-2016《食品中還原糖的測定》測定；脂肪，參照國標GB/T5009.6-2016《食品中脂肪的測定》測定；總有機碳，參照國家環境保護標準HJ501-2009《水質 總有機碳的測定》測定。

2 結果與分析

2.1 餐廚垃圾基本性質

餐廚垃圾基本性質如下表1，具有高水分（80%以上）、高有機物、高油脂的特點。高有機質增加物料的稠度，不利于厭氧消化的進行。高油脂容易對厭氧微生物形成包裹，影響微生物對基質的利用，而且容易在液面形成致密層，影響氣體的溢出，導致厭氧系統運行異常。

表1 餐廚垃圾理化指標

2.2 不同操作條件下系統的產氣率變化

分別試驗攪拌頻率、投料方式和有機負荷變化過程中，系統產氣率變化，結果如圖1 所示。①攪拌頻率對系統產氣影響。在厭氧系統內，攪拌能增強系統紊亂度，強化傳熱傳質并加快沼氣排出，從而影響系統產氣效率。由圖分析，攪拌頻率提升，系統產氣率也提升，60min/3h 攪拌頻率可獲得2.02m3/（m3.d）產氣效率，進一步提高攪拌頻率，系統產氣效率保持穩定。②投料方式對系統產氣影響。均勻的投料方式有利于系統負荷穩定，降低負荷沖擊。由圖分析，投料次數越多，系統產氣效率越高，采用連續投料，系統產氣率可達1.92～2.00m3/（m3.d）。③單位有機負荷對系統產氣率影響。由圖分析，厭氧消化系統的體積產氣效率隨著系統的單位體積有機負荷變化而變化，有機負荷從2.2kg TVS/（m3.d）提升至2.8kg TVS/（m3.d）時，系統產氣效率從2.06m3/（m3.d）提升至2.66m3/（m3.d）。進料有機負荷進一步提升，系統產氣效率和甲烷含量開始逐漸快速下降，至3.0kg TVS/（m3.d）時，系統產氣效率降至2.32m3/（m3.d）。

圖1 不同操作條件下厭氧消化系統產氣率的變化

2.2 系統pH變化

在厭氧消化系統中，pH 的下降主要是產酸微生物活躍的影響。圖2 是不同操作條件下，厭氧消化系統pH 變化情況。

圖2 不同操作條件下厭氧消化系統pH 的變化

由圖可知，厭氧消化系統pH 隨系統的系統操作條件變化而變化。提高攪拌頻率，pH 相應升高，至60min/3h 時，pH 基本穩定7.9，不再隨攪拌頻率升高而變化。投料頻率降低，pH降低，系統從連續進料降至1 次/天進料，pH 從7.7 降至7.5。有機負荷對pH 的影響顯著，從2.2 kg TVS/（m3.d）緩慢提升至2.8kg TVS/（m3.d）過程中，系統pH 維持在7.8～7.9之間，當進料有機負荷繼續提至3.0 kg TVS/（m3.d）時，pH開始下降，維持期內逐步降至7.6。

2.3 揮發性脂肪酸（VFA）濃度變化

圖3 是不同操作條件下，系統揮發性有機酸（VFA）濃度變化情況。

圖3 不同操作條件下厭氧消化系統揮發性脂肪酸（VFA）濃度的變化

揮發性脂肪酸是產甲烷微生物的底物，但過高的濃度會對產甲烷菌形成抑制。由圖知，低攪拌頻率有利于VFA 的積累，提高攪拌頻率強化傳質，能使VFA 快速被產甲烷菌利用，當攪拌頻率提升至60min/3h 時，VFA 濃度穩定在5800mg/L左右，不再隨攪拌頻率提升而產生大的變化。投料頻率降低，VFA 積累明顯，從連續投料降至1 次/天投料，VFA 濃度從4600mg/L左右升至6700mg/L左右。有機負荷對系統內VFA變化影響最為顯著，在2.2～2.8kg TVS/（m3.d）范圍內，VFA 濃度維持5400～6800mg/L，當有機負荷升至3.0TVS/（m3.d），VFA 濃度快速突破8000mg/L，系統產酸活躍。

2.4 氨氮濃度變化

圖4 是不同操作條件下，厭氧消化系統氨氮濃度變化情況。

圖4 不同操作條件下厭氧消化系統氨氮濃度變化

氨氮濃度是反映厭氧過程的重要指標，氨氮濃度的快速下降反映產酸過程活躍。由圖知，氨氮濃度隨攪拌頻率升高而升高，并在60min/3h 時達到穩定，維持在2500mg/L 左右，在20min/3h 時，氨氮濃度維持在2100mg/L 左右，系統處于產酸與產甲烷弱平衡狀態。投料頻率降低，氨氮濃度降低，從連續投料降至1 次/天投料，氨氮濃度從2400mg/L 左右降至2000mg/L 左右，甲烷化過程弱。有機負荷顯著影響系統氨氮濃度，在2.2～2.8 kg TVS/（m3.d）負荷范圍內，氨氮濃度維持2400～2550mg/L 之間，當有機負荷升至3.0TVS/（m3.d），氨氮濃度快速下降至2000mg/L 左右，產酸過程活躍。

2.5 堿度變化

圖5 是不同操作條件下，厭氧消化系統堿度變化情況。

圖5 不同操作條件下厭氧消化系統堿度變化

堿度是反應厭氧消化系統緩沖能力的重要指標，堿度的快速下降表明系統緩沖能加降低，產酸過程活躍。由圖知，堿度隨攪拌頻率升高而升高，在60min/3h 時達到穩定，維持在8000mg/L，在20min/3h 時，堿度維持在5000mg/L 左右，緩沖能力低。投料頻率降低，堿度下降，從連續投料降至1次/天投料，堿度從9000mg/L 左右升至5000mg/L 左右，緩沖能加降低。有機負荷對堿度變化影響顯著，在2.2～2.8kg TVS/（m3.d）范圍內，堿度維持10000～12000mg/L 之間，當有機負荷升至3.0TVS/（m3.d），堿度快速下降并在維持時間內降至5000mg/L 左右。

2.6 驗證試驗

根據上述指標判斷，選擇60min/3h、連續投料、2.8kg TVS/（m3.d）作為最優操作條件，維持30 天，檢測期間各指標，試驗結果如下表3。

表3 各指標測定結果

由表3 分析，系統pH、VFA、氨氮和堿度各項指標穩定，產氣率維持高位，甲烷體積含量維持高位。

3 結論

維持攪拌頻率60min/3h、單位體積負荷2.8kg TVS/（m3.d），連續投料，發酵容積2200m3的側壁機械攪拌式加流體攪拌式大型CSTR厭氧消化系統能夠實現餐廚垃圾單一物料穩定化運行，并獲得較高的沼氣產率和甲烷產率，沼氣產率達到（2.69±0.03）m3/（m3.d），甲烷體積比率達到（65.2±1.3）%。

攪拌通過影響系統的傳熱傳質及強化排出氣體而影響厭氧發酵系統運行，攪拌頻率過低，系統產酸加快，系統產氣率低。提高攪拌頻率至60min/3h，可抑制產酸，提高產氣率和系統穩定性。

每天一次投料頻率有機負荷沖擊大，系統產酸快，產氣率低。增加投料頻次可以有效降低沖擊負荷，提高產氣率。工程上應盡可能采用多次投料或連續投料。

體積負荷顯著影響CSTR 厭氧消化體系穩定性，當單位體積負荷維持在不超過2.8kg TVS/（m3.d）水平時，系統運行穩定。超過3.0kg TVS/（m3.d）時，體系產酸加快，甲烷化過程減弱。