溫度波動及有機負荷調控對太陽能輔熱餐廚垃圾厭氧消化性能影響

＊劉陽 黃小淳 于欽 馮磊 甄簫斐

（1.沈陽航空航天大學能源與環境學院 遼寧 110136 2.蘭州交通大學新能源與動力工程學院 甘肅 730070）

引言

隨著城市化進程加快和人民生活水平的提高，我國的餐廚垃圾產生量從3782萬t（2011年）增至4222萬t（2015年），預計2020年將達到4873萬t[1]。餐廚垃圾具有高含水率、高有機質等特點，采用生物處理中的厭氧消化技術可以實現對其資源化利用，有效地解決了存放、處置以及環境污染問題[2-4]。因此本研究在不破壞有機物料與微生物平衡關系前提下，探索餐廚垃圾厭氧消化極限OLR濃度。

傳統沼氣工程為維持發酵溫度均使用電能作為額外的能源供應，為實現可持續發展[5-6]，太陽能光伏發電技術逐步成熟，太陽能作為清潔能源已被廣泛應用。本試驗將太陽能系統與厭氧消化工藝相結合，降低裝置維持發酵溫度的能源消耗，提高沼氣工程經濟效益。但太陽能輻射受天氣等因素影響較為嚴重，為了評估太陽能輔熱系統對餐廚垃圾處理效率影響，通過調控餐廚垃圾進料OLR對甲烷產量、理化參數和微生物菌群變化影響，從而得到餐廚垃圾厭氧消化的最佳OLR濃度和太陽能輻熱系統在實際沼氣工程中應用價值。

1.材料與方法

(1)試驗材料

表1 物料基本性質

餐廚垃圾取自遼寧省沈陽市沈陽航空航天大學北生活區食堂，活性污泥取自遼寧省沈陽市北部污水處理廠污泥濃縮池，餐廚垃圾與馴化污泥基本參數如表1所示。

(2)試驗裝置

試驗設計基于實際的太陽能沼氣工程項目，太陽能系統包括四個部分：太陽輻射系統，智能控制系統，循環恒溫水箱和厭氧消化系統。太陽能裝置和恒溫水箱用于維持消厭氧消化系統溫度環境。當溫度高于或低于設定溫度時，自動添加冷水和熱水維持發酵水溫在37±0.5℃。

厭氧消化系統采用自制的完全混合式厭氧消化反應器，材質為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），容積12L，有效容積8L，反應器頂部采用U型水封結構封蓋，確保試驗期間裝置氣密性良好。齒輪電動機（51K40RGN-C）進行間歇式攪拌，轉速設置為80r·min-1，每隔2h攪拌5min，試驗采用下進上出的內部循環水浴加熱形式，設定循環水浴鍋（XT5618-GP）出水溫度為37±0.5℃；反應器蓋裝有排氣閥，沼氣通過氣體流量計記錄。

(3)試驗啟動和運行

初始階段，將3kg餐廚垃圾與3L馴化污泥添加到反應器中，并添加去離子水至8L，使用氮氣吹脫5min排除空氣。試驗階段1(1-10d)、2(11-30d)、3(31-45d)和4(45-60d)分別與OLR為2.0kg·m-3·d-1VS、4.0kg·m-3·d-1VS、6.0kg·m-3·d-1VS和7.0kg·m-3·d-1VS相對應。每天上午9點測量反應器內參數信息。

(4)常規參數分析方法

TS，VS，NH4+-N和溶解性化學需氧量（SCOD）通過國際標準方法確定。沼氣測量采用濕氣流量計測量沼氣。總揮發性脂肪酸（TVFA）按照標準方法測定。

2.結果與討論

(1)OLR調控對甲烷產量影響

OLR在2.0-6.0kg·m-3·d-1VS之間，甲烷產量雖有波動，但反應器能夠穩定運行且甲烷產量隨OLR提升而增加。OLR為2.0kg·m-3·d-1VS作為反應器的啟動階段，平均甲烷產量低于4.0L/d，提升OLR至4.0kg·m-3·d-1VS，反應器中甲烷產量變化與前一階段相似，其產量隨餐廚垃圾添加而迅速提升，但在無物料供給時期又發生驟減現象。繼續提升OLR至6.0kg·m-3·d-1VS階段實現了最佳甲烷生產效率，甲烷最高產量為39.89L/d（38天）且平均產甲烷產量為34.72L/d并趨于穩定。但進一步提升OLR到7.0kg·m-3·d-1VS階段，甲烷產量呈斷崖式下跌，平均甲烷產量僅為13.75L/d。以上結果表明OLR在2.0-4.0kg·m-3·d-1VS雖然可以維持反應器平穩運行，但較低的底物濃度導致產甲烷菌利用的營養物質不足，無法滿足自身生長繁殖需求，發生明顯的“饑餓現象”。而6.0kg·m-3·d-1VS階段作為最佳的產甲烷階段可以實現餐廚垃圾高效利用，此階段反應器運行表現出了穩定而高效的生產效率。而過高的OLR沖擊（7.0kg·m-3·d-1VS）會破壞消化液中理化參數的動態平衡，最終導致運行失敗。

(2)OLR調控對理化參數影響

pH作為衡量厭氧消化系統穩定性的重要指標，研究發現維持pH在6.5-7.5最有利于甲烷生產，過高或過低都會影響微生物活性。啟動階段初始pH約為6.52，并在第6天開始下降至5.53。而在試驗之前的活性污泥馴化期間，添加餐廚垃圾后的第二天pH便快速下降，與正式試驗現象有所偏差，這可能是污泥馴化在恒溫水浴鍋中進行（37℃），但正式試驗中消化溫度受到太陽能熱輻射影響出現波動現象，一天中溫差甚至高于10℃，而微生物適應了馴化期間穩定的溫度環境，導致在波動溫度環境中抑制了活性表達，使水解酸化階段出現明顯滯后性。提升OLR到4.0kg·m-3·d-1VS，pH保持在6.94-7.23之間，反應器運行穩定，但OLR在6.0kg·m-3·d-1VS階段，反應器內揮發性脂肪酸（TVFA）平均濃度從前一階段1.7g/L增至4.0g/L，發生酸化現象導致pH快速下降到6.23。由于pH降至不利產甲烷菌生存范圍，因此添加適中的NaOH溶液對消化液進行人工調控，隨著pH逐步恢復，反應器恢復了水解產酸和甲烷化的動態平衡，甲烷產量并未受到明顯影響。進一步提升OLR至7.0kg·m-3·d-1VS，酸化現象再次發生，繼續進行人工堿液調節后pH僅維持較短時間便出現二次下降，此階段TVFA平均濃度到達了6.5g/L，反應系統嚴重酸化，說明當OLR超過反應器最大承載力時，消化液內部平衡已經被破壞，形成了不可逆影響，外界人工調節無法恢復反應器穩定。

(3)OLR調控對TS和VS影響

TS和VS代表有機和無機含量的變化，TS和VS去除率代表了厭氧消化系統對有機底物利用效率和產酸菌的代謝能力。隨著OLR從2.0kg·m-3·d-1VS增加到7.0kg·m-3·d-1VS，TS和VS分別由3.53%和2.7%增加到21.48%和19.68%。而TS和VS去除率分別從91.58%降至47.93%及93.45%降至52.23%。在較低的OLR條件下，反應器中TS和VS去除率均保持在75%以上，具有較好的餐廚垃圾降解能力。當OLR進一步提高時，組TS和VS去除率分別降至63.16%和64.66%，但厭氧消化系統仍可持續運行。當OLR增加到7.0kg·m-3·d-1VS階段，TS和VS的平均去除率均小于60%，達到試驗期間最低水平。

3.結論

（1）6.0kg·m-3·d-1VS作為餐廚垃圾厭氧消化極限OLR實現最佳甲烷生產，此階段反應器內有機酸積累導致pH大幅波動，進行人工堿調節可以使反應器恢復穩定運行。

（2）反應器無法承受7.0kg·m-3·d-1VS的OLR沖擊，有機酸積累和氨抑制現象同時發生，消化反應進程失衡導致運行失敗。