餐廚垃圾厭氧消化處理的影響因素研究

劉 麗，劉 同

（山東省環科院環境工程有限公司，濟南 250013）

隨著我國城市人口的增加和人民生活水平的提高，餐廚垃圾在城市垃圾中的占比不斷增大。由于各地區經濟發展層次、文化、飲食習慣的不同，其產生的餐廚垃圾成分具有明顯的差異。因此，研究餐廚垃圾各成分對處理效率的影響與作用原理對于提高工藝處理效率具有十分重要的意義。餐廚垃圾與其他類型垃圾相比易發生腐爛，影響其存儲、運輸。厭氧法與傳統的焚燒法、填埋法相比，更能充分利用餐廚垃圾中的有機質，處理效率更高，產生的腐殖質具有較高的經濟價值。而序批式厭氧消化法作為典型的兩相厭氧處理工藝，由于其能量轉化效率遠高于單相處理工藝，在餐廚垃圾處理中得到廣泛應用。

1 餐廚垃圾的組成與處理工藝

餐廚垃圾是人們在生活中形成的一種固體廢物，也是城市生活垃圾的重要組成部分。餐廚垃圾主要來源于城市周邊的食品加工企業、城市餐飲業以及學校、企業等的大型食堂等，其中含有大量的油脂、碳水化合物，呈黏稠狀，含水率在75%以上，夏季溫度較高時易腐爛，處理不及時會造成環境污染[1]。

不同條件下產生的餐廚垃圾的成分各不相同。其中主要成分為多糖類、蛋白質、脂質與無機鹽等。據調查，我國城市餐廚垃圾的有機質占固廢干重的60%～75%，其中碳水化合物含量最高，占總干重的40%～60%，蛋白質含量占比為15%～20%，碳氮比為15～30，不飽和度較高。受飲食習慣的影響，我國早晨產生的餐廚垃圾中的脂肪含量遠低于午餐與晚餐階段，Na+與Ca+的含量相較午餐和晚餐階段高50%以上。

不同時間段產生的餐廚垃圾經過收集、運輸、儲存后進入預處理階段，進行充分混合。為充分模擬處理流程，本試驗將不同時間段采集的餐廚垃圾樣品按早、中、晚三個階段固廢的產生量比例進行混合，混合樣品的檢測結果如表1所示。

表1 餐廚垃圾樣品組分

序批式厭氧消化工藝利用微生物的分解作用，將餐廚垃圾中的復雜有機物轉化為無污染的CO2、H2、H2O與CH4等。在分解過程中，起主要作用的水解菌、酸化細菌與產甲烷細菌在反應室中構成一個簡單的生態系統，產甲烷菌利用水解與酸化階段產生的物質反應生成甲烷，回收后可作為能源使用[2]。序批式厭氧消化工藝目前在大型城市垃圾處理中較為常用，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 序批式厭氧消化工藝流程

2 厭氧消化處理效率的影響因素

本研究通過對序批式厭氧消化工藝進行試驗模擬，分析鹽分、油脂與pH等因素對處理效率的影響。

2.1 試驗方法

在試驗過程中，選擇容積為10 L的廣口瓶模擬厭氧反應器，有效反應容積為8 L。樣品進行預處理，混合調質后，加入廣口瓶中，與從餐廚垃圾處理廠收集的經過馴化制成的菌液進行混合，在35 ℃的恒溫室中發酵，發酵前充入氮氣，以保證厭氧的反應環境。

2.2 處理效率的評價參數

在試驗過程中，為了客觀地反映餐廚垃圾的厭氧處理效率，主要測定的參數為產氣量與揮發性脂肪酸（VFAs）含量。試驗過程中，利用排飽和食鹽水法收集反應產生的氣體，采用氣相色譜法分析其成分，計算反應氣體中的甲烷含量。為了讓結果更具代表性，在進行試驗結果統計時，計算單位質量物質的產甲烷量，單位產氣量越高，說明此條件下的厭氧處理工藝的處理效率越高。

反應器中的VFAs主要包括水解酸化階段產生的乙酸與丙酸等，VFAs一般在厭氧消化7～8 d后達到一個穩定的濃度，產酸效率能從側面反映系統處理效率，當酸累積時，反應器內的pH快速降低，抑制產甲烷菌的活性，致使系統逐漸喪失處理能力[3]。

2.3 影響因素與試驗結果

厭氧消化過程中，酸化階段會產生有機酸，因此運行過程中，溶液的pH會相應發生變化。為了保證消化反應的正常進行，提高處理效率，必須合理控制反應過程的pH。本試驗利用NaOH溶液調節反應器中溶液的pH，試驗所得單位產氣量記錄結果如圖2所示。

圖2 pH對產氣量的影響

由此可見，適宜反應的pH為6.0～7.5，最佳反應pH為6.7，接近中性，此時產甲烷菌較為活躍。最佳pH條件下，反應器運行30 d時，系統中VFAs中的含量最高，乙酸是產甲烷菌可直接利用的底物，高含量的乙酸為產甲烷菌發揮分解作用提供了有利條件[4]。

向調節后的樣品溶液中投加一定量的脂肪類物質，改變樣品的油脂含量，試驗所得單位產氣量記錄結果如圖3所示。

圖3 油脂含量對產氣量的影響

原樣品的油脂含量占濕重的3%，由試驗結果可知，當外加20%油脂時，產氣量達到最大，計算可得，此時油脂含量占總濕重的3.5%，而過高的油脂含量會導致產氣率下降，這主要是由于油脂類在有機質中的占比影響了餐飲垃圾的總體碳氮比，碳氮比失衡影響系統的處理能力[5]。向調節后的樣品溶液中投加一定量的NaCl，改變樣品的鹽分濃度，試驗所得單位產氣量記錄結果如圖4所示。

圖4 鹽分含量對產氣量的影響

由圖4可得，厭氧消化過程中，隨著NaCl濃度增加，產氣量逐漸減小。未投加NaCl的空白對照組單位產氣量明顯高于試驗組。由此可見，餐廚垃圾中NaCl濃度與單位產氣量成反比，NaCl對于厭氧消化有抑制作用。對比發現，試驗組的VFAs含量高于空白組，說明小分子有機酸在反應器中積累，可見反硝化細菌比水解菌與酸化細菌對鹽分更敏感，更容易受到消化液中鹽分濃度的影響，鹽分對其正常生命活動產生了不利影響。

綜上可得，餐廚垃圾進行序批式厭氧消化處理時，最適反應pH為6.7，餐廚垃圾的油脂和鹽分含量均會對消化過程產生影響，當油脂含量為3.5%時，產氣量最大，隨著油脂含量的增高，系統產氣量降低；餐廚垃圾中鹽分含量越高，抑制作用越明顯，系統產氣量越低。

3 結語

本文通過試驗分析了餐廚垃圾的序批式厭氧消化工藝的影響因素，研究了pH、油脂和鹽分對處理效率的影響，得到了厭氧消化處理工藝的最佳反應pH及油脂、鹽分含量，為提高序批式厭氧消化工藝的處理效率提供了數據與理論支持。但在實際應用過程中，高產氣量并不是判斷厭氧處理系統運行可靠性與經濟性的唯一因素，要對系統進行更加全面的評價，合理地投加外源物質來調節餐廚垃圾組成，充分發揮消化系統的處理能力。