進料濃度和水力停留時間對分類有機垃圾厭氧消化性能的影響

李蘊潔， 常燕青， 袁海榮， 李秀金

（1.北京化工大學 環境科學與工程系， 北京 100029； 2.維爾利環?？萍技瘓F股份有限公司， 江蘇 常州 213100）

0 引言

隨著中國城鎮化水平的不斷提高，城鎮人口越來越多，生活垃圾的產生量也隨之升高。 2020年，全國城市生活垃圾清運量達到了23 511.7 萬t[1]。在實施生活垃圾分類政策后，廚余垃圾的產生量大大超過預期。 上海市2019 年9 月的濕垃圾日均產生量約為9 200 t， 較2018 年12 月的4 400 t翻了一倍多[2]。 很多地區的廚余垃圾產生量可占生活垃圾總量的60%～70%[3]。 分類后的廚余垃圾主要包括菜葉菜莖、剩菜剩飯、果皮果核、樹葉等易腐敗的物質，其含有大量的有機質，也可以稱為分類有機垃圾。 這些垃圾需要及時有效地進行處理，否則將會對人類健康和環境生態造成潛在威脅，分類有機垃圾的處理問題已經成為我國目前面臨的重要環境問題之一。

目前，國外多采用厭氧消化的方法對分類有機垃圾進行處理。 作為一種減量化、資源化的生物質廢棄物處理技術，厭氧消化可將分類有機垃圾中的大部分有機質轉化為富含甲烷的氣體，在處理垃圾的同時產生能源，有很大的應用潛力[4]。在厭氧消化技術中，有機負荷率（OLR）是指單位體積反應器每天消化的有機物量，其與進料濃度成正比，與水力停留時間（HRT）成反比[5]。 分類有機垃圾的含固率為15%～30%， 含固率隨地區和季節差異較大。 一般而言，夏季的分類有機垃圾中含有大量果皮，含固率較低，而冬季的分類有機垃圾中含有較多的枯枝落葉，含固率較高[6]。 如果以較高的含固率直接進料， 會使厭氧消化系統的有機負荷率大大增加， 可能會造成厭氧消化系統的有機酸過度積累，產生酸化現象，從而導致厭氧消化失敗[7]，[8]。 目前，實際工程中主要通過加水稀釋的方法來降低進料濃度和OLR，這種方法會消耗大量的水資源并產生大量的沼液， 進而增加后續處理的難度[9]。因此，通過調節HRT 來控制有機負荷率并研究相關參數是具有實際工程意義的。

本文研究了在進料濃度不斷提升的情況下，能否利用延長HRT 的方法使分類有機垃圾厭氧消化系統保持穩定運行， 并分析了厭氧消化系統在不同情況下的產氣效能、 物質降解率和系統穩定性， 以期為分類有機垃圾厭氧消化的實際應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用分類有機垃圾取自北京化工大學附近居民區分類后的廚余垃圾箱。 分揀剔除其中的骨頭、塑料、玻璃等不能厭氧消化的組分，其余有機組分利用廚余垃圾粉碎機進行粉碎，并放置于-20 ℃冰箱中保存備用。 試驗所用接種物取自北京市某生活垃圾綜合處理站的厭氧消化出料，取回后密封保存備用。 試驗所用原料和接種物的基本性質如表1 所示。

表1 分類有機垃圾和接種物的基本性質Table 1 Characteristics of sorted organic waste and inoculum

1.2 試驗裝置

如圖1 所示，試驗裝置主要由完全混合式反應器 （Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR），恒溫水箱和氣體流量計組成。 CSTR 的總體積為10 L，有效容積為8 L。 反應器帶有循環水夾層，通過管路與恒溫水箱連接，以保持反應器內溫度在要求的范圍內。 反應器內部設置了上、中、下3 層攪拌槳，通過程序設定實現自動攪拌，使物料達到充分混合的狀態。 反應器頂部與氣體流量計相連，以收集每天產生的沼氣。

圖1 半連續厭氧發酵試驗裝置Fig.1 Test device of semi-continuous anaerobic fermentation

1.3 試驗方法

設置4 個CSTR， 分別編號為C1，C2，C3，C4。由于試驗原料的TS 含量為20.3%，故只能以20%及以下的含固率作為進料濃度， 因此，4 個CSTR的進料濃度分別設置為12%，16%，18%和20%，相應的HRT 分別為30，40，45，50 d， 使有機負荷率（以VS 計，下同）保持在3.6 g/（L·d）。 試驗在接種比（接種物與原料的VS 含量比）為1∶1，TS 含量為12%的條件下啟動，溫度設置為35 ℃。各試驗組的參數如表2 所示。

表2 厭氧消化系統的參數Table 2 Parameters of anaerobic digestion system

試驗過程中，當沼氣中的甲烷含量達到60%并穩定時，開始進出料，進料頻率為每天1 次，每天將準備好的物料按量投入反應器中， 同時在出料口排出等量的物料。 試驗期間每天測量產氣量和甲烷含量， 每隔5 d 測量出料的TS 和VS 含量、pH值、氨氮濃度、堿度（TAC）和揮發性脂肪酸（VFAs）濃度。 記錄產氣量的同時，記錄環境溫度和壓強，通過理想狀態方程換算成標準狀況下的體積。

1.4 分析方法

氣體組分使用SP-2100 氣相色譜儀進行測定；TS 和VS 含量采用重量法進行測定；pH 值使用pH 計（Thermo-868，USA）進行測定；氨氮濃度使用HI83206 型多參數濃度測定儀進行測定；TAC采用電位滴定法進行測定；VFAs 濃度使用島津GC-2014 型氣相色譜儀進行測定；TC 和TN 含量采用Vario EL cube 型元素分析儀進行測定。 利用IBM SPSS Statistics 19 軟件對試驗過程中得到的數據進行差異顯著性分析， 判斷不同試驗組之間是否存在顯著差異。

2 結果與討論

2.1 日產氣量和甲烷含量

在不同進料濃度和HRT 組合條件下，分類有機垃圾厭氧消化時日產氣量和甲烷含量的變化情況如圖2 所示。

圖2 分類有機垃圾厭氧消化時的日產氣量和甲烷含量變化情況Fig.2 Change of daily gas production and methane content in anaerobic digestion of sorted organic waste

從圖2（a）可以看出：在厭氧消化的前5 d，4個試驗組的產氣量均逐漸升高，隨后趨于穩定在16～20 L；在一個HRT內，各試驗組的日均產氣量分別為16.8，15.6，16.6，15.7 L；各試驗組的日均產氣量相差不大， 其中C1 組的日均產氣量略高于其他試驗組， 分別比其他試驗組提升了7.6%，1.1%，6.4%，差距均在10%以內。

從圖2（b）可以看出：在進出料后的3 d 內，各個試驗組的甲烷含量均明顯下降，降低到50%以下， 隨后又逐漸上升并保持穩定在50%～60%；試驗期間，各試驗組的平均甲烷含量均非常接近，分別為55.9%，55.5%，55.3%，56.3%。

利用IBM SPSS Statistics 19 軟件對各試驗組的產氣數據進行差異顯著性分析， 結果如表3 所示。

表3 分類有機垃圾厭氧消化時的產氣和產甲烷性能Table 3 Gas and methane production performance of anaerobic digestion of sorted organic waste

由表3 可以看出，各試驗組間的日均產氣量、日均產甲烷量和平均甲烷含量數據均無顯著差異。 這說明在進料濃度提高的情況下延長HRT，可使分類有機垃圾厭氧消化的產氣效果沒有顯著差異，均可以正常進行。

從表3 還可以看出： 各試驗組的單位VS 產氣率均為540～590 mL/（g·d）， 單位VS 產甲烷率均為300～330 mL/（g·d）；C1 組的產氣性能略好于另外3 個試驗組， 單位VS 產甲烷率分別比其他試驗組提升了9.1%，2.3%，6.1%， 差距均在10%以內。 以上數據表明，在不同進料濃度和HRT 組合條件下， 分類有機垃圾厭氧消化時的產氣和產甲烷性能均能達到較好水平，可以利用延長HRT的方法使厭氧消化系統保持穩定高效運行。

2.2 物質降解率

在分類有機垃圾厭氧消化過程中，TS 和VS的去除率可用來衡量有機物的降解率。 在不同進料濃度和HRT 組合條件下，分類有機垃圾厭氧消化時的TS 和VS 平均去除率如圖3 所示。 從圖3可以看出， 厭氧消化過程中各試驗組的平均TS去除率分別為58.1%，54.7%，59.4%和57.5%，平均VS 去除率分別為74.8%，73.6%，75.5%和74.3%，均處于較高的水平， 說明分類有機垃圾可通過厭氧消化使大部分的有機物得到降解。此外，各試驗組的TS 和VS 平均去除率非常接近，沒有明顯的差異，這與各組的產氣結果相一致。

圖3 厭氧消化過程的TS 和VS 平均去除率Fig.3 Average removal rate of TS and VS during anaerobic digestion

2.3 系統穩定性

系統穩定性是評價厭氧消化效果的重要指標，可表征厭氧消化系統運行期間，系統的各項參數是否處于適宜范圍內。一般情況下，這些參數包括pH 值、氨氮濃度、堿度、VFAs 濃度等，只有這些參數處于適宜的范圍內， 厭氧消化系統才能夠穩定運行。 本文對厭氧消化系統運行期間的各項參數進行定期測定，分析不同進料濃度和HRT 組合對厭氧消化系統穩定性的影響。

2.3.1 pH 值

在分類有機垃圾厭氧消化過程中，pH 值的變化情況如圖4 所示。從圖4 可以看出，隨著厭氧消化的進行，4 個試驗組的pH 值均有上升的趨勢，從7.3 上升至7.8 左右，并一直保持穩定。 在厭氧消化過程中，產甲烷菌對酸堿度的變化十分敏感，其適宜的pH 值為7.3～8.0[10]。本試驗中，厭氧消化系統的pH 值始終維持在最適范圍內， 沒有出現酸化現象，說明厭氧消化系統穩定性較好。

圖4 厭氧消化過程中pH 值的變化情況Fig.4 Variation of pH during anaerobic digestion

2.3.2 氨氮濃度

在分類有機垃圾厭氧消化過程中， 氨氮濃度的變化情況如圖5 所示。

圖5 厭氧消化過程中氨氮濃度的變化情況Fig.5 Variation of ammonia nitrogen concentration during anaerobic digestion

在厭氧消化過程中， 當系統的氨氮濃度高于3 000 mg/L 時，就會產生抑制作用[11]。 從圖5 可以看出，在厭氧消化期間，4 個試驗組的氨氮濃度均維持在1 500～2 500 mg/L， 雖然濃度偏高但未超過抑制閾值，說明厭氧消化系統可以穩定運行。各試驗組中，C1，C2 組的氨氮濃度呈現出逐漸降低的趨勢，從初期的2 500 mg/L 左右一直下降到1 500 mg/L 左右，而C3，C4 組的氨氮濃度基本保持穩定在2 000～2 500 mg/L。 在一個HRT之后，C1 組的氨氮濃度最低，C4 組的氨氮濃度最高，即厭氧消化出料的氨氮濃度隨進料濃度的提升而提高。

2.3.3 TAC 和VFAs 濃度

在厭氧消化過程中，TAC 對維持系統的緩沖能力有著重要作用。 有研究表明，當厭氧消化系統的TAC大于2 000 mg/L 時，系統具有較強的緩沖能力，能夠抵抗一定的酸堿變化沖擊[12]。 VFAs主要包括乙酸、丙酸、丁酸等，此類有機酸的積累會抑制產甲烷菌的生長。 有研究表明，當厭氧消化系統的VFAs 濃度超過13 000 mg/L 時，產甲烷菌的活性會受到明顯抑制[13]。 厭氧消化穩定期間，系統的VFAs 濃度，TAC 以及TVFA/TAC 如表4 所示。

表4 厭氧消化穩定期間的VFAs 濃度和TACTable 4 Variation of VFAs concentrations and TAC during stable anaerobic digestion

由表4 可知：各試驗組的TAC一直保持在9 000～12 000 mg/L，遠高于2 000 mg/L，說明厭氧消化系統穩定性良好；隨著進料濃度的提升，厭氧消化系統的TAC也有所提升，這也是系統在較高進料濃度下仍能保持穩定運行的重要原因。 在本研究中，VFAs 濃度的變化幅度（2 000～5 000 mg/L）較大，但未超過抑制閾值，沒有對厭氧消化產生抑制。各試驗組的VFAs 濃度也有所不同，且進料濃度越高，出料的VFAs 濃度也就越高。 一般來說，當系統的TVFAs/TAC 低于0.8 時，厭氧消化系統可以穩定運行。 在本研究中，TVFAs/TAC為0.2～0.5，故厭氧消化系統運行穩定。

總的來說， 系統穩定性的各項指標會隨著進料濃度的不同而有所變化， 但都維持在合理的區間內，說明在進料濃度不斷提升的情況下，可以通過延長HRT 的方法使分類有機垃圾厭氧消化系統保持穩定運行。

3 結論

在分類有機垃圾厭氧消化過程中， 提升進料濃度的同時延長HRT， 可保持有機負荷率不變，使不同試驗組的產氣產甲烷性能沒有顯著差異，均能達到良好的產氣效果。 在不同進料濃度和HRT 組合條件下， 各試驗組的日均產氣量為15～17 L，日均產甲烷量為8～10 L，甲烷含量為56%左右， 單位VS 產甲烷率為300～330 mL/（g·d）；VS 降解率均能達到70%以上，實現了有機物的高效降解；在厭氧消化系統穩定運行期間，系統的pH 值保持在7.8 左右，氨氮濃度、堿度和VFAs 濃度均隨著進料濃度的增加而升高， 但各項指標均在合理范圍內， 厭氧消化系統能夠保持穩定運行。 因此，通過調節HRT，分類有機垃圾可以以不同的含固率直接進料， 厭氧消化系統的各項性能無顯著差異，厭氧消化系統能夠穩定高效運行。