VFA 對餐廚垃圾兩相厭氧發酵處理效率的影響

史春龍 李煥承 葉亨利

［1. 深圳市綜合交通與市政工程設計研究總院有限公司，廣東 深圳 618000；2. 地標（深圳）生物科技有限公司，廣東 深圳 618000］

1 引言

餐廚垃圾具有含水量高，有機物、蛋白質豐富的特點，采取焚燒或填埋處理的方式將會造成一定程度的環境污染。在當前可持續發展理念指導下，實現餐廚垃圾資源化利用已成為當代社會發展的一項重要任務。目前我國餐廚垃圾資源化利用技術主要有厭氧消化、堆肥處理、飼料化處理等。其中，70%以上餐廚垃圾處理采取厭氧微生物發酵技術，利用中溫厭氧微生物發酵技術處理餐廚垃圾廢棄物，避免了餐廚垃圾飼料化而引起的動物同源性污染，實現了餐廚垃圾廢棄物的無害化、資源化、減量化［1-5］。

厭氧發酵過程主要分為水解酸化、產氫產乙酸、產甲烷3 個階段，而兩相厭氧微生物發酵技術通過不同的控制條件把厭氧發酵分為水解酸化、產甲烷2個階段［6］。水解酸化階段是微生物將復雜的有機物質，如淀粉、蛋白質、脂肪等經過一系列的反應過程分解成簡單的水溶性脂肪酸和醇類［7-9］，然后在酸化菌的作用下，將其轉化為揮發性脂肪酸（VFA）的過程。產甲烷階段是甲烷菌在合適的條件下將酸化階段產物中的乙醇、有機酸、H2及CO2等物質分解合成為CH4和CO2［10-11］。

VFA 的控制是保證兩相厭氧發酵過程的重要指標［12］，它既可以反映水解酸化、產氫產乙酸過程發酵微生物的反應效果，又可以指示產甲烷過程的發酵微生物以及酶作用的效果和穩定性。因此餐廚垃圾水解酸化是厭氧消化的高負荷、穩定化運行的關鍵環節，VFA 控制是保證整個厭氧發酵穩定化運行的重要參數。

本文選取深圳市某餐廚垃圾處理企業餐廚垃圾兩相厭氧處理系統穩定運行狀態下，連續1 個月的原漿液以及后續酸化工序和厭氧發酵工序出口漿料作為對象，探究兩相厭氧系統中VFA 濃度與pH、TCOD 濃度以及去除率、總堿度等指標的關系，以期確定最適宜的VFA 濃度范圍，為提升兩相厭氧處理系統TCOD 去除率提供一定參考。

2 兩相厭氧系統設計

2.1 設計工藝

在餐廚垃圾兩相厭氧發酵處理系統中，餐廚垃圾經分選、破碎、提油、除砂等預處理后，調制成粒徑≤5 mm 的原漿液，原漿液經水解酸化階段和產甲烷階段處理即產生沼氣、沼液，沼氣可進一步資源化利用，沼氣用于發電，沼液制作有機肥［13］，油脂制作生物柴油［14］。

原漿液總硫（TS）約12%，TCOD 約130 000 mg/L。將原漿液輸送到37 ℃水解酸化罐，水解酸化4 d，進一步去除油脂、雜質、沉砂后，漿液TS 約10%，TCOD約110 000 mg/L。水解酸化后漿液進入37 ℃厭氧罐，厭氧罐漿液（沼液）TS 約1.8%，TCOD 約10 000 mg/L。

2.2 設計參數

罐體設計參數見表1。

表1 罐體設計參數

2.3 檢測指標及數據分析

本研究主要檢測指標有VFA、pH、TCOD、堿度等，數據分析采用WPS2019 和SPSS17.0 完成。

3 運行結果分析

3.1 VFA 濃度與pH 的對應關系

連續穩定運行下，整個餐廚垃圾兩相厭氧處理系統連續31 d 各類物料（漿液）平均VFA 濃度與pH見表2。

表2 穩定狀態下物料VFA 濃度與pH

由表2 可知，物料漿液經酸化和厭氧發酵工序后pH 顯著上升（P＜0.01）；VFA 濃度有所不同，酸化后VFA 濃度顯著增加（P＜0.01），厭氧發酵后則迅速下降，濃度極顯著低于原漿液濃度（P＜0.01）。

3.2 VFA 濃度與TCOD 去除率的關系

連續穩定運行下，整個餐廚垃圾兩相厭氧處理系統連續31 d 厭氧發酵罐進料VFA 濃度與TCOD去除率見圖1。

圖1 厭氧發酵罐中進料VFA 濃度與TCOD 去除率變化

由圖1 可知，進料VFA濃度穩定在9 033.52±1 033.74 mg/L 時，TCOD 去除率為82.96%以上，最高達90.76%。

厭氧發酵過程中，以連續31 d 進料VFA 濃度為自變量，以厭氧發酵后TCOD 去除率為因變量，通過SPSS17.0 進行線性回歸模型分析，得到表3 和線性回歸方程式。

表3 厭氧發酵罐去除率與進料VFA 濃度統計

線性回歸方程式：TCOD 去除率=0.001VFAin+81.304，調整R2=16.2%，P=0.014。調整R2指原始數據與回歸方程的匹配度；進料P=0.014＜0.05，說明自變量能夠顯著影響因變量。即可說明，進料VFA 濃度可以顯著影響厭氧發酵罐TCOD 去除率，但匹配率只有16.2%，進一步說明還有其他因素影響TCOD去除率。

3.3 VFA 濃度和出料總堿度的對應關系

連續穩定運行下，整個餐廚垃圾兩相厭氧處理系統連續31 d 厭氧發酵罐進料VFA 濃度與出料總堿度（Total Alkalinity，TAL，以CaCO3計）濃度的變化見圖2。

圖2 厭氧發酵罐中進料VFA 濃度與出料TAL 濃度變化

由圖2 可知，進料VFA 濃度穩定在9 033.52±1 033.74 mg/L 時，出料TAL 濃度穩定在9 616.23±534.90 mg/L。

厭氧發酵過程中，以連續31 d 進料VFA 濃度為自變量，以厭氧發酵后出料TAL 濃度為因變量，通過SPSS17.0 進行線性回歸模型分析，得表4 和線性回歸方程式。

表4 厭氧發酵罐進料VFA 濃度及出料TAL 濃度統計

線性回歸方程式：TALout=-0.221VFAin+11 608.320，調整R2=15.3%，P=0.017。調整R2指原始數據與回歸方程的匹配度；P=0.017＜0.05，說明自變量能夠顯著影響因變量。即可說明，進料VFA 濃度可以顯著影響厭氧發酵罐出料TAL 濃度，但匹配率只有15.3%，進一步說明還有其他因素影響厭氧發酵罐出料TAL濃度。

4 結論

利用SPSS 軟件對餐廚垃圾工業化穩定運行進行數據分析，結論如下：

（1）VFA 濃度直接影響pH 的變化。原漿液的VFA 濃度在1 229.52±306.44 mg/L，說明餐廚垃圾在運送到處置地已經發生水解酸化。漿液VFA 濃度增加到9 033.52±1 033.74 mg/L，pH 從3.71 直接增加到4.76，數據變化反映酸化微生物菌群的變化。

（2）VFA 濃度對TCOD 降解率有顯著影響。水解酸化后漿液進入產甲烷階段的VFA 濃度顯著影響TCOD 去除率，符合產甲烷菌的反應規律。軟件SPSS分析還有其他影響因素，推斷為餐廚垃圾存在不易降解的有機物影響TCOD 的降解率。

（3）VFA 濃度對TAL 具有沖擊負荷。水解酸化后的漿液序批式進料，VFA 對產甲烷階段具有一定的沖擊負荷［15］，影響TAL 的變化。

綜合分析，在反應溫度、酸化停留時間、厭氧停留時間、攪拌方式等外部條件固定的情況下，VFA 控制基本滿足餐廚垃圾兩相厭氧發酵系統工業化、穩定化運行控制要求。