有機(jī)負(fù)荷對(duì)餐廚垃圾厭氧消化性能影響及動(dòng)力學(xué)分析

趙婉情, 陽(yáng) 紅, 劉海鑫, 黃 飚, 孫春江, 易衛(wèi)華, 劉 軍

(中船重工環(huán)境工程有限公司, 湖北 武漢 430000)

在碳減排、碳中和的背景下,固體廢物的減量化、資源化和無(wú)害化已成為未來(lái)垃圾處理的首要原則。我國(guó)生活垃圾清運(yùn)量逐年增加,2020年增至2.35億噸[1],其中餐廚垃圾占比達(dá)50%甚至更高[2-3]。若不對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行妥善處理,會(huì)造成資源浪費(fèi)甚至是污染周圍環(huán)境。與堆肥等工藝相比,厭氧消化具有適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境的影響較小、處理基質(zhì)范圍廣等優(yōu)勢(shì)[4],生產(chǎn)的沼渣可用作生物肥料且具有高能量回收潛力,是處理餐廚垃圾重要途徑之一。

餐廚垃圾與污泥和動(dòng)物糞便的共消化已成為普遍方式,但單獨(dú)處理餐廚垃圾往往是比較困難的[5],主要原因是餐廚垃圾中含有的高蛋白導(dǎo)致氨抑制,進(jìn)而導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸(VFA)的積累影響反應(yīng)[6]。為了實(shí)現(xiàn)厭氧消化穩(wěn)定運(yùn)行,有機(jī)負(fù)荷通常較低,Banks[7]等研究的最適負(fù)荷為2.25 kgVS·m-3d-1,曹秀芹[8]等研究餐廚垃圾濕式厭氧消化最佳有機(jī)負(fù)荷為2.94 kgVS·m-3d-1。因此,需調(diào)控系統(tǒng)參數(shù),在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下提高最佳有機(jī)負(fù)荷。

本研究在混合式厭氧消化反應(yīng)器(CSTR)中進(jìn)行有機(jī)負(fù)荷的梯度實(shí)驗(yàn),通過分析反應(yīng)器日產(chǎn)氣量、噸VS產(chǎn)氣量、VFA、堿度等性能參數(shù),探討不同負(fù)荷對(duì)消化系統(tǒng)運(yùn)行的影響并確定最佳有機(jī)負(fù)荷;開展批次生化產(chǎn)甲烷潛力(BMP)試驗(yàn)研究不同負(fù)荷的產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)特性,以期能促進(jìn)中小型餐廚垃圾厭氧消化工程的快速推廣。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

餐廚垃圾取自食堂餐廳,進(jìn)行人工篩選,手工分揀出骨頭、魚刺,放入粉碎機(jī)粉碎,調(diào)整含固率至18%左右。粉碎后的餐廚垃圾密封保存于4℃條件下。使用時(shí),提前從冰箱中取出,放置室溫下自然解凍。消化液取自余江鷹潭餐廚垃圾處理廠的餐廚垃圾消化液,基本性質(zhì)為VFA濃度為800 mg·L-1,pH值為7.8。

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置如圖1所示,裝置為容積50 L的CSTR,其中有效厭氧消化容積為40 L,高徑比為1∶1,材質(zhì)為有機(jī)玻璃。裝置外側(cè)設(shè)有水浴層夾層,通過與水浴鍋連接,控制消化溫度38 ℃左右,內(nèi)部設(shè)置潛水?dāng)嚢杵鳌Ｓ捎诓蛷N垃圾漿料比較粘稠,采用進(jìn)料筒進(jìn)行定量進(jìn)料,同時(shí)設(shè)置電動(dòng)推桿,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)定量進(jìn)料。

圖1 反應(yīng)器裝置和進(jìn)料裝置圖

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)厭氧反應(yīng)器持續(xù)運(yùn)行145 d,運(yùn)行階段期間有機(jī)負(fù)荷從0.72 kgVS·m-3d-1逐步提高至3.86 kgVS·m-3d-1,其負(fù)荷提高過程為0.72、0.88、1.32、1.83、2.67、3.15、3.39、3.86 kgVS·m-3d-1,各負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間不等。期間檢測(cè)消化液pH值、總堿度(以CaCO3計(jì))、氨氮、VFA,并通過流量計(jì)和沼氣分析儀監(jiān)測(cè)沼氣產(chǎn)量和沼氣成分,所有指標(biāo)都實(shí)時(shí)匯總到高效厭氧消化工藝失穩(wěn)預(yù)警和穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)。

1.4 分析方法

試驗(yàn)過程涉及到的檢測(cè)項(xiàng)目與分析方法見表1。

表1 檢測(cè)項(xiàng)目與分析方法

1.5 厭氧消化產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)特性研究

本試驗(yàn)使用Modified Gompertz(MG)產(chǎn)甲烷模型探究厭氧消化過程中有機(jī)物降解和產(chǎn)甲烷機(jī)制。模型的方程式如公式(1)所示,不同有機(jī)負(fù)荷的最大產(chǎn)甲烷潛力、最大產(chǎn)甲烷日產(chǎn)量和遲滯期等三項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以通過生化產(chǎn)甲烷潛力(BMP)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合origin軟件擬合計(jì)算出來(lái)。

式中:p為累計(jì)甲烷產(chǎn)量,mL·g-1VS;Pmax為最大產(chǎn)甲烷潛力,mL·g-1VS;Rmax為最大甲烷日產(chǎn)量,mL·g-1VSd-1;λ為產(chǎn)甲烷遲滯期,d;t為發(fā)酵時(shí)間,d;e為歐拉常數(shù),2.718。

研究1、2、3、4、5 kgVS·m-3d-1負(fù)荷下餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)特性。BMP實(shí)驗(yàn)是指通過測(cè)試獲取單位原料在特定的厭氧消化條件下最大可能產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量。BMP厭氧消化裝置由厭氧消化瓶、NaOH溶液瓶和量筒組成,將400 mL消化液裝入500 mL的厭氧消化瓶和不同量原料后充分搖勻,用氮?dú)獯祾? min置換頂部空氣,隨即密封后浸置于數(shù)顯恒溫水浴鍋中進(jìn)行中溫(36±1)℃批式厭氧消化。甲烷氣體的收集采用NaOH溶液(濃度5%)排水集氣法,保證厭氧消化過程中產(chǎn)生的CO2、H2S 等酸性氣體能被NaOH溶液吸收,排出的NaOH溶液體積即產(chǎn)甲烷量。在BMP 實(shí)驗(yàn)只檢測(cè)甲烷產(chǎn)量以及厭氧消化反應(yīng)前后的樣品的理化性質(zhì),如pH值、VFA、氨氮、堿度等理化指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氣量變化與分析

日產(chǎn)氣量和甲烷含量隨時(shí)間和有機(jī)負(fù)荷變化如圖2所示。在整個(gè)厭氧消化期間,兩者均波動(dòng)變化,變化趨勢(shì)為隨有機(jī)負(fù)荷的提高日產(chǎn)氣量波動(dòng)上升,而甲烷含量隨有機(jī)負(fù)荷的提高波動(dòng)下降。有機(jī)負(fù)荷從0.72 kgVS·m-3d-1升至1.83 kgVS·m-3d-1階段日產(chǎn)氣量變化較大,從6.18 L升至70 L左右;而有機(jī)負(fù)荷從3.15升至3.86 kgVS·m-3d-1運(yùn)行階段日產(chǎn)氣量變化較小,在80～110 L波動(dòng)變化,第121天日產(chǎn)氣量達(dá)到峰值120.86 L。

圖2 不同有機(jī)負(fù)荷下日產(chǎn)氣量和甲烷含量變化圖

甲烷含量除去第1天68.6%外,其余均在53%～63%內(nèi)小幅度變化。甲烷含量隨有機(jī)負(fù)荷每一階段的提高而小幅度下降,但會(huì)出現(xiàn)突然上升5%左右的情況,例如第47天、99天、127天甲烷含量增加,同時(shí)日產(chǎn)氣量下降,可能是由于周末期間進(jìn)料略微減少導(dǎo)致的。有機(jī)負(fù)荷從0.72升至1.83 kgVS·m-3d-1階段的平均甲烷含量比3.15升至3.86 kgVS·m-3d-1階段的高4%,2.67 kgVS·m-3d-1階段的平均甲烷含量與整個(gè)厭氧消化運(yùn)行的持平。可能是厭氧消化中產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌維持平衡時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行良好,而繼續(xù)提高負(fù)荷時(shí),水解酸化階段快而產(chǎn)甲烷階段慢,兩類菌群平衡被打破,造成二氧化碳含量升高而甲烷含量降低。

2.2 容積產(chǎn)氣率與噸VS產(chǎn)氣量變化與分析

噸VS產(chǎn)氣量和容積產(chǎn)氣率隨時(shí)間和有機(jī)負(fù)荷變化如圖3所示。有機(jī)負(fù)荷從0.72升至1.83 kgVS·m-3d-1階段噸VS產(chǎn)氣量和容積產(chǎn)氣率均隨著負(fù)荷的提高而波動(dòng)上升,負(fù)荷提高至2.67 kgVS·m-3d-1后,容積產(chǎn)氣率總體仍波動(dòng)上升,但噸VS產(chǎn)氣量波動(dòng)下降。因?yàn)閲峍S產(chǎn)氣量不僅與產(chǎn)氣量有關(guān),也與進(jìn)料量有關(guān),當(dāng)負(fù)荷從1.83升至2.67 kgVS·m-3d-1時(shí)進(jìn)料量從400 g增加至600 g,提高了50%,但平均產(chǎn)氣量從59 L提高至69 L左右,僅提高了17%。因此噸VS產(chǎn)氣量隨有機(jī)負(fù)荷的提高而降低。

圖3 不同有機(jī)負(fù)荷下噸VS產(chǎn)氣量和容積產(chǎn)氣率變化圖

噸VS產(chǎn)氣量在負(fù)荷0.72 kgVS·m-3d-1升至1.83 kgVS·m-3d-1階段在800 m3·t-1VS上下波動(dòng),2.67升至3.86 kgVS·m-3d-1階段在650 m3·t-1VS上下波動(dòng)。容積產(chǎn)氣率在負(fù)荷0.72升至0.88 kgVS·m-3d-1階段低于1 L·L-1,在負(fù)荷1.32升至2.67 kgVS·m-3d-1階段處于1～2 L·L-1,與郭曉慧[9]等反應(yīng)器在負(fù)荷2.5 kgVS·m-3d-1下容積甲烷產(chǎn)率為1.0 L·L-1的研究結(jié)果相似;在負(fù)荷升至3.15 kgVS·m-3d-1后的階段處于2～2.5 L·L-1,這比史緒川[10]等在負(fù)荷3.7 kgVS·m-3d-1時(shí)最高容積產(chǎn)氣率3.51 L·L-1的研究結(jié)果低,可能是后期反應(yīng)器出現(xiàn)VFA積累,系統(tǒng)變得不太穩(wěn)定,產(chǎn)氣并沒隨著負(fù)荷增加而增多。

2.3 VFA和堿度變化與分析

VFA是厭氧消化過程生成甲烷的中間產(chǎn)物,它們的積累是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能有顯著影響的參數(shù)之一[11]。VFA和堿度隨時(shí)間和有機(jī)負(fù)荷變化如圖4所示,兩者變化趨勢(shì)相反,VFA隨負(fù)荷的提高波動(dòng)上升,堿度隨負(fù)荷的提高波動(dòng)下降,且VFA上升幅度比堿度下降幅度大。VFA在負(fù)荷0.72升至1.32 kgVS·m-3d-1階段低于1000 mg·L-1,在負(fù)荷1.83升至3.15 kgVS·m-3d-1階段處于1000～2000 mg·L-1,在負(fù)荷3.39 kgVS·m-3d-1后的階段逐漸升至4000 mg·L-1。堿度在13000～15000 mg·L-1波動(dòng),負(fù)荷2.67 kgVS·m-3d-1前在14500 mg·L-1上下波動(dòng),而負(fù)荷升至2.67 kgVS·m-3d-1后的階段堿度明顯下降,降至13500 mg·L-1左右。

圖4 不同有機(jī)負(fù)荷下VFA和堿度變化圖

當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷超過3.15 kgVS·m-3d-1之后,堿度隨之出現(xiàn)較大波動(dòng)下降的變化,系統(tǒng)內(nèi)堿度的緩沖作用下降,導(dǎo)致系統(tǒng)消化運(yùn)行不穩(wěn)定,VFA持續(xù)上升。LI[12]等認(rèn)為VFA小于3000 mg·L-1且酸堿比在0.10～0.35范圍內(nèi)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。在負(fù)荷3.15 kgVS·m-3d-1階段,系統(tǒng)內(nèi)VFA在2000 mg·L-1左右波動(dòng),酸堿比在0.1～0.15,說明此負(fù)荷是最佳運(yùn)行負(fù)荷。

2.4 不同負(fù)荷單位累積甲烷產(chǎn)量的動(dòng)力學(xué)分析

將各負(fù)荷累計(jì)產(chǎn)甲烷曲線采用 Origin 2019進(jìn)行非線性曲線擬合,擬合結(jié)果如圖5,所得參數(shù)見表2,其中系列1、2、3、4、5代表負(fù)荷1、2、3、4、5 kgVS·m-3d-1。由圖5可知,5個(gè)負(fù)荷下厭氧消化SMP 累積產(chǎn)量隨著負(fù)荷的升高而提高并且未出現(xiàn)酸化抑制現(xiàn)象,有機(jī)負(fù)荷從1 kgVS·m-3d-1增加至5 kgVS·m-3d-1時(shí),最大產(chǎn)甲烷量升高59.87%。反應(yīng)初期不同負(fù)荷的甲烷產(chǎn)量累積量相對(duì)較小且差距不大,在第6天后產(chǎn)甲烷量開始有較大的區(qū)別,反應(yīng)第15天后產(chǎn)甲烷能力均下降,日產(chǎn)甲烷量下降。可繼續(xù)增加有機(jī)負(fù)荷研究厭氧消化系統(tǒng)不致酸化的最優(yōu)有機(jī)負(fù)荷。

圖5 不同有機(jī)負(fù)荷下產(chǎn)甲烷數(shù)據(jù)及GM模型擬合效果

表2 不同有機(jī)負(fù)荷下擬合參數(shù)

由表2可知修正后的R2均大于0.994,說明MG模型可以很好描述不同負(fù)荷下餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷過程。表2可知隨負(fù)荷的增加,最大產(chǎn)甲烷量和最高產(chǎn)甲烷率均增加,與周慧敏[13]等最高產(chǎn)甲烷率先減少后增加的結(jié)論不同,可能是因?yàn)橹芑勖舻鹊难芯克x定的負(fù)荷較大,最低負(fù)荷達(dá)到8.93 kgVS·m-3d-1,本試驗(yàn)中選取的5個(gè)負(fù)荷均小于其研究的最低值;而與Dinh[14]等的結(jié)論相同,可能是因?yàn)镈inh等的研究負(fù)荷與本試驗(yàn)均較小,說明不同的負(fù)荷范圍下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律不同。5個(gè)負(fù)荷均存在不同程度的延滯期,負(fù)荷為5 kgVS·m-3d-1延滯期最高,為2.3天。

3 結(jié)論

(1)50 L厭氧消化系統(tǒng)的進(jìn)料負(fù)荷逐步增加至3.86 kgVS·m-3d-1仍運(yùn)行正常,日產(chǎn)氣量、容積產(chǎn)氣率和VFA隨著負(fù)荷的增加而波動(dòng)上升,其中容積產(chǎn)氣率最后在2.5 L·L-1左右波動(dòng),VFA升至4000 mg·L-1;而噸VS產(chǎn)氣量和堿度下降,其中噸VS產(chǎn)氣量從運(yùn)行開始的1000降至650 m3·t-1VS。

(2)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為 3.15 kgVS·m-3d-1時(shí),餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中運(yùn)行效果最佳,VFA在2000 mg·L-1左右波動(dòng),酸堿比在0.1～0.15,日產(chǎn)氣量在80～100 L,容積產(chǎn)氣率在2～2.25 L·L-1,系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

(3)開展有機(jī)負(fù)荷1、2、3、4、5 kgVS·m-3d-1的BMP試驗(yàn),MG模型適合描述廚垃圾厭氧消化過程,每個(gè)負(fù)荷均存在延滯期,且最大產(chǎn)甲烷量和最高產(chǎn)甲烷率均隨著負(fù)荷的增加而提高。