不同厭氧發酵工藝對餐廚垃圾進料負荷的影響研究

楊研通

（瀚藍環境股份有限公司，廣東 佛山 528000）

1 研究背景

餐廚垃圾包括餐飲垃圾和廚余垃圾。餐飲垃圾是指餐館、飯店、單位食堂等的飲食剩余物以及后廚的果蔬、肉食、油脂、面點等的加工過程廢棄物；廚余垃圾是指家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮等易腐有機垃圾[1]。數據表明，中國城市餐廚垃圾每年的產生量約為6×107t[2]。然而,在一些人口密集的一線城市,餐廚垃圾的日產量達到甚至超過1 000 t[3-4]。

傳統的餐廚垃圾處理方法主要有干化焚燒、生物飼料、衛生填埋和好氧堆肥，在對傳統技術的不斷改進之下,厭氧發酵技術成為處理餐廚垃圾的主流方法。餐廚垃圾經過厭氧發酵處理后,可產生供二次利用的清潔能源,實現廢棄物再利用[5]。

2 厭氧發酵工藝

餐廚垃圾因高易腐有機質的特性，使得其在單獨厭氧消化時水解酸化速率過快，容易出現酸化抑制的現象，影響產沼氣效果[6]。研究表明，污泥協同厭氧消化技術可以調節底物碳氮比，平衡消化底物營養成分，穩定厭氧消化過程，緩解酸化抑制等問題，從而提高產氣能力[7-8]。

本文將基于餐廚垃圾的中溫濕式厭氧、中溫干式厭氧、污泥協同干式厭氧3 種厭氧消化（厭氧發酵）方式，探究其酸化前的最大承受負荷及其產氣情況。

3 材料與方法

3.1 實驗材料

餐廚垃圾取自瀚藍綠電南海餐廚處理廠三相離心機渣相和液相，剩余污泥取自瀚藍綠電南海污水處理廠，進料原料性質見表1。

表1 進料原料性質

3.2 實驗裝置

圖1 為實驗工藝流程圖。圖1 中反應裝置為CSTR 厭氧反應器，總體積為2.6 m3，有效容積為2.3 m3。反應器頂部設有進料口，罐壁有出料口，反應器攪拌轉速為25 r/min，利用加熱片加熱保溫，反應溫度為36 ℃±0.5 ℃。

圖1 實驗工藝流程圖

3.2 實驗設計

實驗共分為3 組，實驗分組情況見表2。

表2 實驗分組情況

3.3 分析項目與檢測方法

表3 為分析項目和檢測方法。

表3 分析項目和檢測方法

4 結果和討論

4.1 不同厭氧發酵方式耐受負荷情況

pH 值是影響厭氧消化過程的重要因素，許多研究結果和實際運行經驗表明，厭氧消化需要一個相對穩定的pH 值范圍，宜控制在6.5～7.8[1]。酸堿比即VFA/TAC 和沼氣中CH4 含量是判斷消化系統是否穩定的重要指標，正常運行時，VFA/TAC 一般小于0.3。當VFA/TAC 大于0.3 并繼續升高時，預示系統運行可能出現異常，VFA 將會不斷升高，隨之pH 值出現下降[9]。

圖2 為反應過程中隨著負荷的提升，不同厭氧發酵方式的反應器pH 值變化情況。

圖2 反應過程中不同厭氧發酵方式pH 值變化情況

圖3 為反應過程中3 種不同厭氧發酵方式VFA/TAC 變化情況。當VS 容積負荷達到4.50 kg/（m3·d）時，中溫濕式厭氧反應器VFA/TAC 提升至0.50 以上，并繼續升高，pH 值也隨之下降至6.01，表示此時中溫濕式厭氧反應器已經酸化。當VS 容積負荷達到6.0 kg/（m3·d）時，中溫干式厭氧反應器VFA/TAC 提升至0.67，并繼續升高，pH 值也隨之下降至6.44，表示此時中溫干式厭氧反應器已經酸化。污泥協同干式厭氧在試驗結束時，VS 容積負荷已提升至10.0 kg/（m3·d），VFA/TAC 仍穩定保持在0.40 以下，pH 值也穩定保持在7.50 以上，說明系統未出現酸化。

圖3 反應過程中3 種不同厭氧發酵方式VFA/TAC 變化情況

4.2 不同厭氧發酵方式VS 產氣率變化情況

圖4 為反應過程中3 種不同厭氧發酵方式單位VS 產氣率變化情況。由圖4 可以看出，在VS 容積負荷為4.50 kg/（m3·d）以下時，中溫濕式厭氧平均單位VS 產甲烷率為0.62 m3/kg，中溫干式厭氧為0.38 m3/kg，污泥協同干式厭氧為0.43 m3/kg。說明在VS 容積負荷在4.50 m3/kg 以下時，中溫濕式厭氧產甲烷能力更強，較中溫干式厭氧高63.15%，較污泥協同干式厭氧高44.19%。隨著負荷的提升，污泥協同干式厭氧在VS 容積負荷為8.00 kg/（m3·d）時，單位VS 產氣率達0.61 m3/kg，說明污泥協同干式厭氧不僅能耐受更高VS 容積負荷，還能達到中溫濕式厭氧在低負荷時的高效厭氧。

圖4 反應過程中3 種不同厭氧發酵方式單位VS 產氣率變化情況

5 結論

1）餐廚垃圾采用中溫濕式厭氧發酵方式在VS容積負荷為4.50 kg/（m3·d）時系統開始酸化，采用中溫干式厭氧發酵方式在VS 容積負荷為6.00 kg/（m3·d）時系統開始酸化，采用污泥協同厭氧發酵方式在在最高試驗負荷10.00 kg/（m3·d）時系統仍未開始酸化。

2）采用中溫濕式厭氧發酵方式，在VS 容積負荷4.50 kg/（m3·d）以下時，平均單位VS 產甲烷率最高，達0.62 m3/kg。

3）采用污泥協同干式厭氧發酵方式，在VS 容積負荷為8.00 kg/（m3·d）時，厭氧產氣效率達到最高，單位VS 產氣率達0.61 m3/kg。