城市餐廚垃圾的厭氧消化處理研究*

馬 磊，劉 肅

（北京中京實華新能源科技有限公司，北京 100088）

城市餐廚垃圾的厭氧消化處理研究*

馬 磊，劉 肅

（北京中京實華新能源科技有限公司，北京 100088）

研究了不同處理量下，系統(tǒng)反應(yīng)溫度對餐廚垃圾厭氧消化過程中產(chǎn)氣量的影響，分析了餐廚垃圾厭氧消化處理過程中，產(chǎn)氣量與進料TS濃度的關(guān)系以及氣體成分的差異。結(jié)果表明：在相同處理量下，與中溫35℃的反應(yīng)溫度相比，高溫55℃下系統(tǒng)產(chǎn)氣速率較快，產(chǎn)氣高峰較早到達；系統(tǒng)日產(chǎn)氣量與進料TS的變化基本一致，平均產(chǎn)氣能力達到0．45 m3/kg，氣體成分中甲烷含量均高于55%。

餐廚垃圾；厭氧消化；厭氧反應(yīng)器；溫度

目前，餐廚垃圾的處理技術(shù)主要以資源化為導(dǎo)向，飼料化、好氧堆肥和厭氧消化都是具有代表性的生物處理技術(shù)。然而，餐廚垃圾中存在許多微量的有毒有害物質(zhì)，具有很強的環(huán)境穩(wěn)定性和生物累積效應(yīng)，從而限制其直接用作動物的飼料。好氧堆肥雖然可以得到優(yōu)質(zhì)的有機肥料，但是單一餐廚堆肥存在較大的技術(shù)難點，含水率高等導(dǎo)致堆肥升溫慢、容積效率較低，而且易腐、顆粒機械穩(wěn)定性差，需要特殊的填充物提高空隙率、大量的填充劑調(diào)理含水率，此外餐廚垃圾中含有大量油脂和鹽分會進一步影響微生物對有機物的分解速率。相比之下，厭氧消化處理技術(shù)更受青睞，一方面因為厭氧消化技術(shù)與傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋相比，將厭氧消化的過程由幾年縮短到30 d以內(nèi)，與好氧堆肥相比，改變了占地大和管理復(fù)雜的問題；另一方面，厭氧微生物能強化餐廚中油類的分解，耐鹽毒性較強，此外，不需要供氧，節(jié)省能耗［1］。因此，從技術(shù)上分析，餐廚垃圾的厭氧消化處理具有節(jié)能、高效、資源回收的優(yōu)勢，更加適合城市餐廚垃圾的資源化處理要求。筆者在不同溫度及進料量下，研究了餐廚垃圾厭氧消化過程中產(chǎn)氣能力的差異，以期為城市餐廚垃圾的資源化處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 餐廚垃圾

餐廚垃圾為餐廚垃圾專用車從固定區(qū)域的餐館、食堂收集來的，經(jīng)過初步分選，除去碗筷、塑料袋、玻璃瓶等雜物，成分包括米飯、面食、蔬菜、肉類、骨頭、菜湯等。餐廚垃圾的密度約為1．0 kg/L。新取來的餐廚垃圾經(jīng)過機械打漿，打漿后的餐廚垃圾主要理化性質(zhì)見表1，其形態(tài)變化如圖1所示?？偣腆w含量約為23．28%，其中揮發(fā)性固體占93．75%，表明廚泥中有機組分含量較高。此外，餐廚垃圾還富含氮、磷、鉀，具有營養(yǎng)元素齊全的特點。餐廚垃圾C/N質(zhì)量比約為25．38，接近有機垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣的最佳比值30。

表1 餐廚垃圾的理化性質(zhì)

圖1 餐廚垃圾打漿處理前后的外觀對比

1.1.2 接種物

接種物為馴化后的養(yǎng)豬場沼氣池厭氧污泥，總質(zhì)量約1 000 kg。為了增加菌液濃度，培養(yǎng)餐廚垃圾厭氧消化優(yōu)勢菌種，前期過程采用餐廚垃圾進行低負荷馴化培養(yǎng)，采用沼液回流與原料混合的方式進料，同時用堿液調(diào)節(jié)進料pH為8～9，從而維持系統(tǒng)內(nèi)合適的反應(yīng)pH［2-3］。厭氧污泥的主要性質(zhì)見表2。馴化后污泥TS濃度達到10%，VS濃度4．8%。

表2 厭氧污泥的主要性質(zhì)

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置及工藝流程

試驗裝置包括預(yù)處理系統(tǒng)、厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、增溫保溫系統(tǒng)和沼氣儲存利用。厭氧反應(yīng)器設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 厭氧反應(yīng)器設(shè)計參數(shù)

工藝流程如圖2所示，經(jīng)過分選后的餐廚垃圾在預(yù)處理單元經(jīng)過除油去鹽，然后打漿調(diào)質(zhì)后由厭氧反應(yīng)器進料口進料。厭氧反應(yīng)器頂部固定攪拌器，罐外增夾套層，熱水循環(huán)控溫35±（2～3）℃，巖棉保溫。沼渣沼液溢流至沼渣沼液池暫存。沼氣經(jīng)過除雜脫硫后儲存于沼氣儲存袋。

1.2.2 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)計加工1套試驗裝置，為了保證試驗結(jié)果的可比性，試驗過程中進料來源基本固定，厭氧反應(yīng)的溫度由增溫保溫系統(tǒng)自動控制恒溫，因此不做重復(fù)試驗。試驗設(shè)計如表4所示。

圖2 試驗工藝流程

表4 試驗設(shè)計

1.3 測定指標及方法

有機質(zhì)：重鉻酸鉀氧化法；總氮：H2SO4-H2O2消煮，蒸餾滴定法；總磷：H2SO4-H2O2消煮，分光光度法；總鉀：H2SO4-H2O2消煮，火焰光度法。具體操作參考有機肥成分分析方法。

總固體（TS） 和揮發(fā)性固體物（VS）：烘干法；揮發(fā)性有機酸（VFA）：3 500 r/min離心10 min，取上清液，蒸餾滴定法，結(jié)果以乙酸計。具體操作參照厭氧實驗室研究和分析方法。

總磷（TP）：過硫酸鉀消解鉬藍比色法；化學(xué)需氧量（CODCr）：催化消解密封法［4］。

細菌總數(shù)、霉菌、大腸菌群、痢疾桿菌、沙門氏菌的分析方法主要參照食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗國家標準分析方法；芽孢桿菌的測定方法參考常見細菌系統(tǒng)鑒定手冊；放線菌的分析測定方法參考NY 227—1994。

沼氣產(chǎn)氣量由濕式流量計在線讀取，沼氣成分由奧氏氣體分析儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度條件下餐廚垃圾產(chǎn)氣能力的差異

中溫（30～40℃） 和高溫（50～60℃） 是厭氧消化反應(yīng)過程中生化速率最高和產(chǎn)氣率最大的溫度區(qū)間。大多數(shù)工業(yè)化的厭氧消化反應(yīng)器是在中溫或常溫下操作，僅當反應(yīng)器的大小相對于能耗的增加和操作的穩(wěn)定性而言是考慮的主要因素時，高溫消化才加以采用。同時，高溫消化比中溫消化時間短，產(chǎn)氣率稍高，對寄生蟲卵的殺滅率在數(shù)小時內(nèi)就可達到90%，而中溫消化對寄生蟲卵的殺滅率在這么短的時間里相對較低。

本試驗過程中，在日處理量不變的情況下，高溫55℃與中溫35℃相比，能在較短的時間達到最大產(chǎn)氣量，在試驗第16天前，產(chǎn)氣量明顯較高（圖3和圖4）。日處理量10 kg/d、反應(yīng)溫度55℃的處理（T2），產(chǎn)氣量均維持在0．75 m3/d以上，于試驗開始第8天達到最大日產(chǎn)氣量0．92 m3/d（圖3）。同樣，日處理量20 kg/d、反應(yīng)溫度55℃的處理（T4），產(chǎn)氣量均維持在1．45 m3/d以上，于試驗開始第12天達到最大日產(chǎn)氣量1．9 m3/d，相對于35℃，產(chǎn)氣高峰提前（圖4）。

圖3 溫度對日處理量10 kg/d餐廚垃圾厭氧消化過程產(chǎn)氣量的影響

圖4 溫度對日處理量20 kg/d餐廚垃圾厭氧消化過程產(chǎn)氣量的影響

2.2 餐廚垃圾產(chǎn)氣量與進料TS的關(guān)系

在反應(yīng)器系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下，以處理T4（日處理餐廚垃圾20 kg/d、反應(yīng)溫度55℃）為研究對象。結(jié)果表明，系統(tǒng)產(chǎn)氣量均維持在1．50 m3/d以上。系統(tǒng)日產(chǎn)氣量隨著每天添加TS量的波動而變化，趨勢基本一致，表明菌種已處于活躍期，處理效率明顯提高。在1個反應(yīng)周期中（30 d），系統(tǒng)平均日產(chǎn)氣量1．77 m3/d，平均產(chǎn)氣能力達到0．45 m3/kg（圖5）。試驗過程中對系統(tǒng)所產(chǎn)氣體成分分析發(fā)現(xiàn)甲烷含量均高于55%（圖6），氣體能源價值較顯著。

圖5 餐廚垃圾高溫厭氧消化（55℃）過程中產(chǎn)氣量與TS添加量的關(guān)系

圖6 餐廚垃圾厭氧消化處理產(chǎn)氣成分

3 結(jié)論

1）厭氧消化處理餐廚垃圾不僅可以避免餐廚垃圾對環(huán)境的污染，而且實現(xiàn)了其資源化利用，產(chǎn)生能源價值顯著的清潔能源沼氣。

2）在厭氧系統(tǒng)負荷能力內(nèi)，系統(tǒng)日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量均隨著處理量的增加而增加。相對于中溫厭氧消化，高溫厭氧消化具有產(chǎn)氣速率快、消化時間短等優(yōu)勢。在充分考慮技術(shù)適用性和經(jīng)濟可行性的情況下，選擇高溫厭氧消化處理餐廚垃圾是可行的。

［1］徐文龍，盧英方，Walder R，等．城市生活垃圾管理與處理技術(shù)［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006．

［2］馬磊，王德漢，楊文杰，等．餐廚垃圾高溫厭氧消化接種物的馴化研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（6）：203-207．

［3］馬磊，王德漢，謝錫龍，等．接種量對餐廚垃圾高溫厭氧消化的影響［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24 （12）：178-182．

［4］賀延齡．廢水的厭氧生物處理［M］．北京：中國輕工業(yè)出版社，1998．

Anaerobic Digestion Treatment of Food Waste

Ma Lei，Liu Su
（Beijing Zhongjing Shihua New Energy Technology Co．，Ltd，Beijing 100088）

In the process of food waste anaerobic digestion,the effects of temperature on biogas production under different treating capacities were studied．The relation between biogas production and total solid concentration of food waste were analyzed,as well as the components of the biogas．The results showed that under the same treating capacity,thermophilic anaerobic digestion (55℃)had a higher biogas production rate and the highest production day came earlier compared with mesophilic anaerobic digestion (35℃)．Moreover,the variation of the daily biogas production was nearly the same as the variation of total solid．The average biogas production rate was 0．45 m3/kg and the percentage of methane was more than 55 percent．

food waste；anaerobic digestion；anaerobic reactor；temperature

X705

A

1005-8206（2012）04-0012-03

北京市市政科技發(fā)展計劃項目（10-19）

2012-04-18

馬磊（1983—），工程師，主要從事城市固體廢物的厭氧消化處理研究。

E-mail：malei1006@139．com。

（責任編輯：劉冬梅）