餐廚垃圾與市政污泥連續(xù)式混合中溫厭氧消化

謝喬光，易 瑩，周艷偉，張 堃

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510300）

目前，國內(nèi)外普遍采用厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾、市政污泥等有機(jī)廢物。厭氧消化生成的沼氣燃燒產(chǎn)生電能和熱能，電能可并網(wǎng)供居民使用，熱能可用于沼渣烘干脫水，提高沼渣的商品有機(jī)價(jià)值，真正實(shí)現(xiàn)了減量化、無害化和資源化目的［1］。從文獻(xiàn)報(bào)道可知，中溫厭氧消化對(duì)于產(chǎn)氣和系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于高溫厭氧消化［2］。此外，在以往的此類研究中，基本以非連續(xù)加料或一次性加料為主要加料方法，對(duì)厭氧消化工程缺乏實(shí)際的指導(dǎo)意義。因此，本試驗(yàn)旨在研究在連續(xù)式進(jìn)出料條件下，將餐廚垃圾與市政污泥以不同的比例混合，對(duì)中溫厭氧消化效果的影響，為今后進(jìn)一步研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置采用排水收集氣體法。為了保證裝置的氣密性，集氣瓶的瓶口用橡膠塞塞緊，在橡膠塞中插入玻璃管，用液體密封膠密封玻璃管和橡皮塞之間的間隙。

圖1 厭氧消化試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)材料

餐廚垃圾取自某公司食堂，經(jīng)過人工篩選后，通過食物粉碎機(jī)粉碎，將餐廚垃圾充分打碎至粒徑2～4 mm的顆粒。餐廚垃圾粉碎后裝入密封袋。市政污泥和接種污泥均取自佛山市某有限公司污水處理廠。餐廚垃圾和污泥均保存于-2℃的冰箱中。其主要理化參數(shù)如表1所示。

表1 物料的主要參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)起始，實(shí)驗(yàn)固定每個(gè)消化瓶絕干物料為40 g，選擇接種量為20%，物料的總含固量（TS）調(diào)節(jié)為8%和10%，中溫（35±1）℃，調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速為120 r/min，水力停留時(shí)間為25 d，攪拌頻次定為每4 h連續(xù)攪拌1 h。餐廚垃圾與市政污泥厭氧混合消化的TS之比分別為：100:0、80:20、60:40、40:60、20:80和0:100，所對(duì)應(yīng)的C/N見表2。實(shí)驗(yàn)過程中每天測(cè)定日產(chǎn)氣量、pH、氣體組分、TS、VS、揮發(fā)性脂肪酸（VFA） 和堿度等參數(shù)。

表2 不同餐廚垃圾與污泥TS之比的C/N

1.4 分析方法

pH采用上海雷磁PHS-25型酸度計(jì)直接測(cè)定；含水率采用烘干法；TS、VS采用重量法［3］；氨氮采用德國WTW公司6100VIS型分光光度儀測(cè)定；凱氏氮采用國標(biāo)法GB 11891—1989測(cè)定?？傆袡C(jī)碳（TOC）：垃圾中有機(jī)碳含量大約為有機(jī)物含量的47%，因此可通過已測(cè)定的揮發(fā)性固體含量的值，再乘以0.47得出總有機(jī)碳的含量［4］。氣體組分和VFA采用GC9790型氣相色譜儀測(cè)定。測(cè)量消化物料各指標(biāo)取樣方法：充分搖勻消化瓶中的物料，在進(jìn)料前，取消化物料的固液混合物測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同物料含固率對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的影響

連續(xù)進(jìn)出料可以比一次性進(jìn)料獲得更穩(wěn)定的消化系統(tǒng)，從而使研究結(jié)果更加貼近實(shí)際需要，對(duì)工藝設(shè)計(jì)更具有指導(dǎo)意義。

由于污泥的C/N僅為3.4，而餐廚垃圾的C/N為17.8，并且餐廚垃圾的水解性強(qiáng)，容易被微生物所利用［5］，所以由圖2可以看出，連續(xù)投加含固率8%餐廚垃圾的厭氧消化系統(tǒng)，日產(chǎn)氣量最高，為180～1 030 mL；而投加含固率分別是8%和10%污泥的厭氧消化系統(tǒng)，日產(chǎn)氣量比較低，分別為0～170 mL和0～200 mL。

圖2 不同的物料含固率對(duì)厭氧消化中日產(chǎn)氣量的影響

由圖3可以看出，投進(jìn)10%的餐廚垃圾，系統(tǒng)的pH會(huì)不斷下降，出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。這是由于TS為10%的餐廚垃圾中有機(jī)物含量，是以上4種物料中最高的，微生物在分解有機(jī)物的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的VFA，中和了消化系統(tǒng)中原有的一部分堿度，所以使得系統(tǒng)的緩沖能力降低，pH下降，從而影響微生物的消化作用，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降［6］。

圖3 不同的物料含固率對(duì)厭氧消化中pH的影響

因此，選擇8%的含固率作為不同混合比例研究的進(jìn)料含固率。

2.2 不同物料比例對(duì)日產(chǎn)氣量、穩(wěn)定性和pH的影響

日產(chǎn)氣量隨餐廚垃圾加入比例的變化如圖4所示。隨著餐廚垃圾的比例增多，日產(chǎn)氣量也不斷增大。當(dāng)餐廚垃圾與污泥TS之比由0:100到100:0時(shí)，日產(chǎn)氣量范圍由0～145 mL增長到110～1 170 mL。所得結(jié)果與第1次試驗(yàn)的結(jié)果相同。

圖4 不同的物料混合比例對(duì)厭氧消化中日產(chǎn)氣量的影響

此外，當(dāng)餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40和80:20時(shí)，相較于污泥單獨(dú)厭氧消化，日產(chǎn)氣量有明顯的提高，分別是110～690 mL和340～630 mL。付勝濤等［5］按照進(jìn)料餐廚垃圾和污泥TS之比為80:20、60:40和40:60中溫厭氧消化，當(dāng)餐廚垃圾與污泥之比為80:20時(shí)，累計(jì)產(chǎn)甲烷量最高，發(fā)現(xiàn)隨著餐廚垃圾比例的提高，有助于提高剩余活性污泥的水解性能，從而提高沼氣和甲烷的產(chǎn)量，當(dāng)餐廚垃圾比例高于40%時(shí)，能夠明顯地提高污泥的降解性能，與本次不同的物料比例對(duì)日產(chǎn)氣量影響的實(shí)驗(yàn)研究相符。

由于餐廚垃圾的C/N較高，水解性強(qiáng)，容易被微生物利用，所以當(dāng)餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化時(shí)，日產(chǎn)沼氣量在6組試驗(yàn)中是最高的。然而，由圖5可以看出，當(dāng)餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化時(shí)，pH會(huì)下降到7以下，VFA/堿度的波動(dòng)比較大；其VFA/堿度的平均值為0.79。堿度是衡量厭氧消化系統(tǒng)緩沖能力的尺度，而VFA/堿度可用來衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般情況下，當(dāng)VFA/堿度＜0.4時(shí)，系統(tǒng)的酸化風(fēng)險(xiǎn)較小，緩沖能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高［7］。所以，當(dāng)餐廚垃圾單獨(dú)消化到第4天時(shí)，系統(tǒng)pH下降到6.5以下，產(chǎn)生了酸化，從而影響到日產(chǎn)沼氣量。然而，當(dāng)餐廚垃圾與污泥混合后，pH和VFA/堿度的波動(dòng)比較小，并且由表3可以看出，混合物料的VFA/堿度的平均值基本都小于0.4。所以，相較于餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化，將餐廚垃圾與污泥混合厭氧消化，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且，很多研究者認(rèn)為在餐廚垃圾中加入污泥，可以提高進(jìn)料中營養(yǎng)物成分，促進(jìn)微生物生長及提高厭氧消化過程的穩(wěn)定性［8］。

由此可以得出，相較于餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化和污泥單獨(dú)厭氧消化，當(dāng)餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40和80:20是可以明顯提高污泥的日產(chǎn)沼氣量，并且有助于提高厭氧消化過程的穩(wěn)定性。

圖5 不同的物料混合比例對(duì)厭氧消化中pH和VFA/堿度的影響

表3 不同餐廚垃圾與污泥比例的VFA/堿度平均值

2.3 不同物料混合比例對(duì)TS和VS去除率的影響

厭氧消化的目的之一是降解餐廚垃圾和污泥中的固體污染物，減少其對(duì)環(huán)境的污染。由圖6可知，當(dāng)污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)，TS和VS平均去除率分別是35%和44%。當(dāng)餐廚垃圾加入比例為60%和80%時(shí)，TS去除率分別提高了103%和71%；VS去除率分別提高了75%和70%。當(dāng)餐廚垃圾與污泥比例為60:40時(shí)，混合物料的C/N為12.04，TS和VS去除率比餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化、污泥單獨(dú)厭氧消化的去除率都要高，分別是71%和77%。表明將適量的餐廚垃圾與污泥混合，可以促進(jìn)TS和VS的降解。廖燕等［9］采用常溫厭氧消化工藝處理餐廚垃圾和剩余活性污泥，當(dāng)進(jìn)料為60:40時(shí)，系統(tǒng)比餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化和污泥單獨(dú)厭氧消化的TS和VS去除效果更加理想，分別達(dá)到32.89%和59.05%，與以上研究相符。

圖6 不同的物料混合比例對(duì)TS和VS去除率的影響

因此，當(dāng)餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40時(shí)，有機(jī)物降解效果最好，TS和VS去除率最高。

2.4 不同物料混合比例對(duì)沼氣和甲烷產(chǎn)率的影響

文獻(xiàn)資料表明，我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量范圍是45%～64%［10］。本試驗(yàn)中沼氣的甲烷（CH）4和二氧化碳（CO）2含量范圍和平均值見表4。從表4可以看出，當(dāng)污泥中加入不同比例的餐廚垃圾，CH4含量都會(huì)明顯提高。污泥單獨(dú)消化時(shí)，沼氣中的甲烷含量為30%～61%，平均值為45%。當(dāng)餐廚垃圾的加入比例分別為20%、40%、60%、80%和100%，沼氣中甲烷的平均值分別提高了22%、22%、22%、24%和17%。這是因?yàn)椴蛷N垃圾的組成成分主要是碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)等，具有良好的降解性，從而提高了沼氣中甲烷含量［11］。

表4 不同物料混合比例對(duì)氣體組分的影響

由圖7可知，當(dāng)餐廚垃圾與污泥的TS之比為40:60、60:40和80:20時(shí)，去除單位VS的沼氣和甲烷平均產(chǎn)量比餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化和污泥單獨(dú)厭氧消化的平均產(chǎn)量都高。然而，當(dāng)餐廚垃圾與污泥的TS之比為20:80時(shí)，由于其C/N僅為6.28，從而沼氣和甲烷平均產(chǎn)量比較低。而污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)，其C/N和有機(jī)質(zhì)含量低，是導(dǎo)致產(chǎn)氣量低的原因。

圖7 不同的物料混合比例對(duì)沼氣產(chǎn)率和甲烷產(chǎn)率的影響

雖然餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化時(shí)的C/N比混合物料的C/N高，但是由于餐廚垃圾易酸化水解，產(chǎn)生大量的VFA等中間產(chǎn)物。如果不能夠及時(shí)被甲烷微生物所利用，就會(huì)使得系統(tǒng)內(nèi)pH下降到7以下，從而影響沼氣和甲烷的產(chǎn)生。然而，當(dāng)餐廚垃圾與污泥的TS之比為80:20時(shí)，C/N為14.92，去除單位VS的沼氣和甲烷平均產(chǎn)率是6組試驗(yàn)中最高的，分別達(dá)到712 mL/g和388 mL/g；相較于餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化，去除單位VS的沼氣和甲烷平均產(chǎn)率分別提高了16%和19%。

因此，將適量的餐廚垃圾與污泥混合，可防止系統(tǒng)產(chǎn)生過多的VFA等中間產(chǎn)物，從而提高去除單位VS的沼氣和甲烷產(chǎn)率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)餐廚垃圾與污泥TS之比為80:20時(shí)，資源化利用效果最好，去除單位VS的沼氣和甲烷產(chǎn)率最高。

3 結(jié)論

1）在連續(xù)進(jìn)料的條件下，投加含固率為8%餐廚垃圾會(huì)比投加含固率為10%餐廚垃圾更加穩(wěn)定，并且日產(chǎn)氣量更高。

2）相較于污泥單獨(dú)厭氧消化，當(dāng)餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40和80:20是可以明顯提高污泥的日產(chǎn)沼氣量，并且有助于提高厭氧消化過程的穩(wěn)定性。

3）相較于餐廚單獨(dú)厭氧消化，當(dāng)餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40時(shí)，餐廚垃圾和污泥中固體污染物降解效果最好，TS和VS去除率最高，分別達(dá)到71%和77%。

4）將適量的餐廚垃圾與污泥混合，可以防止餐廚垃圾產(chǎn)生過量的VFA，提高沼氣和甲烷產(chǎn)率。當(dāng)餐廚垃圾與污泥TS之比為80:20時(shí)，資源化利用效果最好，去除單位VS的沼氣和甲烷產(chǎn)率最高，分別達(dá)到712 mL/g和388 mL/g。

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