新型兩相一體厭氧消化反應(yīng)器處理餐廚垃圾中試研究

史緒川,左劍惡*,閻 中,甘海南,王凱軍

新型兩相一體厭氧消化反應(yīng)器處理餐廚垃圾中試研究

史緒川1,左劍惡1*,閻 中2,甘海南3,王凱軍1

(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084；2.北京中源創(chuàng)能工程技術(shù)有限公司,北京 100083；3.山東十方環(huán)保能源股份有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

針對(duì)餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程易發(fā)生揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的積累,系統(tǒng)難以穩(wěn)定高效運(yùn)行等問(wèn)題,本研究設(shè)計(jì)制造了一套中試規(guī)模的新型雙環(huán)嵌套式兩相一體厭氧反應(yīng)器,采用雙環(huán)嵌套式結(jié)構(gòu),在反應(yīng)器內(nèi)部將內(nèi)環(huán)的產(chǎn)酸階段與外環(huán)的產(chǎn)甲烷階段分離.反應(yīng)器共運(yùn)行184d,初始負(fù)荷為60kg/d,運(yùn)行階段階梯式提高負(fù)荷,最高達(dá)到180kg/d.結(jié)果表明,該新型反應(yīng)器產(chǎn)氣與有機(jī)固體去除效率高,穩(wěn)定性好.在穩(wěn)定運(yùn)行階段,有機(jī)負(fù)荷為3.0kgVS/(m3·d),容積產(chǎn)氣率平均達(dá)到1.69m3/(m3·d),最高為2.72m3/(m3·d),平均負(fù)荷產(chǎn)氣率為0.57m3/(kgVS·d),有機(jī)固體去除率達(dá)77.2%;由于內(nèi)外環(huán)相分離作用,外環(huán)pH值相比內(nèi)環(huán)高約0.3~0.4,外環(huán)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和溶解性化學(xué)需氧量(sCOD)平均濃度相比內(nèi)環(huán)分別降低25%和23%.雙環(huán)嵌套式反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷階段分離的作用,內(nèi)環(huán)產(chǎn)酸相很好地完成了水解和酸化步驟,同時(shí)減輕產(chǎn)甲烷相受到酸積累的沖擊,對(duì)反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵作用.

厭氧消化；餐廚垃圾；兩相一體反應(yīng)器；產(chǎn)甲烷

我國(guó)城市生活垃圾產(chǎn)量近年來(lái)迅速增加.據(jù)統(tǒng)計(jì),到2016年,我國(guó)城市生活垃圾總清運(yùn)量已達(dá)2.15億t[1].我國(guó)生活垃圾中有機(jī)部分約占50%~75%,包括餐廚垃圾、果蔬垃圾、紙張、園林廢棄物等[2].其中,餐廚垃圾作為城市生活垃圾中的一種典型生物質(zhì)垃圾,產(chǎn)量迅速增加,據(jù)估計(jì),目前我國(guó)餐廚垃圾年產(chǎn)量接近9千萬(wàn)t[3].近年來(lái),餐廚垃圾的處理處置與資源化利用引起了人們的廣泛關(guān)注.目前我國(guó)餐廚垃圾處理的技術(shù)主要是厭氧消化、好氧堆肥、飼料化、填埋等.其中采用厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾可以實(shí)現(xiàn)資源化利用,減少污染的同時(shí)生產(chǎn)沼氣作為可再生能源,已被證明是最有發(fā)展前景的處理手段之一[4].

目前,已有較多的研究者對(duì)餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程進(jìn)行研究,結(jié)果表明,餐廚垃圾厭氧消化易導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸(VFAs)的積累,產(chǎn)甲烷菌活性受抑制,系統(tǒng)難以穩(wěn)定高效運(yùn)行[5].高有機(jī)負(fù)荷?環(huán)境條件波動(dòng)?抑制性物質(zhì)等都有可能導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)酸化,而其主要原因是VFAs的產(chǎn)生和消耗不平衡[6].產(chǎn)酸細(xì)菌世代時(shí)間短,生長(zhǎng)速率快,可以大量產(chǎn)生有機(jī)酸,而產(chǎn)甲烷菌世代時(shí)間長(zhǎng),增殖速率慢,消耗有機(jī)酸能力有限.當(dāng)產(chǎn)甲烷菌受到環(huán)境因素波動(dòng)無(wú)法將產(chǎn)生的酸轉(zhuǎn)化為甲烷時(shí),就會(huì)出現(xiàn)VFAs積累的現(xiàn)象.高濃度VFAs對(duì)產(chǎn)甲烷菌有較強(qiáng)的抑制作用,且會(huì)導(dǎo)致pH值下降,對(duì)產(chǎn)甲烷菌造成更嚴(yán)重的抑制,加劇酸積累,最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰[7-8].

為解決酸積累和酸抑制問(wèn)題,有較多的研究者提出兩相厭氧消化工藝,即通過(guò)分離產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相,為兩類(lèi)微生物菌群分別提供最適生長(zhǎng)環(huán)境,從而提高整個(gè)系統(tǒng)厭氧消化效率.相比傳統(tǒng)的單相工藝,兩相厭氧消化工藝的處理能力和產(chǎn)氣能力都有所提高[9-10].但是兩相厭氧反應(yīng)器也存在反應(yīng)器占地面積大,投資成本高,系統(tǒng)操作與維護(hù)較復(fù)雜等缺點(diǎn).相比于組合式的兩相厭氧消化工藝,一體式兩相厭氧反應(yīng)器將產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相兩種不同反應(yīng)器集成在同一反應(yīng)器內(nèi),不僅實(shí)現(xiàn)了同一反應(yīng)器內(nèi)部的分相,使產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷菌群能夠有適宜的代謝和生長(zhǎng)條件,而且結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小[11].

目前,文獻(xiàn)中所報(bào)道的兩相一體式厭氧反應(yīng)器主要應(yīng)用于處理秸稈等水解酸化較慢的生物質(zhì)垃圾[12-14].酸化相主要起到強(qiáng)化水解和酸化的作用.而針對(duì)餐廚垃圾一類(lèi)水解速率快,易酸化的生物質(zhì)垃圾采用兩相一體式厭氧反應(yīng)器的案例很少.此外,由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,設(shè)計(jì)要求高,目前,兩相一體式厭氧反應(yīng)器大多屬于專(zhuān)利產(chǎn)品,且仍處于小試試驗(yàn)階段,中試及工程規(guī)模的應(yīng)用較少.

針對(duì)餐廚垃圾厭氧消化中的酸積累,和傳統(tǒng)兩相工藝占地面積大等問(wèn)題,本研究中開(kāi)發(fā)了一種雙環(huán)嵌套式兩相一體化厭氧消化工藝,在中溫條件下對(duì)兩相一體化厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)行了中試規(guī)模的試驗(yàn)研究,以期有效地解決傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾存在的瓶頸,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和產(chǎn)氣率,為餐廚垃圾的高效資源化利用提供有益的參考.

1 材料與方法

1.1 物料和接種污泥

試驗(yàn)所用餐廚垃圾取自山東省濟(jì)南市某餐廚垃圾處理廠(chǎng)預(yù)處理車(chē)間.該廠(chǎng)的餐廚垃圾主要來(lái)源于濟(jì)南市市區(qū)范圍內(nèi)的餐館、食堂,主要成分為米飯、肉類(lèi)、豆腐、蔬菜、油脂等,以及紙張、塑料、木頭等雜質(zhì).餐廚經(jīng)過(guò)預(yù)處理車(chē)間的分揀、破碎與提油等預(yù)處理環(huán)節(jié)后呈漿狀,之后進(jìn)入?yún)捬跸尢幚?試驗(yàn)中所用的餐廚垃圾總固體含量(TS)為(8.3±2.9)%,揮發(fā)性固體含量(VS)為(7.0±2.7)%.餐廚垃圾物料的主要性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 餐廚垃圾物料的主要性質(zhì)

接種污泥取自該餐廚垃圾處理廠(chǎng)內(nèi)工程規(guī)模的厭氧消化罐,其物料也以餐廚垃圾為主.接種污泥的總固體含量(TS)為(2.4±1.1)%,揮發(fā)性固體含量(VS)為(2.2±0.2)%.

1.2 試驗(yàn)裝置與工藝流程

本研究中所設(shè)計(jì)的中試設(shè)備將進(jìn)料池、進(jìn)料泵、厭氧發(fā)酵罐、電加熱水箱、沼渣沼液池、電氣控制柜等單元集中布置在鐵制底座上,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集成化、標(biāo)準(zhǔn)化.其平面布置圖如圖1所示.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),進(jìn)料餐廚垃圾通過(guò)自動(dòng)提升機(jī)倒入原料池中,并通過(guò)螺桿泵泵入?yún)捬醢l(fā)酵罐內(nèi),在消化罐內(nèi)停留20~25d后,出料混合液通過(guò)排料管排入沼渣沼液池暫存.電加熱水箱與厭氧消化罐內(nèi)的加熱盤(pán)管相連,通過(guò)熱水的循環(huán)實(shí)現(xiàn)厭氧消化罐內(nèi)部加熱.發(fā)酵罐兩側(cè)設(shè)置扶梯和操作平臺(tái),方便設(shè)備安裝調(diào)試與取樣.整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)電氣箱中的PLC程序自動(dòng)控制,系統(tǒng)運(yùn)行、控制的難度大大降低.

核心設(shè)備為雙環(huán)嵌套式厭氧發(fā)酵罐.發(fā)酵罐主要包括內(nèi)外環(huán)主體結(jié)構(gòu)、攪拌系統(tǒng)、取樣與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等.其中內(nèi)環(huán)作為水解酸化相,外環(huán)為產(chǎn)甲烷相.經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的餐廚垃圾進(jìn)料通過(guò)螺桿泵首先泵入消化罐內(nèi)環(huán).經(jīng)過(guò)3~4d的水解酸化,物料在內(nèi)環(huán)上部溢流進(jìn)入到外環(huán)進(jìn)行產(chǎn)甲烷反應(yīng).經(jīng)過(guò)20d左右的產(chǎn)甲烷反應(yīng),被充分厭氧消化利用的混合液由上部出料管排出.另外,發(fā)酵罐底部設(shè)有排空管用于排空和清渣.發(fā)酵罐內(nèi)部設(shè)有兩套攪拌系統(tǒng),外環(huán)采用潛水?dāng)嚢铏C(jī)推流攪拌,內(nèi)環(huán)采用傳統(tǒng)的中心軸攪拌.在反應(yīng)罐頂部設(shè)有不同長(zhǎng)度的取樣管(內(nèi)環(huán)外環(huán)各3處)浸沒(méi)在發(fā)酵罐液面以下,取樣管中放置在線(xiàn)pH 計(jì)和溫度計(jì)用于監(jiān)控系統(tǒng)pH值和溫度.發(fā)酵罐總體積為4.37m3,有效體積3.41m3,高度為1.95m,內(nèi)外環(huán)直徑比為2.5:1,內(nèi)外環(huán)有效體積比為1:4.8.消化罐溫度通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)保持在(37±2)℃.

圖1 雙環(huán)嵌套式高效厭氧消化中試設(shè)備平面布置

圖2 兩相一體式厭氧發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)

1.3 試驗(yàn)方法

反應(yīng)器采用半連續(xù)式進(jìn)出料方式,每天進(jìn)料出料一次.根據(jù)反應(yīng)器運(yùn)行情況,逐步提高有機(jī)負(fù)荷,停留時(shí)間也相應(yīng)縮短.第1~46d為第1階段,是系統(tǒng)的啟動(dòng)階段,每日進(jìn)料60kg,這一階段餐廚垃圾進(jìn)料VS平均含量為7.3%,單位容積有機(jī)負(fù)荷平均為1.3kgVS/(m3·d),停留時(shí)間為57d(內(nèi)環(huán)10d+外環(huán)47d).第47~96d為第2階段,每日進(jìn)料量增加至100kg,這一階段餐廚垃圾進(jìn)料VS平均含量為6.7%,單位容積有機(jī)負(fù)荷平均為2.0kgVS/(m3·d),停留時(shí)間為34d (內(nèi)環(huán)6d+外環(huán)28d).第97~160d為第3階段,每日進(jìn)料量增加至150kg,這一階段餐廚垃圾進(jìn)料VS平均含量為6.8%,單位容積有機(jī)負(fù)荷平均為3.0kgVS/ (m3·d),停留時(shí)間為23d (內(nèi)環(huán)4d+外環(huán)19d).第160~184d為第4階段,每日進(jìn)料量增加至180kg,這一階段餐廚垃圾進(jìn)料VS平均含量為7%,單位容積有機(jī)負(fù)荷平均為3.7kgVS/(m3·d),停留時(shí)間為19d (內(nèi)環(huán)3d+外環(huán)16d).

1.4 分析測(cè)試方法

TS采用烘干法(105°C)測(cè)定;VS使用馬弗爐(550°C)測(cè)定;pH值采用在線(xiàn)pH計(jì)測(cè)量(聯(lián)測(cè)儀表,SIN-PH5011);C、H、O、N元素質(zhì)量百分含量采用元素分析儀(SENSE, EDX-1050)測(cè)量;揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)濃度和碳酸氫鹽堿度測(cè)定采用聯(lián)合滴定法[15],總VFAs濃度以乙酸濃度計(jì)(mg/L);溶解性化學(xué)需氧量(sCOD)取經(jīng)過(guò)離心過(guò)濾預(yù)處理后的上清液,采用國(guó)標(biāo)方法測(cè)定;沼氣從消化罐排出后先經(jīng)過(guò)脫硫和干燥裝置,流量采用葉輪式氣體流量表計(jì)量(TYG-Y-4).沼氣氣體成分采用便攜式沼氣分析儀測(cè)定(上海昶艾,Cl-PS10).

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)負(fù)荷與產(chǎn)氣情況分析

如圖3所示,在試驗(yàn)啟動(dòng)階段,反應(yīng)器即有較好的產(chǎn)氣性能,初始的單位容積產(chǎn)氣率在0.5m3/(m3·d)左右,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,單位容積產(chǎn)氣率逐漸升高,而在25~35d期間,單位容積產(chǎn)氣率出現(xiàn)下降,這主要是由于在啟動(dòng)階段,設(shè)備處于調(diào)試期,運(yùn)行狀態(tài)不是十分穩(wěn)定,厭氧微生物活性并未達(dá)到理想狀態(tài),出現(xiàn)了VFAs的大量積累.VFAs的積累抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性,導(dǎo)致了產(chǎn)氣率的下降.隨著反應(yīng)器運(yùn)行逐漸穩(wěn)定,容積產(chǎn)氣率又出現(xiàn)了上升,基本處于穩(wěn)定狀態(tài).在第2階段和第3階段,由于進(jìn)料量的增加和有機(jī)負(fù)荷的提高,產(chǎn)氣率有明顯提高.第2階段單位容積產(chǎn)氣率平均為1.11m3/(m3·d),第3階段單位容積產(chǎn)氣率平均為1.69m3/(m3·d),最高為118d的2.72m3/(m3·d).而到第4階段,在初期,由于進(jìn)料量增加,有機(jī)負(fù)荷提高,產(chǎn)氣率繼續(xù)提高,最高為168d的3.51m3/(m3·d),但是在后期隨著反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)VFAs積累,系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,產(chǎn)氣率也相應(yīng)下降.

圖3 試驗(yàn)不同階段單位容積產(chǎn)氣率變化曲線(xiàn)

由于餐廚垃圾進(jìn)料VS含量波動(dòng)較大,因此計(jì)算單位負(fù)荷產(chǎn)氣率時(shí),有機(jī)負(fù)荷取每一階段的平均值.在第1階段,平均單位有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)氣率為0.45m3/ (kgVS·d),最高為44d時(shí)的0.88m3/(kgVS·d).第2階段平均單位有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)氣率為0.56m3/(kgVS·d),最高為82d的0.97m3/(kgVS·d).第3階段平均單位負(fù)荷產(chǎn)氣率為0.57m3/(kgVS·d),最高為118d的0.91m3/ (kgVS·d).第4階段由于后期VFAs積累,產(chǎn)氣率也相應(yīng)下降,平均單位負(fù)荷產(chǎn)氣率為0.55m3/(kgVS·d),最高為168d的0.87m3/(kgVS·d).由此可以看出,在穩(wěn)定運(yùn)行階段,每日容積產(chǎn)氣率雖然受到進(jìn)料VS波動(dòng)影響,存在波動(dòng),但平均的單位有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)氣率相對(duì)穩(wěn)定,反應(yīng)器整體運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定良好.與此同時(shí),在第2?3?4階段,監(jiān)測(cè)了沼氣中甲烷和二氧化碳的含量,甲烷的含量平均為62.3%,最高為78%,最低為34%.按照平均甲烷含量計(jì)算可得平均單位負(fù)荷甲烷產(chǎn)率為0.35m3/(kgVS·d).

根據(jù)表1中餐廚垃圾元素分析結(jié)果,計(jì)算可知,試驗(yàn)所用餐廚垃圾的化學(xué)式可表示為C10.0H25.4O5.6N.其理論產(chǎn)甲烷量計(jì)算可得0.57Nm3/ kgVS.由此得到,厭氧生物可降解約為61%,與文獻(xiàn)報(bào)告值接近,表明在穩(wěn)定運(yùn)行階段,系統(tǒng)產(chǎn)甲烷效率較高[15].李榮平等[17]利用序批式厭氧消化試驗(yàn)研究了早、中、晚餐餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷潛力,其累積甲烷產(chǎn)量在0.21~0.36m3/kgVS.考慮到本研究中所使用的餐廚垃圾經(jīng)過(guò)了濕熱提油預(yù)處理,有相當(dāng)部分的有機(jī)質(zhì)已經(jīng)被提取,因此,本研究中反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷效率已經(jīng)較高.

在相關(guān)文獻(xiàn)中,有較多的對(duì)餐廚垃圾厭氧消化工藝的報(bào)道,郭曉慧等[18]對(duì)比分析了餐廚垃圾中溫與高溫條件下單相半連續(xù)厭氧消化處理餐廚垃圾,發(fā)現(xiàn)中溫反應(yīng)器具有更好的穩(wěn)定性和更高的容積產(chǎn)甲烷速率.中溫反應(yīng)器在負(fù)荷2.5kgVS/(m3·d)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行,單位容積甲烷產(chǎn)率為1.0m3/(m3·d);而在高溫條件下,在負(fù)荷為2.0kgVS/(m3·d)時(shí),VFAs (主要是乙酸和丙酸)明顯積累的情況下,仍可維持相對(duì)穩(wěn)定的容積甲烷產(chǎn)生速率0.77m3/(m3·d).當(dāng)負(fù)荷升至2.5kgVS/(m3·d)時(shí)因乙酸和丙酸迅速積累,pH值急劇下降,產(chǎn)氣幾近停滯,系統(tǒng)接近崩潰.董蕾等[19]在中試規(guī)模下開(kāi)展餐廚垃圾高溫厭氧消化,結(jié)果表明最大有機(jī)負(fù)荷可以達(dá)到2.55kgVS/(m3·d).Lin 等[20]在3kgVS/(m3·d)的負(fù)荷下共消化餐廚垃圾和果蔬垃圾,結(jié)果表明,由于揮發(fā)酸積累和氨氮抑制,單獨(dú)消化餐廚垃圾時(shí),產(chǎn)氣率迅速下降,系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至崩潰.

以上研究結(jié)果表明,在采用傳統(tǒng)單相全混式(CSTR)反應(yīng)器時(shí),由于餐廚垃圾易酸化?容易導(dǎo)致氨氮抑制的特點(diǎn),負(fù)荷難以提高,通常只能達(dá)到2.0~2.5kgVS/(m3·d),而中試和工程規(guī)模的反應(yīng)器運(yùn)行調(diào)控難度大,有機(jī)負(fù)荷則更低.本研究中采用的雙環(huán)嵌套式反應(yīng)器通過(guò)同一反應(yīng)器內(nèi)兩相分離,可以減輕揮發(fā)酸積累對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用,可以在中試規(guī)模下實(shí)現(xiàn)3kgVS/(m3·d)有機(jī)負(fù)荷下的穩(wěn)定運(yùn)行,達(dá)到較高的容積產(chǎn)氣率.

2.2 反應(yīng)器運(yùn)行情況分析

2.2.1 反應(yīng)器pH值變化情況 反應(yīng)器內(nèi)料液的pH值是重要的運(yùn)行參數(shù)之一,能夠直接反映厭氧消化過(guò)程的穩(wěn)定性.餐廚垃圾中主要是易降解的有機(jī)物,水解酸化速率快,容易酸敗,原料的pH值約為3~5.如圖4所示,在啟動(dòng)階段,由于出現(xiàn)VFAs的積累,出現(xiàn)明顯酸化現(xiàn)象,內(nèi)外環(huán)的pH值均出現(xiàn)顯著下降,內(nèi)環(huán)pH值最低達(dá)到6.7.而外環(huán)pH值在酸化階段最低達(dá)到7.25.在第2和第3階段,反應(yīng)器運(yùn)行平穩(wěn),pH值相對(duì)穩(wěn)定,內(nèi)環(huán)pH值穩(wěn)定在7.3,外環(huán)pH值穩(wěn)定在7.4~7.7之間.而在第4階段,當(dāng)由于有機(jī)負(fù)荷較高反應(yīng)器出現(xiàn)酸化時(shí),內(nèi)環(huán)pH值迅速降低,而外環(huán)pH值在內(nèi)環(huán)酸化后隨之降低,但仍在7.0以上,由此保證外環(huán)較少受到酸化導(dǎo)致pH值迅速降低的影響.由于內(nèi)外環(huán)的分相作用,內(nèi)環(huán)和外環(huán)的pH值有一定的差異.兩者相差了0.3~0.4.內(nèi)外環(huán)pH值的差別有利于不同種群的微生物分別在適宜的環(huán)境下生長(zhǎng)繁殖,特別是外環(huán)的產(chǎn)甲烷菌在VFAs積累時(shí),受到較小pH值下降的沖擊,避免了環(huán)境條件突變對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程的影響,保證了產(chǎn)甲烷過(guò)程的持續(xù)高效運(yùn)行.內(nèi)環(huán)產(chǎn)酸相的pH值相對(duì)于傳統(tǒng)兩相工藝產(chǎn)酸反應(yīng)器較高.一方面避免了低pH值對(duì)后續(xù)產(chǎn)甲烷相的影響,另一方面也有利于水解產(chǎn)酸反應(yīng)進(jìn)行,張波等[21]通過(guò)序批式試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在pH值為7的條件下,餐廚廢棄物有更高的水解率和酸化率,VFAs以丁酸和乙酸為主,丙酸很少,能夠?yàn)楹罄m(xù)產(chǎn)甲烷過(guò)程提供更有利的基質(zhì).

圖4 試驗(yàn)不同階段內(nèi)環(huán)與外環(huán)pH值變化曲線(xiàn)

2.2.2 反應(yīng)器VFAs濃度變化情況 揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)是水解酸化階段的產(chǎn)物,同時(shí)也是產(chǎn)甲烷階段的底物,因此是厭氧消化過(guò)程中最重要的中間代謝產(chǎn)物之一.VFAs濃度能夠有效反映出厭氧消化過(guò)程狀態(tài)的好壞.當(dāng)VFAs濃度保持在較低水平時(shí),說(shuō)明反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定;反之,說(shuō)明反應(yīng)器系統(tǒng)不穩(wěn)定,產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷過(guò)程不協(xié)調(diào),高濃度的VFAs還會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性,造成酸中毒[22].如圖5所示,在啟動(dòng)階段,28~36d,內(nèi)環(huán)VFAs濃度快速增加,最高達(dá)到13.5g/L,而外環(huán)VFAs濃度峰值相比內(nèi)環(huán)滯后2d,同時(shí)外環(huán)VFAs濃度峰值相比內(nèi)環(huán)降低了17%,為11.2g/L.在第2?第3階段,反應(yīng)器處于穩(wěn)定運(yùn)行階段,VFAs均保持在較低水平.其中第3階段,內(nèi)環(huán)VFAs平均濃度為2.5g/L,外環(huán)VFAs平均濃度為1.9g/L左右.分相作用使外環(huán)VFAs濃度相比內(nèi)環(huán)降低了25%,減輕了VFAs積累對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用.在第4階段,由于負(fù)荷提高,出現(xiàn)VFAs積累,內(nèi)環(huán)VFAs濃度再次快速增加,系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況,外環(huán)VFAs濃度也隨之升高.VFAs積累表明這一階段有機(jī)負(fù)荷較高,系統(tǒng)難以持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行.江志堅(jiān)[23]的研究中,通過(guò)兩相工藝共消化餐廚垃圾和果蔬垃圾,發(fā)現(xiàn)甲烷相在3kgVS/(m3·d)下VFAs含量較低,平均為2.5g/L,而當(dāng)負(fù)荷升高到4kgVS/(m3·d)時(shí),出現(xiàn)明顯的揮發(fā)酸積累,VFAs含量為6.7g/L,進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷相溫度運(yùn)行不穩(wěn)定.由此可以看出,由于本研究中,通過(guò)分相作用減少產(chǎn)甲烷相內(nèi)VFAs的積累是提高系統(tǒng)負(fù)荷與穩(wěn)定性的關(guān)鍵.

圖5 試驗(yàn)不同階段內(nèi)環(huán)與外環(huán)VFAs濃度變化曲線(xiàn)

2.2.3 反應(yīng)器sCOD濃度變化情況 sCOD主要表征了料液中的溶解性有機(jī)物的濃度,是水解酸化中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物,其中重要的組成成分即為VFAs,所以sCOD的變化趨勢(shì)與VFAs高度相似.如圖6所示,28~36d, sCOD迅速增加,最高達(dá)到90.0g/L,外環(huán)sCOD也隨之升高,最高達(dá)到52.9g/L,內(nèi)環(huán)與外環(huán)sCOD的濃度峰值天數(shù)相差10d左右.反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行階段,內(nèi)環(huán)sCOD平均濃度為13.0g/L,外環(huán)sCOD平均濃度為10.0g/L.分相作用使外環(huán)sCOD相比內(nèi)環(huán)降低了23%.第4階段出現(xiàn)VFAs積累,內(nèi)環(huán)sCOD濃度也迅速升高,系統(tǒng)難以持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行.

圖6 試驗(yàn)不同階段內(nèi)環(huán)與外環(huán)sCOD濃度變化曲線(xiàn)

2.2.4 反應(yīng)器堿度和氨氮濃度變化情況 堿度是厭氧消化穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)之一,堿度起到緩沖作用可以使系統(tǒng)維持適宜的pH值,從而避免厭氧反應(yīng)器的過(guò)酸化.如圖7所示,堿度的變化與VFAs的變化趨勢(shì)正好相反,當(dāng)出現(xiàn)VFAs積累時(shí),堿度快速降低,而當(dāng)VFAs維持在較低水平時(shí),堿度也基本穩(wěn)定,這一平衡結(jié)果也反映在pH值的相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果上.值得關(guān)注的是,在出現(xiàn)VFAs積累時(shí),內(nèi)環(huán)的堿度下降幅度較大,如在第一階段,堿度迅速降低了50%左右,而同時(shí),外環(huán)堿度的下降幅度只有20%左右.這一結(jié)果也佐證了反應(yīng)器很好地實(shí)現(xiàn)了兩相分離的作用,避免了外環(huán)產(chǎn)甲烷菌受到過(guò)酸化的影響.

餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中,氨氮的產(chǎn)生主要來(lái)自于蛋白質(zhì)?氨基酸及其他含氮有機(jī)物的降解.由于厭氧微生物的細(xì)胞增殖較少,故只有很少的氮素轉(zhuǎn)化為細(xì)胞,大部分可生物降解的有機(jī)氮都被還原為氨氮.由圖8所示,在整個(gè)反應(yīng)運(yùn)行期間,氨氮基本保持穩(wěn)定,內(nèi)環(huán)與外環(huán)的氨氮濃度也差別不大.這是說(shuō)明含氮有機(jī)物的降解在內(nèi)環(huán)已經(jīng)基本完成.通常,在低C/N比的有機(jī)固體廢棄物厭氧消化過(guò)程中容易出現(xiàn)氨氮積累和抑制的情況,如董蕾等[19]在研究中發(fā)現(xiàn),在餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中,系統(tǒng)內(nèi)氨氮濃度隨著餐廚垃圾的加入而逐漸升高,到反應(yīng)后期達(dá)到3.1g/L時(shí),產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制,VFAs大量積累.蔣建國(guó)等[24]在廚余垃圾厭氧消化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器運(yùn)行80d后氨氮濃度從最初420mg/L逐漸遞增到3000mg/L.在本研究中并未出現(xiàn)這種情況,這與進(jìn)料餐廚垃圾含水率較高有關(guān),進(jìn)料中的較高的水分含量對(duì)氨氮有稀釋作用,避免了氨氮快速積累.在整個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行階段,內(nèi)外環(huán)氨氮濃度在2.0g/L到2.5g/L,有機(jī)氮經(jīng)過(guò)分解后生成的氨氮并未出現(xiàn)大量的積累并未發(fā)現(xiàn)明顯的氨氮抑制作用.

圖7 試驗(yàn)不同階段內(nèi)環(huán)與外環(huán)堿度變化曲線(xiàn)

圖8 試驗(yàn)不同階段內(nèi)環(huán)與外環(huán)氨氮濃度變化曲線(xiàn)

2.2.5 反應(yīng)器VS去除率情況 VS去除率是表征物料降解完成程度的重要指標(biāo),能反映厭氧消化過(guò)程的運(yùn)行效率.由于物料先經(jīng)過(guò)內(nèi)環(huán)再進(jìn)入外環(huán),所以外環(huán)的VS去除率也是系統(tǒng)的總?cè)コ?如圖9所示,在第一和第二階段,反應(yīng)器運(yùn)行不夠穩(wěn)定,VS去除率波動(dòng)較大,第一階段,內(nèi)環(huán)和外環(huán)平均VS去除率分別為62.8%、62.2%;第二階段,內(nèi)環(huán)和外環(huán)平均VS去除率分別為72.4%、72.8%;第三階段VS去除率較為穩(wěn)定,內(nèi)環(huán)和外環(huán)平均VS去除率分別為75.9%、77.2%.可以看出,系統(tǒng)的VS去除率較高,穩(wěn)定運(yùn)行期達(dá)到了77.2%.比較內(nèi)環(huán)與外環(huán)的去除率,VS去除主要在內(nèi)環(huán)就已經(jīng)完成,內(nèi)環(huán)對(duì)于VS的去除貢獻(xiàn)占98%以上,表明固體物質(zhì)在內(nèi)環(huán)已經(jīng)基本完成了水解過(guò)程.內(nèi)外環(huán)的設(shè)計(jì)對(duì)于內(nèi)環(huán)和外環(huán)功能分區(qū)起到了明顯的作用.有研究表明分相可以提高VS的去除率.Wang等[25]利用固液兩相分離的厭氧反應(yīng)器(HASL)來(lái)處理餐廚垃圾,其中試規(guī)模半連續(xù)式試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)固液分離可以將產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分離,容積產(chǎn)氣率達(dá)到0.71m3/(m3·d), VS去除率在78%,停留時(shí)間為25d. De Gioannis等[26]對(duì)比單相和兩相厭氧反應(yīng)器處理餐廚垃圾的效果,發(fā)現(xiàn)兩相工藝可以提高VS去除率,由53.3%提高至66.7%.第四階段,有機(jī)負(fù)荷較高,系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,內(nèi)環(huán)和外環(huán)平均VS去除率分別為49.8%、71.5%.內(nèi)環(huán)的VS去除率明顯下降,但總體VS去除率仍較高.這表明,此時(shí)停留時(shí)間較短,不足以保證水解階段在內(nèi)環(huán)的順利完成,水解酸化階段在外環(huán)繼續(xù)進(jìn)行,導(dǎo)致VFAs的積累.

圖9 試驗(yàn)不同階段反應(yīng)器VS去除率

3 結(jié)論

3.1 本研究設(shè)計(jì)制造的雙環(huán)嵌套式兩相一體厭氧消化中試試驗(yàn)裝備適用于處理餐廚垃圾,具有產(chǎn)氣與有機(jī)固體去除效率高,系統(tǒng)穩(wěn)定性好的特點(diǎn),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

3.2 反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷為150kg/d,有機(jī)負(fù)荷達(dá)到3.0kgVS/(m3·d),停留時(shí)間22.7d.容積產(chǎn)氣率平均達(dá)到1.69m3/(m3·d),最高為3.51m3/(m3·d),平均負(fù)荷產(chǎn)氣率為0.57m3/(kgVS·d),有機(jī)固體去除率達(dá)77.2%.

3.3 雙環(huán)嵌套式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了同一反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷階段分離的作用,內(nèi)環(huán)主要起酸化作用,pH值較低,外環(huán)主要起產(chǎn)甲烷作用,pH值較高.內(nèi)環(huán)產(chǎn)酸相完成了水解和酸化步驟的同時(shí)減輕了外環(huán)產(chǎn)甲烷相受到酸積累的沖擊,對(duì)反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵作用.

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A pilot study on integrated two-stage anaerobic digestion of food waste in an innovative dual-cylinder reactor.

SHI Xu-chuan1, ZUO Jian-e1*, YAN Zhong2, GAN Hai-nan3, WANG Kai-jun1

(1.State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Beijing Zhongyuan Energy Co., Ltd, Beijing 100083, China；3.Shifang Environmental Protection & Bio-energy Co., Ltd, Jinan 250101, China)., 2018,38(9)：3447~3454

In this study, an innovative integrated two-stage (ITS) anaerobic bioreactor was designed and constructed in pilot scale. The integrated reactor used the dual-cylinder configuration to separate the acidogenic stage in inner cylinder with the methanogenic stage in outer cylinder. The reactor was operated for 184days treating food waste with elevated organic loading rates (OLR). The ITS reactor showed high efficiency and stability. In the stable operation phases, the organic load was 3.0kgVS/(m3·d), volumetric gas production rate reached an average of 1.69m3/(m3·d), and highest value is up to 2.72m3/(m3·d); the gas production rate was 0.57m3/(kgVS·d), and the organic solids removal rate was 77.2%. Due to phase separation effect, pH value of outer cylinder was about 0.3~0.4unit higher than that of inner cylinder, the average volatile fatty acids (VFAs) and soluble chemical oxygen demand (sCOD) concentration of outer cylinder was 25% and 23% lower than that of inner cylinder, respectively. The integrated two-stage (ITS) anaerobic reactor realized the separation of acidogenic and methanogenic phases in one reactor. The inner acidogenic phase performed the hydrolysis and acidogenic steps and reduces the impact of acid accumulation on the outer methanogenic phase, which played a key role in the stable operation of the reactor.

anaerobic digestion；food waste；integrated two-stage reactor；methanogensis

X705

A

1000-6923(2018)09-3447-08

史緒川(1991-),男,河南安陽(yáng)人,清華大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)椴蛷N垃圾厭氧消化.發(fā)表論文2篇.

2018-03-15

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014BAC27B01)

* 責(zé)任作者, 教授, jiane.zuo@tsinghua.edu.cn