餐廚垃圾固相物料與廚余垃圾混合中溫厭氧消化工程中試研究

王冰潔， 王金輝， 黃怡然， 涂凌波， 黃安娜， 朱建林

(1.寧波大學(xué) 建筑工程與環(huán)境學(xué)院， 浙江 寧波 315211； 2.寧波開誠生態(tài)技術(shù)有限公司， 浙江 寧波 315176)

餐廚垃圾俗稱泔腳，主要來自于飯店、食堂等的剩菜剩飯，其特點(diǎn)是油脂、有機(jī)物、水分含量高，易酸化腐爛。采用厭氧方法對餐廚垃圾進(jìn)行工業(yè)化處理過程中，需要對物料進(jìn)行分揀、除砂、破碎、制漿、高溫(80℃)蒸汽提油以及油-水-固三相分離等預(yù)處理[1-3]，用以保證厭氧過程的穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)工業(yè)油脂回收。三相分離過程產(chǎn)生的液相物料總固體濃度(TS)<4%，通常進(jìn)入濕式全混系統(tǒng)(CSTR)進(jìn)行厭氧處理[4]；固相物料TS>25%，適合于采用干式厭氧進(jìn)行處理。但我們的前期研究表明，經(jīng)工業(yè)化精細(xì)預(yù)處理過程后，餐廚垃圾固相物料已處于或基本完成水解酸化過程，其pH值4.0～4.5，C/N<11，而揮發(fā)性固體(VS)/TS已高達(dá)83%～89%，揮發(fā)性脂肪酸(VFA)高達(dá)6000 mg·L-1，且粒度小、粘度大、不透水、傳質(zhì)效果較差。因其pH值很低而VS和VFA很高，容易導(dǎo)致VFA累積而引起厭氧系統(tǒng)酸化；蒸汽提油過程導(dǎo)致物料中易溶性化學(xué)需氧量(COD)已大部分進(jìn)入液相中，而固相物料的C/N很低，容易導(dǎo)致氨氮過高而抑制產(chǎn)甲烷過程[5]，使得VS產(chǎn)氣率及產(chǎn)氣中甲烷含量較低。

相對餐廚垃圾固相物料而言，廚余垃圾因未經(jīng)烹飪而油脂含量較低，因此其預(yù)處理通常無高溫蒸汽提油及三相分離等工序；物料具有較高的C/N和TS，較低的pH值和VFA，其均質(zhì)性差，水解酸化較慢[6-7]。將餐廚垃圾固相物料與廚余垃圾進(jìn)行混合厭氧消化，有可能增強(qiáng)厭氧系統(tǒng)抗酸化能力、提高產(chǎn)氣性能及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[6,8,9]。但餐廚垃圾固相物料與廚余垃圾進(jìn)行混合干式厭氧在國內(nèi)還幾乎沒有工程應(yīng)用實(shí)例，因此有必要通過工程中試研究此類混合物料在厭氧消化過程中的特征。

本文進(jìn)行了餐廚垃圾固相物料與廚余垃圾的混合物料的厭氧共消化工程中試研究，其主要目的是試圖緩解單一餐廚垃圾固相物料干式厭氧消化工程中試中出現(xiàn)的C/N低、VFA易積累及系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。試驗(yàn)在單一餐廚垃圾固相物料厭氧消化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，研究了混合物料有機(jī)負(fù)荷(OLR)變化對系統(tǒng)產(chǎn)沼氣能力、處理效果和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，以期為餐廚垃圾固相物料與廚余垃圾混合厭氧消化的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

餐廚垃圾固相物料(S1)來自寧波開誠生態(tài)技術(shù)有限公司餐廚垃圾處理生產(chǎn)線(250 t·d-1)，經(jīng)濾水、人工分揀、除砂、破碎、制漿、高溫提油、三相分離等工序處理產(chǎn)生；廚余垃圾(S2)來自于該公司廚余垃圾處理中試生產(chǎn)線(100 t·d-1)，經(jīng)濾水、人工分揀、破碎等預(yù)處理工藝所得；接種污泥取自該公司2500 m3CSTR中溫厭氧發(fā)酵罐中的厭氧污泥。餐廚垃圾、廚余垃圾和接種污泥性質(zhì)見表1。

表1 餐廚垃圾固相物料、廚余垃圾、接種污泥性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)制造的全混式反應(yīng)器。其有效容積為4 m3，罐體由兩層鋼板卷制焊接而成，內(nèi)設(shè)攪拌裝置，周身纏有加熱帶并覆蓋保溫材料以維持中溫條件，配置密閉性好的絞龍裝置以滿足進(jìn)出料要求。罐體及相關(guān)設(shè)備固定于鋼架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)平臺(見圖1)。

1.進(jìn)料絞龍; 2.液位計(jì); 3.攪拌裝置; 4.觀察孔; 5.壓力表; 6.出氣管; 7.氣體流量計(jì); 8.溫度表; 9.取樣管; 10.出料絞龍圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分兩階段進(jìn)行。第1階段進(jìn)料為S1。試驗(yàn)以濕法啟動，溫度設(shè)定為35℃。采用半連續(xù)式進(jìn)料，即每天定時(shí)定量分批進(jìn)料，每批進(jìn)料量控制在20～30 kg。

試驗(yàn)開始時(shí)數(shù)天不出料，待罐內(nèi)液位達(dá)到規(guī)定液位時(shí)每天出料，出料量以維持罐內(nèi)液位恒定為原則。通過分階段增加進(jìn)料量，使OLR由24 kg·d-1逐步提高至80 kg·d-1，此階段容積產(chǎn)氣量逐步提升并達(dá)到最大值，繼續(xù)增加OLR，容積產(chǎn)氣量呈下降趨勢，直至OLR增至115 kg·d-1時(shí)，pH值連續(xù)下降、產(chǎn)氣效果顯著降低，甲烷含量降至38.4%，停止進(jìn)料。

停止進(jìn)料后若干天，待其產(chǎn)氣能力和產(chǎn)甲烷能力恢復(fù)后啟動第2階段的共消化試驗(yàn)，其進(jìn)料為S1與S2的混合物料S3。由于S2包含大量雜質(zhì)，均勻性差，VS和COD的測量誤差大，故OLR進(jìn)料以質(zhì)量為單位表示?？紤]S2雜質(zhì)較多易堵塞試驗(yàn)裝置出料口，因此控制混合物料S3中S1和S2的質(zhì)量比為2∶1。第1階段研究結(jié)果表明，進(jìn)料量80 kg·d-1為最佳OLR。因此，本階段試驗(yàn)啟動時(shí)S3的OLR控制在80 kg·d-1。為便于與S1試驗(yàn)各相應(yīng)OLR進(jìn)行對比研究，隨后的OLR增加至100 kg·d-1和120 kg·d-1。

1.4 分析方法

氨氮以納氏試劑分光光度法測定；VFA以蒸餾滴定法測定；COD用COD快速測定儀(連華科技5B-3A型)測定；pH值用智能型酸度計(jì)(虹益PHS-3C)測定；TS和VS以烘干稱重法測定[10]；沼氣體積通過排水法確定[11]；甲烷含量用沼氣分析儀(Geotech GA2000plus)測定;堿度以酸堿指示劑法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同原料沼氣產(chǎn)率比較分析

進(jìn)料為S1時(shí)的容積產(chǎn)氣率及氣體甲烷含量變化如圖2所示。OLR=80 kg·d-1(HRT=50 d)時(shí)，容積產(chǎn)氣率趨于穩(wěn)定并維持于1.95～2.10 m3·m-3d-1，其均值為2.02 m3·m-3d-1；氣體甲烷含量約為61.1%。增加OLR至100 kg·d-1，由于OLR過大，VFA快速積累，底物抑制明顯，容積產(chǎn)氣率下降至1.92 m3·m-3d-1，氣體甲烷含量降低至55%。當(dāng)OLR=115 kg·d-1時(shí)，雖然容積產(chǎn)氣率回升至2.02 m3·m-3d-1，但甲烷含量降至38.4%，顯示系統(tǒng)面臨崩潰危險(xiǎn)。從容積產(chǎn)氣率、氣體甲烷含量等方面綜合考慮，OLR=80 kg·d-1(HRT=50 d)為最佳運(yùn)行工況。

進(jìn)料為S3時(shí)的容積產(chǎn)氣率及氣體甲烷含量變化如圖3所示。當(dāng)OLR由80 kg·d-1提升至100 kg·d-1時(shí)，平均容積產(chǎn)氣率由2.11 m3·m-3d-1升高至2.13 m3·m-3d-1，甲烷含量亦由61.9%升高至63.0%。增加OLR到120 kg·d-1約10 d內(nèi)，容積產(chǎn)氣率出現(xiàn)明顯下降，但經(jīng)約1周時(shí)間的調(diào)整期后，平均容積產(chǎn)氣率逐步回升，其平均值升至2.3 m3·m-3d-1，甲烷含量達(dá)到63.8%，且仍有上升趨勢。說明系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)甲烷微生物能夠適應(yīng)OLR的增加，產(chǎn)甲烷活性逐漸增強(qiáng)。這可能是由于S2分解速率較S1慢且本身VFA較低，不易引起VFA的積累，與S1混合后降低了VFA快速積累的風(fēng)險(xiǎn)，因此當(dāng)OLR達(dá)到120 kg·d-1時(shí)仍具有良好的產(chǎn)氣性能。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，向系統(tǒng)中單獨(dú)投加S2，OLR為120 kg·d-1，連續(xù)運(yùn)行7天。此時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)氣能力顯著下降，容積產(chǎn)氣率僅為0.75 m3·m-3d-1，甲烷含量僅有21.2%。主要原因可能是S2雜質(zhì)含量高，有機(jī)物含量少，水解酸化速度慢，導(dǎo)致產(chǎn)氣效率低。

S1，S2，S3這3種物料產(chǎn)氣情況對比如表2所示。日進(jìn)料量相同情況下，S3較S1具有更高的容積產(chǎn)氣率和氣體甲烷含量，S1的容積產(chǎn)氣率及甲烷含量均高于S2，而S3各項(xiàng)指標(biāo)又明顯優(yōu)于S1。當(dāng)OLR為120 kg·d-1時(shí)，S3的容積產(chǎn)氣率和氣體甲烷含量等指標(biāo)仍維持較高水平，其平均值分別為2.3 m3·m-3d-1，63.8%，OLR仍可繼續(xù)提高；而單一物料S1單獨(dú)厭氧消化時(shí)，在OLR超過80 kg·d-1后，氣體甲烷含量即出現(xiàn)下降。從日處理量及氣體甲烷含量考慮，混合物料S3比單一物料S1的厭氧消化性能明顯具有較大優(yōu)勢。

圖2 單一餐廚垃圾固相物料S1容積產(chǎn)氣率和氣體甲烷含量的變化

圖3 混合物料S3容積產(chǎn)氣率和氣體甲烷含量的變化

項(xiàng) 目 S1 S2 S3 日進(jìn)料量8010011512080100120平均容積產(chǎn)氣率/(m3·m-3d-1)2.041.922.020.752.112.132.3平均氣體甲烷含量/%61.155.038.421.261.963.063.8

2.2 不同原料有機(jī)物去除及pH值比較分析

以S1為進(jìn)料時(shí)，OLR由80 kg·d-1增加到115 kg·d-1的試驗(yàn)過程共持續(xù)71天，加入S1物料的TS總量為1736.1 kg，根據(jù)每日出料TS的實(shí)測濃度及出料量計(jì)算，出料中的TS總量為105.28 kg，由此計(jì)算出試驗(yàn)消化的TS總量為1593.3 kg，TS去除率達(dá)91.77%。而以S3為進(jìn)料時(shí)，OLR從80 kg·d-1增加到120 kg·d-1的試驗(yàn)過程共持續(xù)84天，加入固相物料的TS總量為2241 kg，出料中的TS總量為216.71 kg，由此計(jì)算出試驗(yàn)消化的TS總量為2024.3 kg，TS去除率達(dá)90.33%。如圖4和圖5所示，試驗(yàn)過程中TS增長緩慢，進(jìn)料為S1時(shí)TS僅由3.47%上升至結(jié)束時(shí)的5.43%，而進(jìn)料為S3時(shí)TS由5.12%提升至7.97%。兩者增長速率大致相同。說明系統(tǒng)對此類物料的TS有較好的去除效果。

出料COD如圖4和圖5所示。S1出料COD從35.285 g·L-1增加到了46.78 g·L-1，而S3試驗(yàn)過程中出料COD由試驗(yàn)開始時(shí)的41.96 g·L-1增加至最高的114.38 g·L-1。單一物料S1與混合物料S3的出料COD整體上均呈增加趨勢，但混合物料S3增加幅度明顯高于單一物料S1，且很不穩(wěn)定，其主要原因是廚余垃圾均質(zhì)性差且包含大量不易分解的雜質(zhì)。

試驗(yàn)過程的pH值變化如圖4和圖5所示。pH值是厭氧消化反應(yīng)的一個(gè)重要因素[12]，通常認(rèn)為產(chǎn)甲烷階段pH值應(yīng)穩(wěn)定在7.2～8.2之間[13]。圖4和圖5顯示，試驗(yàn)過程中pH值基本維持在7.5以上，未出現(xiàn)明顯波動。說明系統(tǒng)的抗酸化緩沖能力較好。

圖4 單一物料出料COD，TS及pH值的變化

3 結(jié)論

(1)餐廚垃圾固相物料S1厭氧消化最佳運(yùn)行工況為OLR=80 kg·d-1，停留時(shí)間HRT=50 d；平均容積產(chǎn)氣率約為2.02 m3·m-3d-1，氣體甲烷含量約為61.1%。若繼續(xù)增大OLR,沼氣產(chǎn)率和甲烷含量持續(xù)下降；特別是當(dāng)OLR增至115 kg·d-1時(shí)，甲烷含量降至38.4%,面臨崩潰風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 混合物料出料COD，TS及pH值的變化

(2)由餐廚垃圾固相物料S1與廚余垃圾S2以質(zhì)量比為2∶1組成混合物料S3進(jìn)行共消化時(shí)，容積產(chǎn)氣率和氣體甲烷含量均高于同等OLR條件下S1的相應(yīng)結(jié)果。當(dāng)OLR=120 kg·d-1，穩(wěn)定時(shí)的平均容積產(chǎn)氣率為2.30 m3·m-3d-1，平均氣體甲烷含量為63.8%。

(3)當(dāng)OLR=120 kg·d-1左右時(shí)，S1，S2，S3的平均容積產(chǎn)氣率分別為2.02，0.75，2.3 m3·m-3d-1，平均氣體甲烷含量分別為38.4%，21.2%，63.8%。說明進(jìn)料量相同或相近時(shí)等，S3效果最好，S2效果最差。

(4)餐廚垃圾固相物料與廚余垃圾混合厭氧消化處理能夠提高對餐廚垃圾固相物料的處理能力，改善其厭氧消化性能，但兩種物料最佳混合比例有待進(jìn)一步研究。