餐廚垃圾高效厭氧消化穩(wěn)定產(chǎn)氣研究

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)每年產(chǎn)生的餐廚垃圾量超過(guò)6000 萬(wàn)噸。餐廚垃圾是餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱，包括餐館、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(diǎn)等的加工過(guò)程廢棄物和家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩余飯菜、瓜果皮等有機(jī)易腐垃圾。餐廚垃圾具有典型的“四高”特征——高含水量、高有機(jī)物含量、高油脂及高鹽分,而且易腐敗，在處理設(shè)備相對(duì)落后的條件下，處理效率和效果都不盡人意，極易影響城市環(huán)境衛(wèi)生。為妥善處理餐廚垃圾，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾無(wú)害化、減量化、資源化，國(guó)家從2011 年至2015 年間批復(fù)了五批共100 個(gè)餐廚垃圾循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)城市，試點(diǎn)項(xiàng)目超過(guò)160 個(gè)，試點(diǎn)項(xiàng)目中主要以厭氧消化作為主體處理工藝。在餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中，高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行并獲得高產(chǎn)沼氣是實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾無(wú)害化、減量化、資源化可行性的關(guān)鍵。但高有機(jī)負(fù)荷往往又容易引發(fā)厭氧消化系統(tǒng)酸化。本實(shí)驗(yàn)研究不同的攪拌頻率、有機(jī)負(fù)荷和投料方式對(duì)大型厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣率的影響，同時(shí)檢測(cè)不同條件下系統(tǒng)沼氣產(chǎn)氣率、pH、氨氮濃度、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度及堿度等指標(biāo)的變化，探索大型全混合厭氧消化系統(tǒng)（CSTR）穩(wěn)定運(yùn)行的合適條件，為大型的全混合厭氧消化系統(tǒng)高效穩(wěn)定化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

餐廚垃圾：由深圳市羅湖區(qū)大型的餐廳酒樓提供，經(jīng)過(guò)螺旋擠壓制漿、除雜和水力旋流除砂后調(diào)整含固率至（10±1）%泵送至酸化罐備用。

厭氧消化罐：試驗(yàn)用設(shè)備為容積3000m3的全混合式厭氧消化罐（CSTR），其中有效厭氧消化容積2200m3，高徑比1：1，SUS316 材質(zhì)。采用側(cè)壁盤管和基座盤管傳熱控溫，通過(guò)PT100溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度，發(fā)酵溫度37℃。設(shè)備采用側(cè)壁機(jī)械攪拌加外循環(huán)流體攪拌的間歇攪拌方式，總攪拌功率67kw。壓力控制自動(dòng)排氣，氣體通過(guò)流量計(jì)計(jì)量及脫硫干燥后引入發(fā)電機(jī)組資源化利用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

分別考察攪拌頻率、物料流加方式和單位體積有機(jī)負(fù)荷對(duì)厭氧系統(tǒng)產(chǎn)氣影響，并組合各最優(yōu)單一因素驗(yàn)證厭氧系統(tǒng)產(chǎn)氣潛力。具體操作如下：①攪拌頻率對(duì)厭氧系統(tǒng)產(chǎn)氣影響。維持厭氧系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷2.0kg TVS/(m3.d)，進(jìn)料頻率4 次/天，攪拌頻率分別為20、40、60、80、100 min/3h，各運(yùn)行7 天，期間檢測(cè)相應(yīng)指標(biāo)；②物料投加方式對(duì)厭氧系統(tǒng)產(chǎn)氣影響。維持厭氧系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷2.0kg TVS/(m3.d)，攪拌頻率40min/3h，考察連續(xù)投料間歇投料，其中間歇投料頻率分別為4、3、2、1次/天，各運(yùn)行7 天，期間檢測(cè)相應(yīng)指標(biāo)；③單位體積有機(jī)負(fù)荷對(duì)厭氧系統(tǒng)產(chǎn)氣影響。設(shè)定攪拌頻率40min/3h，進(jìn)料頻率4 次/天，以0.2kg TVS/(m3.d)梯度遞增的方式往穩(wěn)定運(yùn)行的單位體積有機(jī)負(fù)荷為2.0kg TVS/(m3.d)的CSTR罐內(nèi)逐步增加投料量，每個(gè)濃度梯度運(yùn)行7 天，直至系統(tǒng)單位體積有機(jī)負(fù)荷提升至3.0kg TVS/(m3.d)，檢測(cè)消化液pH、堿度、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、沼氣產(chǎn)率的變化。

1.2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

按單因素實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)指標(biāo)設(shè)定攪拌頻率和投料方式，以0.1kg TVS/(m3.d)梯度變化調(diào)整至最優(yōu)濃度梯度后，維持30天，檢測(cè)維持期系統(tǒng)的產(chǎn)氣率、甲烷體積比例、消化液pH、堿度、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度，計(jì)算各指標(biāo)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，驗(yàn)證系統(tǒng)產(chǎn)氣潛力及穩(wěn)定性。

1.2.3 產(chǎn)氣率的測(cè)定

用標(biāo)定的渦輪氣體流量計(jì)直接讀取每天氣量，通過(guò)產(chǎn)氣量與設(shè)備有效消化容積比計(jì)算設(shè)備的單位體積產(chǎn)氣率，即每立方米罐容每天產(chǎn)氣的氣體量。

1.2.4 甲烷含量的測(cè)定

利用甲烷檢測(cè)儀在線檢測(cè)氣體中的甲烷體積比例，每天5次，取平均值。

1.2.5 其他指標(biāo)的測(cè)定

pH，參照國(guó)標(biāo)GB/T 6920-1986《水質(zhì) PH 值的測(cè)定 玻璃電極法》測(cè)定；堿度，參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）測(cè)定；氨氮，參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ535-2009《水質(zhì)氨氮的測(cè)定》測(cè)定；揮發(fā)性脂肪酸（VFA），參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/YZJ10-03-02-2000《揮發(fā)性脂肪酸的測(cè)定（四）》測(cè)定；水分，參照農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T52-1987《土壤水分測(cè)定法》測(cè)定；灰分，參照GB/T5009.4-2016《食品中灰分的測(cè)定》測(cè)定；粗蛋白，參照國(guó)標(biāo)GB/T11891-1989《水質(zhì) 凱氏氮的測(cè)定》測(cè)定；總糖，參照國(guó)標(biāo)GB/T5009.7-2016《食品中還原糖的測(cè)定》測(cè)定；脂肪，參照國(guó)標(biāo)GB/T5009.6-2016《食品中脂肪的測(cè)定》測(cè)定；總有機(jī)碳，參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ501-2009《水質(zhì) 總有機(jī)碳的測(cè)定》測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 餐廚垃圾基本性質(zhì)

餐廚垃圾基本性質(zhì)如下表1，具有高水分（80%以上）、高有機(jī)物、高油脂的特點(diǎn)。高有機(jī)質(zhì)增加物料的稠度，不利于厭氧消化的進(jìn)行。高油脂容易對(duì)厭氧微生物形成包裹，影響微生物對(duì)基質(zhì)的利用，而且容易在液面形成致密層，影響氣體的溢出，導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)運(yùn)行異常。

表1 餐廚垃圾理化指標(biāo)

2.2 不同操作條件下系統(tǒng)的產(chǎn)氣率變化

分別試驗(yàn)攪拌頻率、投料方式和有機(jī)負(fù)荷變化過(guò)程中，系統(tǒng)產(chǎn)氣率變化，結(jié)果如圖1 所示。①攪拌頻率對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)氣影響。在厭氧系統(tǒng)內(nèi)，攪拌能增強(qiáng)系統(tǒng)紊亂度，強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)并加快沼氣排出，從而影響系統(tǒng)產(chǎn)氣效率。由圖分析，攪拌頻率提升，系統(tǒng)產(chǎn)氣率也提升，60min/3h 攪拌頻率可獲得2.02m3/（m3.d）產(chǎn)氣效率，進(jìn)一步提高攪拌頻率，系統(tǒng)產(chǎn)氣效率保持穩(wěn)定。②投料方式對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)氣影響。均勻的投料方式有利于系統(tǒng)負(fù)荷穩(wěn)定，降低負(fù)荷沖擊。由圖分析，投料次數(shù)越多，系統(tǒng)產(chǎn)氣效率越高，采用連續(xù)投料，系統(tǒng)產(chǎn)氣率可達(dá)1.92～2.00m3/（m3.d）。③單位有機(jī)負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)氣率影響。由圖分析，厭氧消化系統(tǒng)的體積產(chǎn)氣效率隨著系統(tǒng)的單位體積有機(jī)負(fù)荷變化而變化，有機(jī)負(fù)荷從2.2kg TVS/（m3.d）提升至2.8kg TVS/（m3.d）時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)氣效率從2.06m3/（m3.d）提升至2.66m3/（m3.d）。進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷進(jìn)一步提升，系統(tǒng)產(chǎn)氣效率和甲烷含量開(kāi)始逐漸快速下降，至3.0kg TVS/（m3.d）時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)氣效率降至2.32m3/（m3.d）。

圖1 不同操作條件下厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣率的變化

2.2 系統(tǒng)pH變化

在厭氧消化系統(tǒng)中，pH 的下降主要是產(chǎn)酸微生物活躍的影響。圖2 是不同操作條件下，厭氧消化系統(tǒng)pH 變化情況。

圖2 不同操作條件下厭氧消化系統(tǒng)pH 的變化

由圖可知，厭氧消化系統(tǒng)pH 隨系統(tǒng)的系統(tǒng)操作條件變化而變化。提高攪拌頻率，pH 相應(yīng)升高，至60min/3h 時(shí)，pH 基本穩(wěn)定7.9，不再隨攪拌頻率升高而變化。投料頻率降低，pH降低，系統(tǒng)從連續(xù)進(jìn)料降至1 次/天進(jìn)料，pH 從7.7 降至7.5。有機(jī)負(fù)荷對(duì)pH 的影響顯著，從2.2 kg TVS/（m3.d）緩慢提升至2.8kg TVS/（m3.d）過(guò)程中，系統(tǒng)pH 維持在7.8～7.9之間，當(dāng)進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷繼續(xù)提至3.0 kg TVS/（m3.d）時(shí)，pH開(kāi)始下降，維持期內(nèi)逐步降至7.6。

2.3 揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度變化

圖3 是不同操作條件下，系統(tǒng)揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）濃度變化情況。

圖3 不同操作條件下厭氧消化系統(tǒng)揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度的變化

揮發(fā)性脂肪酸是產(chǎn)甲烷微生物的底物，但過(guò)高的濃度會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌形成抑制。由圖知，低攪拌頻率有利于VFA 的積累，提高攪拌頻率強(qiáng)化傳質(zhì)，能使VFA 快速被產(chǎn)甲烷菌利用，當(dāng)攪拌頻率提升至60min/3h 時(shí)，VFA 濃度穩(wěn)定在5800mg/L左右，不再隨攪拌頻率提升而產(chǎn)生大的變化。投料頻率降低，VFA 積累明顯，從連續(xù)投料降至1 次/天投料，VFA 濃度從4600mg/L左右升至6700mg/L左右。有機(jī)負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)內(nèi)VFA變化影響最為顯著，在2.2～2.8kg TVS/（m3.d）范圍內(nèi)，VFA 濃度維持5400～6800mg/L，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷升至3.0TVS/（m3.d），VFA 濃度快速突破8000mg/L，系統(tǒng)產(chǎn)酸活躍。

2.4 氨氮濃度變化

圖4 是不同操作條件下，厭氧消化系統(tǒng)氨氮濃度變化情況。

圖4 不同操作條件下厭氧消化系統(tǒng)氨氮濃度變化

氨氮濃度是反映厭氧過(guò)程的重要指標(biāo)，氨氮濃度的快速下降反映產(chǎn)酸過(guò)程活躍。由圖知，氨氮濃度隨攪拌頻率升高而升高，并在60min/3h 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，維持在2500mg/L 左右，在20min/3h 時(shí)，氨氮濃度維持在2100mg/L 左右，系統(tǒng)處于產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷弱平衡狀態(tài)。投料頻率降低，氨氮濃度降低，從連續(xù)投料降至1 次/天投料，氨氮濃度從2400mg/L 左右降至2000mg/L 左右，甲烷化過(guò)程弱。有機(jī)負(fù)荷顯著影響系統(tǒng)氨氮濃度，在2.2～2.8 kg TVS/（m3.d）負(fù)荷范圍內(nèi)，氨氮濃度維持2400～2550mg/L 之間，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷升至3.0TVS/（m3.d），氨氮濃度快速下降至2000mg/L 左右，產(chǎn)酸過(guò)程活躍。

2.5 堿度變化

圖5 是不同操作條件下，厭氧消化系統(tǒng)堿度變化情況。

圖5 不同操作條件下厭氧消化系統(tǒng)堿度變化

堿度是反應(yīng)厭氧消化系統(tǒng)緩沖能力的重要指標(biāo)，堿度的快速下降表明系統(tǒng)緩沖能加降低，產(chǎn)酸過(guò)程活躍。由圖知，堿度隨攪拌頻率升高而升高，在60min/3h 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，維持在8000mg/L，在20min/3h 時(shí)，堿度維持在5000mg/L 左右，緩沖能力低。投料頻率降低，堿度下降，從連續(xù)投料降至1次/天投料，堿度從9000mg/L 左右升至5000mg/L 左右，緩沖能加降低。有機(jī)負(fù)荷對(duì)堿度變化影響顯著，在2.2～2.8kg TVS/（m3.d）范圍內(nèi)，堿度維持10000～12000mg/L 之間，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷升至3.0TVS/（m3.d），堿度快速下降并在維持時(shí)間內(nèi)降至5000mg/L 左右。

2.6 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)上述指標(biāo)判斷，選擇60min/3h、連續(xù)投料、2.8kg TVS/（m3.d）作為最優(yōu)操作條件，維持30 天，檢測(cè)期間各指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如下表3。

表3 各指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

由表3 分析，系統(tǒng)pH、VFA、氨氮和堿度各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定，產(chǎn)氣率維持高位，甲烷體積含量維持高位。

3 結(jié)論

維持?jǐn)嚢桀l率60min/3h、單位體積負(fù)荷2.8kg TVS/（m3.d），連續(xù)投料，發(fā)酵容積2200m3的側(cè)壁機(jī)械攪拌式加流體攪拌式大型CSTR厭氧消化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)餐廚垃圾單一物料穩(wěn)定化運(yùn)行，并獲得較高的沼氣產(chǎn)率和甲烷產(chǎn)率，沼氣產(chǎn)率達(dá)到（2.69±0.03）m3/（m3.d），甲烷體積比率達(dá)到（65.2±1.3）%。

攪拌通過(guò)影響系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)及強(qiáng)化排出氣體而影響厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行，攪拌頻率過(guò)低，系統(tǒng)產(chǎn)酸加快，系統(tǒng)產(chǎn)氣率低。提高攪拌頻率至60min/3h，可抑制產(chǎn)酸，提高產(chǎn)氣率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

每天一次投料頻率有機(jī)負(fù)荷沖擊大，系統(tǒng)產(chǎn)酸快，產(chǎn)氣率低。增加投料頻次可以有效降低沖擊負(fù)荷，提高產(chǎn)氣率。工程上應(yīng)盡可能采用多次投料或連續(xù)投料。

體積負(fù)荷顯著影響CSTR 厭氧消化體系穩(wěn)定性，當(dāng)單位體積負(fù)荷維持在不超過(guò)2.8kg TVS/（m3.d）水平時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。超過(guò)3.0kg TVS/（m3.d）時(shí)，體系產(chǎn)酸加快，甲烷化過(guò)程減弱。