餐廚垃圾厭氧消化處理的影響因素研究

劉 麗，劉 同

（山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司，濟(jì)南 250013）

隨著我國城市人口的增加和人民生活水平的提高，餐廚垃圾在城市垃圾中的占比不斷增大。由于各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展層次、文化、飲食習(xí)慣的不同，其產(chǎn)生的餐廚垃圾成分具有明顯的差異。因此，研究餐廚垃圾各成分對(duì)處理效率的影響與作用原理對(duì)于提高工藝處理效率具有十分重要的意義。餐廚垃圾與其他類型垃圾相比易發(fā)生腐爛，影響其存儲(chǔ)、運(yùn)輸。厭氧法與傳統(tǒng)的焚燒法、填埋法相比，更能充分利用餐廚垃圾中的有機(jī)質(zhì)，處理效率更高，產(chǎn)生的腐殖質(zhì)具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而序批式厭氧消化法作為典型的兩相厭氧處理工藝，由于其能量轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)高于單相處理工藝，在餐廚垃圾處理中得到廣泛應(yīng)用。

1 餐廚垃圾的組成與處理工藝

餐廚垃圾是人們?cè)谏钪行纬傻囊环N固體廢物，也是城市生活垃圾的重要組成部分。餐廚垃圾主要來源于城市周邊的食品加工企業(yè)、城市餐飲業(yè)以及學(xué)校、企業(yè)等的大型食堂等，其中含有大量的油脂、碳水化合物，呈黏稠狀，含水率在75%以上，夏季溫度較高時(shí)易腐爛，處理不及時(shí)會(huì)造成環(huán)境污染[1]。

不同條件下產(chǎn)生的餐廚垃圾的成分各不相同。其中主要成分為多糖類、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)與無機(jī)鹽等。據(jù)調(diào)查，我國城市餐廚垃圾的有機(jī)質(zhì)占固廢干重的60%～75%，其中碳水化合物含量最高，占總干重的40%～60%，蛋白質(zhì)含量占比為15%～20%，碳氮比為15～30，不飽和度較高。受飲食習(xí)慣的影響，我國早晨產(chǎn)生的餐廚垃圾中的脂肪含量遠(yuǎn)低于午餐與晚餐階段，Na+與Ca+的含量相較午餐和晚餐階段高50%以上。

不同時(shí)間段產(chǎn)生的餐廚垃圾經(jīng)過收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存后進(jìn)入預(yù)處理階段，進(jìn)行充分混合。為充分模擬處理流程，本試驗(yàn)將不同時(shí)間段采集的餐廚垃圾樣品按早、中、晚三個(gè)階段固廢的產(chǎn)生量比例進(jìn)行混合，混合樣品的檢測結(jié)果如表1所示。

表1 餐廚垃圾樣品組分

序批式厭氧消化工藝?yán)梦⑸锏姆纸庾饔?，將餐廚垃圾中的復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無污染的CO2、H2、H2O與CH4等。在分解過程中，起主要作用的水解菌、酸化細(xì)菌與產(chǎn)甲烷細(xì)菌在反應(yīng)室中構(gòu)成一個(gè)簡單的生態(tài)系統(tǒng)，產(chǎn)甲烷菌利用水解與酸化階段產(chǎn)生的物質(zhì)反應(yīng)生成甲烷，回收后可作為能源使用[2]。序批式厭氧消化工藝目前在大型城市垃圾處理中較為常用，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 序批式厭氧消化工藝流程

2 厭氧消化處理效率的影響因素

本研究通過對(duì)序批式厭氧消化工藝進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，分析鹽分、油脂與pH等因素對(duì)處理效率的影響。

2.1 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)過程中，選擇容積為10 L的廣口瓶模擬厭氧反應(yīng)器，有效反應(yīng)容積為8 L。樣品進(jìn)行預(yù)處理，混合調(diào)質(zhì)后，加入廣口瓶中，與從餐廚垃圾處理廠收集的經(jīng)過馴化制成的菌液進(jìn)行混合，在35 ℃的恒溫室中發(fā)酵，發(fā)酵前充入氮?dú)?，以保證厭氧的反應(yīng)環(huán)境。

2.2 處理效率的評(píng)價(jià)參數(shù)

在試驗(yàn)過程中，為了客觀地反映餐廚垃圾的厭氧處理效率，主要測定的參數(shù)為產(chǎn)氣量與揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）含量。試驗(yàn)過程中，利用排飽和食鹽水法收集反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，采用氣相色譜法分析其成分，計(jì)算反應(yīng)氣體中的甲烷含量。為了讓結(jié)果更具代表性，在進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)時(shí)，計(jì)算單位質(zhì)量物質(zhì)的產(chǎn)甲烷量，單位產(chǎn)氣量越高，說明此條件下的厭氧處理工藝的處理效率越高。

反應(yīng)器中的VFAs主要包括水解酸化階段產(chǎn)生的乙酸與丙酸等，VFAs一般在厭氧消化7～8 d后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的濃度，產(chǎn)酸效率能從側(cè)面反映系統(tǒng)處理效率，當(dāng)酸累積時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的pH快速降低，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，致使系統(tǒng)逐漸喪失處理能力[3]。

2.3 影響因素與試驗(yàn)結(jié)果

厭氧消化過程中，酸化階段會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，因此運(yùn)行過程中，溶液的pH會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。為了保證消化反應(yīng)的正常進(jìn)行，提高處理效率，必須合理控制反應(yīng)過程的pH。本試驗(yàn)利用NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)器中溶液的pH，試驗(yàn)所得單位產(chǎn)氣量記錄結(jié)果如圖2所示。

圖2 pH對(duì)產(chǎn)氣量的影響

由此可見，適宜反應(yīng)的pH為6.0～7.5，最佳反應(yīng)pH為6.7，接近中性，此時(shí)產(chǎn)甲烷菌較為活躍。最佳pH條件下，反應(yīng)器運(yùn)行30 d時(shí)，系統(tǒng)中VFAs中的含量最高，乙酸是產(chǎn)甲烷菌可直接利用的底物，高含量的乙酸為產(chǎn)甲烷菌發(fā)揮分解作用提供了有利條件[4]。

向調(diào)節(jié)后的樣品溶液中投加一定量的脂肪類物質(zhì)，改變樣品的油脂含量，試驗(yàn)所得單位產(chǎn)氣量記錄結(jié)果如圖3所示。

圖3 油脂含量對(duì)產(chǎn)氣量的影響

原樣品的油脂含量占濕重的3%，由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)外加20%油脂時(shí)，產(chǎn)氣量達(dá)到最大，計(jì)算可得，此時(shí)油脂含量占總濕重的3.5%，而過高的油脂含量會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣率下降，這主要是由于油脂類在有機(jī)質(zhì)中的占比影響了餐飲垃圾的總體碳氮比，碳氮比失衡影響系統(tǒng)的處理能力[5]。向調(diào)節(jié)后的樣品溶液中投加一定量的NaCl，改變樣品的鹽分濃度，試驗(yàn)所得單位產(chǎn)氣量記錄結(jié)果如圖4所示。

圖4 鹽分含量對(duì)產(chǎn)氣量的影響

由圖4可得，厭氧消化過程中，隨著NaCl濃度增加，產(chǎn)氣量逐漸減小。未投加NaCl的空白對(duì)照組單位產(chǎn)氣量明顯高于試驗(yàn)組。由此可見，餐廚垃圾中NaCl濃度與單位產(chǎn)氣量成反比，NaCl對(duì)于厭氧消化有抑制作用。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)組的VFAs含量高于空白組，說明小分子有機(jī)酸在反應(yīng)器中積累，可見反硝化細(xì)菌比水解菌與酸化細(xì)菌對(duì)鹽分更敏感，更容易受到消化液中鹽分濃度的影響，鹽分對(duì)其正常生命活動(dòng)產(chǎn)生了不利影響。

綜上可得，餐廚垃圾進(jìn)行序批式厭氧消化處理時(shí)，最適反應(yīng)pH為6.7，餐廚垃圾的油脂和鹽分含量均會(huì)對(duì)消化過程產(chǎn)生影響，當(dāng)油脂含量為3.5%時(shí)，產(chǎn)氣量最大，隨著油脂含量的增高，系統(tǒng)產(chǎn)氣量降低；餐廚垃圾中鹽分含量越高，抑制作用越明顯，系統(tǒng)產(chǎn)氣量越低。

3 結(jié)語

本文通過試驗(yàn)分析了餐廚垃圾的序批式厭氧消化工藝的影響因素，研究了pH、油脂和鹽分對(duì)處理效率的影響，得到了厭氧消化處理工藝的最佳反應(yīng)pH及油脂、鹽分含量，為提高序批式厭氧消化工藝的處理效率提供了數(shù)據(jù)與理論支持。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，高產(chǎn)氣量并不是判斷厭氧處理系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與經(jīng)濟(jì)性的唯一因素，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加全面的評(píng)價(jià)，合理地投加外源物質(zhì)來調(diào)節(jié)餐廚垃圾組成，充分發(fā)揮消化系統(tǒng)的處理能力。