家庭廚余垃圾分布式就地厭氧消化工藝及效果研究*

宇鵬 黃飛婷 楊小霞 顧運(yùn)瓊

(1.廣西自然資源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南寧 530015; 2.南寧師范大學(xué) 南寧 530001)

0 引言

我國(guó)廚余垃圾年產(chǎn)生量約1.95億t[1]，專門的廚余垃圾處理設(shè)施的處理能力不到其產(chǎn)生量的10%。廚余垃圾處理技術(shù)主要是厭氧消化、好氧堆肥和飼料化。廚余垃圾含有多種動(dòng)物成分，由其制成的飼料會(huì)造成同源性污染，可能引發(fā)非洲豬瘟等問題。廚余垃圾是高有機(jī)物含量的易生物降解廢物[2]，適合用生物處理[3]。廚余垃圾的含水率高達(dá)70%～80%，好氧堆肥時(shí)需要添加鋸末等調(diào)理劑或加熱蒸發(fā)水分，不適于直接好氧堆肥。厭氧消化以生物氣的形式從廢物中回收能量,消化殘?jiān)捎米饔袡C(jī)肥實(shí)現(xiàn)氮和磷等養(yǎng)分的循環(huán)利用,運(yùn)行能耗低，被認(rèn)為是成本最低效益最高的處理方式[4]。收運(yùn)至大型厭氧消化處理廠的集中處理模式的缺點(diǎn)是：收運(yùn)成本高達(dá)400～500元/t；收運(yùn)中存在傳播病毒的風(fēng)險(xiǎn)。目前收集和處理的主要是餐館、食堂的廚余垃圾，因這類廚余垃圾成規(guī)模產(chǎn)生且較易收運(yùn)(一般位于一樓)[5]，而收運(yùn)、處理家庭廚余垃圾的設(shè)施非常缺乏。根據(jù)家庭廚余垃圾的特性，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單易操作的廚余垃圾分布式就地厭氧消化工藝，并用研制的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，從VS去除率、產(chǎn)氣效果、穩(wěn)定性、沼氣凈化效果來檢驗(yàn)該工藝及設(shè)備的可行性和效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

廚余垃圾來自南寧市某居住小區(qū)75個(gè)實(shí)行垃圾分類的家庭。分類后的廚余垃圾不含紙巾、筷子、一次性餐具、玻璃瓶、塑料瓶、塑料袋等雜物。接種污泥取自南寧市瑯東生活污水處理廠厭氧消化池。廚余垃圾和接種污泥的基本性質(zhì)見表1。該廚余垃圾的特性是：呈弱酸性；高有機(jī)物含量(VS/TS≥90%)，易生物降解(SCOD高達(dá)84 000 mg/L)；富含N、P；C含量偏低，C/N低于適宜于厭氧消化的20～30[6]；有機(jī)物以碳水化合物為主、易水解。

表1 廚余垃圾和接種污泥的基本性質(zhì)

1.2 工藝流程及設(shè)備

圖1為設(shè)計(jì)的分布式就地厭氧消化工藝流程：“儲(chǔ)存+破碎+半連續(xù)厭氧消化+沼氣凈化”。研制出的槳葉立式半連續(xù)厭氧消化反應(yīng)器的專利號(hào)為ZL 2018 2 1945844.3、ZL 2018 3 0686631.2。儲(chǔ)罐直徑0.32 m、高0.45 m，有效容積0.036 m3，能儲(chǔ)存1 d的廚余垃圾量。每天的廚余垃圾全部進(jìn)入儲(chǔ)罐后，開啟粉碎機(jī)，打開儲(chǔ)罐底部的卸料閥，廚余垃圾進(jìn)入粉碎機(jī)粉碎至漿狀后，直接進(jìn)入?yún)捬跸磻?yīng)器。厭氧消化反應(yīng)器直徑0.60 m、高2.0 m，有效容積0.565 m3，廚余垃圾在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間為12 d。沼氣經(jīng)凈化裝置去除水分、H2S等后進(jìn)入氣袋儲(chǔ)存，經(jīng)過阻火器進(jìn)入居民廚房作為燃?xì)?。沼渣就近作為園林綠化的肥料。

圖1 廚余垃圾分布式就地厭氧消化工藝流程

經(jīng)過接種污泥的馴化階段和12 d的啟動(dòng)階段后，開始3個(gè)月的半連續(xù)運(yùn)行階段：每天厭氧反應(yīng)器先出料，出料的體積等于每天收集的新鮮廚余垃圾的體積，然后將粉碎后的新鮮廚余垃圾加入反應(yīng)器。

1.3 分析方法

VS含量用重量法測(cè)定；產(chǎn)氣量用濕式氣體流量計(jì)測(cè)定；甲烷含量和H2S濃度用BM 5K便攜式氣體分析儀(英國(guó)GEOTECH公司)測(cè)定；pH值用PB-10型酸度計(jì)測(cè)定；堿度用電位滴定法測(cè)定；VFAs、乙酸、丙酸、丁酸用安捷倫GC7890A氣相色譜儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧消化效果

2.1.1 VS去除率

如圖2，VS去除率在最初的10 d從46%升至50%；在隨后的30 d升至60%；第41～80 d在60%左右小幅波動(dòng)，可能是氣溫波動(dòng)導(dǎo)致的；第81 d開始趨于穩(wěn)定，略高于60%；VS最大去除率達(dá)60.7%，略低于WANG N等[7]的62.7%的VS去除率，其廚余垃圾在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間為30 d。付勝濤等[8]對(duì)廚余垃圾分別進(jìn)行了15 d和20 d的厭氧消化，VS去除率分別為72.1%和74.8%?？梢?，較長(zhǎng)的厭氧消化時(shí)間能提高VS去除率。若考慮反應(yīng)器的使用效率，本研究的VS去除速率分別是WANG N等和付勝濤等的2倍和4.5倍。

圖2 進(jìn)料量、VS量及VS含量、VS去除率隨時(shí)間的變化

2.1.2 產(chǎn)氣效果

如圖3，產(chǎn)氣量和甲烷產(chǎn)量經(jīng)歷了3個(gè)階段的變化：最初10 d快速增加，產(chǎn)氣量從0.738 m3/d增加到2.06 m3/d，甲烷產(chǎn)量從0.389 m3/d增加到1.135 m3/d；隨后60 d，小幅波動(dòng)且緩慢增加；最后21 d趨于穩(wěn)定。VS進(jìn)料產(chǎn)氣率、VS進(jìn)料甲烷產(chǎn)率的變化趨勢(shì)相同：最初的10 d快速增加，VS進(jìn)料產(chǎn)氣率、VS進(jìn)料甲烷產(chǎn)率分別從0.163 m3/kg VS增到0.425 m3/kg VS、從0.086 m3/kg VS增到0.234 m3/kg VS；隨后的60 d小幅波動(dòng)且緩慢增加，最后21 d趨于穩(wěn)定，分別穩(wěn)定在0.444 m3/kg VS、0.245 m3/kg VS。VS去除產(chǎn)氣率、VS去除甲烷產(chǎn)率的變化趨勢(shì)相同：最初12 d快速增加，分別從0.352 m3/kg VS增加到0.833 m3/kg VS、從0.186 m3/kg VS增加到0.458 m3/kg VS；隨后的27 d，分別降至0.691 m3/kg VS和0.381m3/kg VS；然后，緩慢增加，最后10 d分別穩(wěn)定在0.737 m3/kg VS和0.413 m3/kg VS左右。多位研究者獲得的廚余垃圾厭氧消化最大甲烷產(chǎn)率范圍為0.160～0.605 m3/kg VS[9]，本研究的甲烷產(chǎn)率在此范圍內(nèi)。

圖3 產(chǎn)氣量、甲烷產(chǎn)量、產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率隨時(shí)間的變化

2.2 厭氧消化穩(wěn)定性

酸化菌在pH值為4.0～8.5時(shí)能正常發(fā)揮作用[10]，產(chǎn)甲烷菌的最佳生長(zhǎng)pH值為6.5～8.2。如圖4，pH值在最初的17 d在5.5左右波動(dòng)；第18～70 d增加到7.0；隨后上升到7.5，表明厭氧消化過程穩(wěn)定，未發(fā)生酸抑制。pH值的上升是VFAs和堿度綜合作用的宏觀表現(xiàn)。VFAs在開始的18 d從1 400 mg/L增加到2 100 mg/L，隨后下降，從第72 d開始穩(wěn)定在570 mg/L左右，低于發(fā)生酸化的3 000 mg/L，表明產(chǎn)甲烷菌降解轉(zhuǎn)化VFAs的能力越來越強(qiáng)，未發(fā)生酸累積。堿度為厭氧消化體系提供緩沖能力，堿度在開始的18 d緩慢增加，隨后快速?gòu)? 300 mg/L增加到4 800 mg/L，最后穩(wěn)定在4 750 mg/L左右，高于適宜產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的1 500～3 000 mg/L[10]。最適宜的VFAs/堿度是0.3～0.4。VFAs/堿度在最初的13 d從0.64增加到0.8，表明厭氧消化的不穩(wěn)定程度在增加，第13～18 d都大于0.8，厭氧消化嚴(yán)重不穩(wěn)定，但持續(xù)的時(shí)間很短；第18～39 d快速下降到0.4，厭氧消化的不穩(wěn)定程度降低，但仍存在一定程度的不穩(wěn)定性；最后的52 d低于0.4，表明運(yùn)行穩(wěn)定。半連續(xù)的運(yùn)行方式能不斷的排除抑制物質(zhì)，提高了該反應(yīng)器緩沖酸抑制和氨氮抑制的性能。

圖4 pH、堿度和VFAs濃度及VFAs/堿度隨時(shí)間的變化

產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化乙酸、丙酸、丁酸的難易程度是：乙酸﹤丁酸﹤丙酸。圖5為出料中乙酸、丁酸、丙酸在VFAs的比例。乙酸最易被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為沼氣，出料中乙酸在VFAs中的占比很低，穩(wěn)定在6.7%左右，表明水解酸化階段產(chǎn)生的乙酸被產(chǎn)甲烷菌較為充分的降解轉(zhuǎn)化。在pH值為5～7.5時(shí)，丁酸是有機(jī)物水解酸化后VFAs的主要組分，但其被轉(zhuǎn)化率約為70%，低于乙酸，丁酸在出料的VFAs中仍為主要組分，占70%左右，并隨堿度增加從67.2%增到74.2%。在pH值為5～7.5時(shí)，丙酸產(chǎn)生量低于乙酸，并隨著堿度的增加而降低，但丙酸難以被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生后較為穩(wěn)定，丙酸在出料的VFAs中的占比從16.2%降到9.2%。丙酸/乙酸從2.42降到1.35，并在第70 d時(shí)低于1.4，pH值也在第70 d高于7.0，說明從第70 d開始厭氧消化的運(yùn)行狀態(tài)良好。

圖5 乙酸、丙酸、丁酸在VFAs中的比例

2.3 沼氣凈化效果

如圖6，沼氣中CH4、CO2含量比較穩(wěn)定，分別約為55%和41%。經(jīng)凈化，CH4含量上升到96%左右，CO2含量降至3%左右，H2S濃度由22 mg/m3降至4～8 mg/m3，沼氣凈化后達(dá)到《天然氣》(GB 17820—2018)中的二類質(zhì)量要求，能就近進(jìn)入居民的廚房作為燃?xì)狻?/p>

圖6 沼氣凈化前后的CO2和CH4含量、H2S濃度

3 結(jié)論

該工藝及設(shè)備在半連續(xù)運(yùn)行80 d左右后趨于穩(wěn)定，VS去除率高于60%，VS進(jìn)料產(chǎn)氣率、VS進(jìn)料甲烷產(chǎn)率分別達(dá)到0.444 m3/kg VS、0.245 m3/kg VS，沼氣凈化后能作為燃?xì)馐褂?，?duì)廚余垃圾有較好的處理和資源化效果。