VFA 對餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵處理效率的影響

史春龍 李煥承 葉亨利

［1. 深圳市綜合交通與市政工程設計研究總院有限公司，廣東 深圳 618000；2. 地標（深圳）生物科技有限公司，廣東 深圳 618000］

1 引言

餐廚垃圾具有含水量高，有機物、蛋白質(zhì)豐富的特點，采取焚燒或填埋處理的方式將會造成一定程度的環(huán)境污染。在當前可持續(xù)發(fā)展理念指導下，實現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用已成為當代社會發(fā)展的一項重要任務。目前我國餐廚垃圾資源化利用技術(shù)主要有厭氧消化、堆肥處理、飼料化處理等。其中，70%以上餐廚垃圾處理采取厭氧微生物發(fā)酵技術(shù)，利用中溫厭氧微生物發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃圾廢棄物，避免了餐廚垃圾飼料化而引起的動物同源性污染，實現(xiàn)了餐廚垃圾廢棄物的無害化、資源化、減量化［1-5］。

厭氧發(fā)酵過程主要分為水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷3 個階段，而兩相厭氧微生物發(fā)酵技術(shù)通過不同的控制條件把厭氧發(fā)酵分為水解酸化、產(chǎn)甲烷2個階段［6］。水解酸化階段是微生物將復雜的有機物質(zhì)，如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等經(jīng)過一系列的反應過程分解成簡單的水溶性脂肪酸和醇類［7-9］，然后在酸化菌的作用下，將其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFA）的過程。產(chǎn)甲烷階段是甲烷菌在合適的條件下將酸化階段產(chǎn)物中的乙醇、有機酸、H2及CO2等物質(zhì)分解合成為CH4和CO2［10-11］。

VFA 的控制是保證兩相厭氧發(fā)酵過程的重要指標［12］，它既可以反映水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程發(fā)酵微生物的反應效果，又可以指示產(chǎn)甲烷過程的發(fā)酵微生物以及酶作用的效果和穩(wěn)定性。因此餐廚垃圾水解酸化是厭氧消化的高負荷、穩(wěn)定化運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，VFA 控制是保證整個厭氧發(fā)酵穩(wěn)定化運行的重要參數(shù)。

本文選取深圳市某餐廚垃圾處理企業(yè)餐廚垃圾兩相厭氧處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)下，連續(xù)1 個月的原漿液以及后續(xù)酸化工序和厭氧發(fā)酵工序出口漿料作為對象，探究兩相厭氧系統(tǒng)中VFA 濃度與pH、TCOD 濃度以及去除率、總堿度等指標的關(guān)系，以期確定最適宜的VFA 濃度范圍，為提升兩相厭氧處理系統(tǒng)TCOD 去除率提供一定參考。

2 兩相厭氧系統(tǒng)設計

2.1 設計工藝

在餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵處理系統(tǒng)中，餐廚垃圾經(jīng)分選、破碎、提油、除砂等預處理后，調(diào)制成粒徑≤5 mm 的原漿液，原漿液經(jīng)水解酸化階段和產(chǎn)甲烷階段處理即產(chǎn)生沼氣、沼液，沼氣可進一步資源化利用，沼氣用于發(fā)電，沼液制作有機肥［13］，油脂制作生物柴油［14］。

原漿液總硫（TS）約12%，TCOD 約130 000 mg/L。將原漿液輸送到37 ℃水解酸化罐，水解酸化4 d，進一步去除油脂、雜質(zhì)、沉砂后，漿液TS 約10%，TCOD約110 000 mg/L。水解酸化后漿液進入37 ℃厭氧罐，厭氧罐漿液（沼液）TS 約1.8%，TCOD 約10 000 mg/L。

2.2 設計參數(shù)

罐體設計參數(shù)見表1。

表1 罐體設計參數(shù)

2.3 檢測指標及數(shù)據(jù)分析

本研究主要檢測指標有VFA、pH、TCOD、堿度等，數(shù)據(jù)分析采用WPS2019 和SPSS17.0 完成。

3 運行結(jié)果分析

3.1 VFA 濃度與pH 的對應關(guān)系

連續(xù)穩(wěn)定運行下，整個餐廚垃圾兩相厭氧處理系統(tǒng)連續(xù)31 d 各類物料（漿液）平均VFA 濃度與pH見表2。

表2 穩(wěn)定狀態(tài)下物料VFA 濃度與pH

由表2 可知，物料漿液經(jīng)酸化和厭氧發(fā)酵工序后pH 顯著上升（P＜0.01）；VFA 濃度有所不同，酸化后VFA 濃度顯著增加（P＜0.01），厭氧發(fā)酵后則迅速下降，濃度極顯著低于原漿液濃度（P＜0.01）。

3.2 VFA 濃度與TCOD 去除率的關(guān)系

連續(xù)穩(wěn)定運行下，整個餐廚垃圾兩相厭氧處理系統(tǒng)連續(xù)31 d 厭氧發(fā)酵罐進料VFA 濃度與TCOD去除率見圖1。

圖1 厭氧發(fā)酵罐中進料VFA 濃度與TCOD 去除率變化

由圖1 可知，進料VFA濃度穩(wěn)定在9 033.52±1 033.74 mg/L 時，TCOD 去除率為82.96%以上，最高達90.76%。

厭氧發(fā)酵過程中，以連續(xù)31 d 進料VFA 濃度為自變量，以厭氧發(fā)酵后TCOD 去除率為因變量，通過SPSS17.0 進行線性回歸模型分析，得到表3 和線性回歸方程式。

表3 厭氧發(fā)酵罐去除率與進料VFA 濃度統(tǒng)計

線性回歸方程式：TCOD 去除率=0.001VFAin+81.304，調(diào)整R2=16.2%，P=0.014。調(diào)整R2指原始數(shù)據(jù)與回歸方程的匹配度；進料P=0.014＜0.05，說明自變量能夠顯著影響因變量。即可說明，進料VFA 濃度可以顯著影響厭氧發(fā)酵罐TCOD 去除率，但匹配率只有16.2%，進一步說明還有其他因素影響TCOD去除率。

3.3 VFA 濃度和出料總堿度的對應關(guān)系

連續(xù)穩(wěn)定運行下，整個餐廚垃圾兩相厭氧處理系統(tǒng)連續(xù)31 d 厭氧發(fā)酵罐進料VFA 濃度與出料總堿度（Total Alkalinity，TAL，以CaCO3計）濃度的變化見圖2。

圖2 厭氧發(fā)酵罐中進料VFA 濃度與出料TAL 濃度變化

由圖2 可知，進料VFA 濃度穩(wěn)定在9 033.52±1 033.74 mg/L 時，出料TAL 濃度穩(wěn)定在9 616.23±534.90 mg/L。

厭氧發(fā)酵過程中，以連續(xù)31 d 進料VFA 濃度為自變量，以厭氧發(fā)酵后出料TAL 濃度為因變量，通過SPSS17.0 進行線性回歸模型分析，得表4 和線性回歸方程式。

表4 厭氧發(fā)酵罐進料VFA 濃度及出料TAL 濃度統(tǒng)計

線性回歸方程式：TALout=-0.221VFAin+11 608.320，調(diào)整R2=15.3%，P=0.017。調(diào)整R2指原始數(shù)據(jù)與回歸方程的匹配度；P=0.017＜0.05，說明自變量能夠顯著影響因變量。即可說明，進料VFA 濃度可以顯著影響厭氧發(fā)酵罐出料TAL 濃度，但匹配率只有15.3%，進一步說明還有其他因素影響厭氧發(fā)酵罐出料TAL濃度。

4 結(jié)論

利用SPSS 軟件對餐廚垃圾工業(yè)化穩(wěn)定運行進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)論如下：

（1）VFA 濃度直接影響pH 的變化。原漿液的VFA 濃度在1 229.52±306.44 mg/L，說明餐廚垃圾在運送到處置地已經(jīng)發(fā)生水解酸化。漿液VFA 濃度增加到9 033.52±1 033.74 mg/L，pH 從3.71 直接增加到4.76，數(shù)據(jù)變化反映酸化微生物菌群的變化。

（2）VFA 濃度對TCOD 降解率有顯著影響。水解酸化后漿液進入產(chǎn)甲烷階段的VFA 濃度顯著影響TCOD 去除率，符合產(chǎn)甲烷菌的反應規(guī)律。軟件SPSS分析還有其他影響因素，推斷為餐廚垃圾存在不易降解的有機物影響TCOD 的降解率。

（3）VFA 濃度對TAL 具有沖擊負荷。水解酸化后的漿液序批式進料，VFA 對產(chǎn)甲烷階段具有一定的沖擊負荷［15］，影響TAL 的變化。

綜合分析，在反應溫度、酸化停留時間、厭氧停留時間、攪拌方式等外部條件固定的情況下，VFA 控制基本滿足餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)工業(yè)化、穩(wěn)定化運行控制要求。