大中型濕垃圾半干法全混式厭氧反應(yīng)器的運行性能、微生物特性及經(jīng)濟性評價*

華銀鋒 吳 健

(1.上海浦東環(huán)保發(fā)展有限公司,上海 200127;2.上海黎明資源再利用有限公司,上海 201209)

濕垃圾是居民日常生活及食品加工、飲食服務(wù)、單位供餐等活動中產(chǎn)生的垃圾。濕垃圾常用的處理方法有填埋、焚燒、堆肥和厭氧發(fā)酵等。其中,厭氧發(fā)酵因具有成本低和沼氣資源可回收的特點備受青睞。目前,我國濕垃圾厭氧發(fā)酵工程多采用濕法厭氧發(fā)酵工藝[1],其進料含固率(TS)一般不超過8%(質(zhì)量分數(shù),下同)。然而,濕法厭氧發(fā)酵不僅需要加水調(diào)控進料TS,而且后續(xù)需要處理大量消化液,過程中很容易再次污染環(huán)境。相對于濕法厭氧發(fā)酵,半干法厭氧發(fā)酵工藝對水的需求量小,單位體積物料產(chǎn)氣量高,消化過后沼液產(chǎn)量小,沼渣含水率低。近年來,半干法厭氧發(fā)酵工藝受到研究者的廣泛關(guān)注。

全混式厭氧反應(yīng)器(CSTR)是目前應(yīng)用較廣泛的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器。CSTR通過攪拌將物料和微生物處于完全混合的狀態(tài),加強傳質(zhì)的同時可以均勻傳熱。目前國內(nèi)半干法CSTR以中等規(guī)模(有效容積<5 000 m3)為主,吳健等[2]采用有效容積4 150 m3的半干法CSTR處理高含固餐廚垃圾,具有產(chǎn)沼效率高、系統(tǒng)運行平穩(wěn)等優(yōu)點。近年來,隨著垃圾分類工作的持續(xù)推進,濕垃圾產(chǎn)生量逐漸增加,大型半干法CSTR工程(有效容積≥5 000 m3)需求增多[3],大型半干法CSTR的底物處理量高、抗沖擊負荷能力強、基建投資和運維成本低、占地面積小,對于大城市具有明顯優(yōu)勢。然而,目前缺乏大型半干法CSTR長期運行的效能數(shù)據(jù)、底物連續(xù)轉(zhuǎn)化為沼氣的關(guān)鍵影響因子及功能微生物群落結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等。

為此,本研究以上海市浦東新區(qū)某生態(tài)園有機質(zhì)固廢處理項目為研究對象,在歷時16個多月的平穩(wěn)運行期間,系統(tǒng)開展了大型和中型半干法CSTR的有機負荷、產(chǎn)沼率等研究,對兩種規(guī)模CSTR中的微生物多樣性進行對比,并進行了經(jīng)濟性分析,研究結(jié)果可為空間、資源緊張的大城市在濕垃圾處理工藝選擇上提供參考依據(jù)。

1 工程概況

2014年上海市浦東新區(qū)成為國家第四批餐廚廢棄物資源化利用與無害化試點后,于2015年著手建設(shè)處理規(guī)模為1 000 t/d的有機質(zhì)固廢處理項目,該項目分兩期工程建設(shè),其中一期工程設(shè)計處理濕垃圾300 t/d,二期工程設(shè)計處理濕垃圾700 t/d。項目采用預(yù)處理+厭氧消化產(chǎn)沼的核心工藝,一期、二期共設(shè)計5座半干法CSTR,其中一期項目共設(shè)計4座完全相同的中型半干法CSTR,于2017年4月正式進入調(diào)試運營;二期項目設(shè)計1座大型半干法CSTR,于2020年8月正式進入調(diào)試運營。

1.1 工藝流程介紹

圖1為濕垃圾半干法CSTR工藝流程。濕垃圾經(jīng)過機械分選除雜、濕熱水解提油、機械與水力破碎制漿等步驟后進入均質(zhì)罐暫存,之后漿料通過進料離心泵輸送至半干法CSTR進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼,主產(chǎn)品沼氣經(jīng)過預(yù)處理后發(fā)電,副產(chǎn)物沼液則經(jīng)過離心脫水、氣浮浮選等步驟分離,最終浮選清液進入污水處理系統(tǒng),處理達標(biāo)后排放;沼渣部分回流半干法CSTR補充污泥,部分外運焚燒處置。

1.2 CSTR設(shè)計參數(shù)

表1為半干法CSTR的設(shè)計參數(shù),其中大型半干法CSTR設(shè)計有效容積為7 160 m3,濕垃圾漿料處理量200 m3/d,中型半干法CSTR有效容積為4 150 m3,濕垃圾漿料處理量140 m3/d。兩個CSTR由于直徑與容積不同,使得攪拌的布置方式、數(shù)量及設(shè)備功率選型呈現(xiàn)較大差異。中型半干法CSTR采用2臺機械側(cè)攪拌呈180°間隔圓周布置,大型半干法CSTR采用6臺機械側(cè)攪拌圓周均勻布置,同時采用較大功率與流量的外循環(huán)泵攪拌,以便盡可能地使反應(yīng)器內(nèi)物料攪拌混合。兩個CSTR的控制溫度、有機質(zhì)降解率、產(chǎn)沼率及其甲烷、厭氧出水油脂見表1。

圖1 濕垃圾半干法CSTR工藝流程Fig.1 Process flow chart of semi-dry CSTR for kitchen wet waste treatment

2 測試指標(biāo)與分析方法

參考文獻[4],采用消解比色法測定溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)、采用脂化法測定揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、采用水楊酸法測定氨氮、采用玻璃電極法測定pH、采用烘干稱量法測定漿料TS及污泥濃度(烘箱105 ℃烘干至恒質(zhì)量)、采用重量法測定有機質(zhì)(馬弗爐600 ℃灼燒至恒質(zhì)量)。采用在線電磁流量計(德國E+H)監(jiān)測進料流量;采用在線熱式流量計(德國Binder)監(jiān)測沼氣流量;采用便攜式沼氣分析儀(英國GEOTECH)測定沼氣成分;電量采用國產(chǎn)電度表計量;厭氧消化污泥樣品的微生物多樣性分析(包括脫氧核糖核酸(DNA)提取、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴增及序列測定等)均由上海某生物醫(yī)藥科技有限公司完成。

采用Origin 2019軟件進行作圖分析,并通過IBM SPSS Statistics 22進行差異顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 CSTR有機負荷變化

有機負荷直接反映了發(fā)酵過程中有機物料與微生物之間的平衡關(guān)系,是控制厭氧發(fā)酵系統(tǒng)良好運行的重要參數(shù),也是衡量厭氧發(fā)酵系統(tǒng)處理有機物能力的一個重要指標(biāo)[5]。圖2為大型、中型半干法CSTR在2020年11月至2022年3月的有機負荷變化情況?？梢钥闯?大型半干法CSTR的有機負荷為0.66～2.53 kg/(m3·d),平均值為2.02 kg/(m3·d),中型半干法CSTR的有機負荷為0.29～2.96 kg/(m3·d),平均值為2.04 kg/(m3·d);單因素方差分析表明,兩種規(guī)模CSTR有機負荷無顯著差異(P>0.05)。穩(wěn)定運行期內(nèi),2021年4月至2022年2月為系統(tǒng)高有機負荷平穩(wěn)運行期,該階段大型、中型半干法CSTR平均有機負荷分別為2.11、2.21 kg/(m3·d)。2022年1—2月,大型、中型CSTR均出現(xiàn)短暫的有機負荷低點,這與春節(jié)節(jié)假日有關(guān)。2022年3月開始，有機質(zhì)固廢處理廠的垃圾收運量呈斷崖式下降,這主要是由于受疫情影響導(dǎo)致餐飲行業(yè)不景氣及大量小區(qū)的隔離封控造成。

表1 大中型半干法CSTR設(shè)計參數(shù)Table 1 Comparison of design parameters between medium-scale and large-scale semi-dryanaerobic digestion reactors

圖2 大型、中型半干法CSTR的有機負荷變化Fig.2 Variation of organic loading rates of large-scale and medium-scale semi-dry CSTR

3.2 CSTR產(chǎn)沼率的變化

大型、中型半干法CSTR穩(wěn)定運行期產(chǎn)沼率變化趨勢見圖3。大型半干法CSTR的產(chǎn)沼率為825～1 133 Nm3/t,中型半干法CSTR的產(chǎn)沼率為531～840 Nm3/t,大型、中型半干法CSTR在穩(wěn)定運行期的平均產(chǎn)沼率分別為914、696 Nm3/t,單因素方差分析表明,兩種規(guī)模CSTR產(chǎn)沼率呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)。大型半干法CSTR產(chǎn)沼性能明顯優(yōu)于中型半干法CSTR。

注：因2020年11月監(jiān)測時間不全,不進行該月月均值的計算統(tǒng)計。圖5同。

3.3 CSTR污泥濃度變化

污泥濃度是影響厭氧反應(yīng)速率和產(chǎn)氣效果的關(guān)鍵參數(shù),反映了厭氧微生物的富集和增殖水平。為保證厭氧發(fā)酵系統(tǒng)適應(yīng)更高的有機負荷,規(guī)模較大的CSTR均需要強烈的攪拌,這對混合菌群的生長、污泥對底物的降解以及厭氧處理效果產(chǎn)生潛在影響。以CSTR內(nèi)混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量分數(shù)表征污泥濃度,本項目穩(wěn)定運行期間大型、中型半干法CSTR的污泥濃度分別為2.61%～4.08%、2.55%～4.34%,污泥濃度平均值分別為3.22%、3.19%(見圖4)。單因素方差分析結(jié)果表明,大型、中型半干法CSTR中的污泥濃度不存在顯著差異(P>0.05),表明設(shè)備放大并未影響系統(tǒng)微生物功能。

圖4 大型、中型半干法CSTR污泥濃度變化Fig.4 Variation of sludge concentration of large-scale and medium-scale semi-dry CSTR

3.4 上清液SCOD及VFAs變化

上清液SCOD可用于反映底物被水解溶出及降解甲烷化的水平。由圖5(a)可見,運行期間大型、中型半干法CSTR上清液的SCOD月均值分別在10 966～12 513、11 212～14 239 mg/L波動,總平均值分別為11 879、12 458 mg/L,與進水SCOD平均值165 481 mg/L相比,SCOD降幅分別為92.82%、92.47%。VFAs是有機質(zhì)水解酸化的重要中間產(chǎn)物,VFAs在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的積累情況能反映出產(chǎn)甲烷菌的活躍狀態(tài)或系統(tǒng)的穩(wěn)定性,進一步反映出厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運行情況。從圖5(b)可以看出,大型、中型半干法CSTR上清液VFAs月均值分別在1 505～2 550、1 422～3 380 mg/L波動,總平均值分別為1 764、1 868 mg/L。單因素方差分析表明,兩種規(guī)模CSTR上清液SCOD和VFAs均不存在顯著差異(P>0.05)。

3.5 CSTR微生物多樣性分析

對大型、中型半干法CSTR中厭氧微生物在門水平上的多樣性進行分析,發(fā)現(xiàn)兩種規(guī)模半干法CSTR內(nèi)的微生物均由厚壁菌門(Firmicutes)、鹽桿菌門(Halobacterota)、擬桿菌門(Bacteroidota)、Caldatribacteriota及其他組成。由圖6可見,其中厚壁菌門、鹽桿菌門、擬桿菌門占主導(dǎo)地位,厚壁菌門是兩個半干法CSTR中的優(yōu)勢菌門,主要負責(zé)濕垃圾(主要是餐廚垃圾)的水解和酸化等過程[6],厚壁菌門微生物可以產(chǎn)生蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶等胞外酶,降解底物中的有機質(zhì)為VFAs。鹽桿菌門同碳代謝與硫代謝有關(guān)[7-8]。擬桿菌門是一種化能有機營養(yǎng)菌,能有效分解和代謝多種復(fù)雜有機物產(chǎn)生乙酸,促進嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的生長[9]。

圖5 大型、中型半干法CSTR出水SCOD、VFAs變化Fig.5 Variation of effluent SCOD and VFAs from large-scale and medium-scale semi-dry CSTR

圖6 大型、中型半干法CSTR中微生物門水平多樣性分析Fig.6 Analysis of microbial diversity of large-scale and medium-scale semi-dry CSTR on phylum level

大型半干法CSTR的厚壁菌門、鹽桿菌門、擬桿菌門、Caldatribacteriota及其他的相對豐度分別為41.95%、16.23%、33.84%、1.26%、6.72%。中型半干法CSTR的厚壁菌門、鹽桿菌門、擬桿菌門、Caldatribacteriota及其他的相對豐度分別為39.34%、23.47%、21.69%、3.54%、11.96%。對大型、中型半干法CSTR中門水平微生物多樣性進行單因素方差分析,結(jié)果表明P>0.05,說明從門水平上看,大型、中型半干法CSTR內(nèi)微生物多樣性無顯著差異。

4 經(jīng)濟性分析

比較了2021年完整周期年大型、中型半干法CSTR的經(jīng)濟性,結(jié)果見表2?？梢钥闯?2021年大型、中型半干法CSTR的月均電能投入分別為64、40 MW·h,月均電能產(chǎn)出分別為805、354 MW·h,月均凈上網(wǎng)電量分別為741、314 MW·h。計算得到大型、中型半干法CSTR 2021年凈上網(wǎng)電量分別為8 892、3 768 MW·h,2021年上網(wǎng)電能收益分別為533.5萬、226.1萬元。

表2 大型、中型半干法CSTR經(jīng)濟性分析Table 2 Economic analysis of large-scale and medium-scale semi-dry CSTR

綜合計算,從上網(wǎng)電能收益扣除年維修維護成本及運營人力成本,大型、中型半干法CSTR在2021年的總體凈收益分別為511.5萬、206.1萬元。2021年大型、中型半干法CSTR的進料總量分別為56 023、32 830 m3,計算進料收益分別為91.3、62.8元/m3,表明采用大型半干法CSTR處理濕垃圾具有比較明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

5 結(jié) 論

對大型、中型半干法CSTR在16個多月穩(wěn)定運行期間的有機負荷、產(chǎn)沼率、污泥濃度、上清液SCOD和VFAs以及微生物多樣性分布等進行了對比分析,并進行了經(jīng)濟性比較,主要結(jié)論如下：(1)大型、中型半干法CSTR穩(wěn)定運行期的有機負荷、污泥濃度、上清液COD和VFAs無顯著差異,SCOD去除率均可達90%以上;(2)大型半干法CSTR產(chǎn)沼率明顯高于中型半干法CSTR,但兩者的微生物在門水平上的多樣性分布無顯著差異;(3)大型、中型半干法CSTR進料收益分別為91.3、62.8元/m3,隨著反應(yīng)器規(guī)模的擴大,經(jīng)濟效益明顯提升,研究結(jié)果可為實際工程中CSTR的選型提供數(shù)據(jù)參考。