廚余垃圾中溫干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)調(diào)試階段工況分析

李陽青，張云霞，于 淼，常寶軍，張 凱

（天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司，天津 300000）

1 工程背景概述

根據(jù)GB/T 19095—2019 生活垃圾分類標(biāo)志，本研究所指的廚余垃圾為家庭產(chǎn)生的廚余垃圾。隨著生活垃圾分類體系的完善，廚余垃圾單獨清運量逐年增加，大型廚余垃圾處理設(shè)施的建設(shè)節(jié)奏不斷加快［1］。由于垃圾分類收運體系實施時間較短，目前居民很難做到廚余垃圾完全正確投放，故廚余垃圾成分復(fù)雜、雜質(zhì)多、地域性和季節(jié)性差異大、處理難度高。許偉等［2］研究了合肥市廚余垃圾成分，廚余垃圾中易腐類占56.7%、紙張占13.3%、塑料占9.2%，另外還有織物、木竹、玻璃、金屬、陶瓷等。萬鷹瑋等［3］研究了重慶市廚余垃圾成分，廚余垃圾中易腐類僅占40.9%。

厭氧消化、好氧堆肥等是常見的廚余垃圾處理技術(shù)［4］。其中厭氧發(fā)酵技術(shù)能更好地實現(xiàn)廚余垃圾的減量化、資源化和無害化。許多學(xué)者對廚余垃圾厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的接種、調(diào)試、運行參數(shù)等進行了深入研究。劉曉蘭［5］研究了廚余垃圾干式中溫厭氧發(fā)酵的運行工況，發(fā)酵罐含固率維持在19.6%左右，系統(tǒng)能維持酸堿平衡狀態(tài)，產(chǎn)氣率為111.2～200.6 m3/t。王艷明等［6］研究了廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)接種過程，大接種量、高接種比更有利于縮短系統(tǒng)啟動時間。劉杰等［7］研究了廚余垃圾濕式厭氧發(fā)酵穩(wěn)定運行工況，含固率控制在8%～9%，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。廚余垃圾的糖分和淀粉含量高且易水解，單獨厭氧消化易發(fā)生酸化［8］，廚余垃圾與纖維素含量高的物料協(xié)同處理，可調(diào)節(jié)碳氮比（C/N）至合適范圍，進而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性［9］。初始pH 對廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸有明顯的影響，pH 隨著發(fā)酵過程先下降再升高，最后趨于穩(wěn)定［10］。

本研究以重慶市某廚余垃圾處理項目為例，探討廚余垃圾中溫干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)調(diào)試階段的運行工況，供同類項目參考。

2 工藝流程與設(shè)計參數(shù)

2.1 項目概況

重慶市某廚余垃圾處理項目建設(shè)規(guī)模為200 t/d，項目所用廚余垃圾為家庭廚余垃圾經(jīng)“破碎+篩分+磁選+風(fēng)選+光電分選”等工藝處理獲得的有機易腐垃圾。家庭廚余垃圾成分如表1 所示。本項目采用中溫干式厭氧發(fā)酵工藝，設(shè)置兩臺奧地利TTV 隧道窯干式厭氧發(fā)酵罐，單臺尺寸為35.00 m×9.62 m×10.25 m，采用縱向單軸機械攪拌，設(shè)計參數(shù)如表2 所示。

表2 中溫干式厭氧發(fā)酵工藝設(shè)計參數(shù)Table 2 Design parameters of medium temperature dry anaerobic fermentation process

2.2 工藝流程

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)由進料、厭氧發(fā)酵、脫水系統(tǒng)組成，工藝流程如圖1 所示。經(jīng)預(yù)處理后的廚余垃圾首先進入進料系統(tǒng)，進行混合、均質(zhì)處理后由柱塞泵注入干式厭氧發(fā)酵罐；罐內(nèi)物料在縱向單軸機械攪拌作用下由進料端逐步移動到出料端，同時經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進入沼氣凈化、利用系統(tǒng)；厭氧罐出料由柱塞泵注入脫水系統(tǒng)，脫水系統(tǒng)包括振動脫水、螺旋擠壓脫水及離心脫水；脫水后的沼液進入污水處理系統(tǒng)，沼渣外運。

2.3 調(diào)試流程

發(fā)酵系統(tǒng)的調(diào)試是使細(xì)菌從休眠狀態(tài)恢復(fù)、活化的過程，故干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的調(diào)試應(yīng)循序漸進，不能期望短時間內(nèi)實現(xiàn)發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定運行。受接種物、原料、溫度等影響，啟動調(diào)試到滿負(fù)荷產(chǎn)氣約需70～150 d。具體調(diào)試流程如下（以下數(shù)據(jù)均以單臺發(fā)酵罐為基準(zhǔn)）。

1）準(zhǔn)備階段：厭氧發(fā)酵罐內(nèi)注入150 m3清水，然后開啟罐底加熱系統(tǒng)，對罐內(nèi)清水加熱，每日升溫幅度控制在0.5 ℃，最多不能超過1 ℃，直至罐體溫度達(dá)到42 ℃。進料后罐體溫度波動幅度應(yīng)控制在＜0.5 ℃范圍內(nèi)，避免菌種在較大溫差時反應(yīng)活性降低。

2）菌種培養(yǎng)階段：待罐體溫度維持在（42.0±0.5）℃時，方可逐步投加牛糞及沼渣，牛糞和沼渣由進料系統(tǒng)的柱塞泵泵入，直至液位達(dá)到1 200 m3。此時啟動厭氧發(fā)酵罐攪拌軸，開始對罐內(nèi)物料攪拌。菌種培養(yǎng)階段需通過取樣口取樣，并對物料及沼氣進行理化分析，發(fā)酵罐前、后各設(shè)置1座取樣口。菌種培養(yǎng)階段一般持續(xù)21 d。

3）廚余垃圾進料階段：菌種培養(yǎng)后期沼氣中甲烷含量達(dá)到55% 以上，此時可逐步投加廚余垃圾，進料量如圖2 所示。由于酸化菌群的啟動速度高于產(chǎn)甲烷菌群，為防止揮發(fā)性脂肪酸的過度積累，進料初期含固率需控制在較低水平。

4）穩(wěn)定產(chǎn)氣階段：當(dāng)物料投加量達(dá)到設(shè)計能力的75% 以上時，隨著進料量的增加沼氣產(chǎn)量增加緩慢，此時物料的投加增速應(yīng)更為緩和，若發(fā)現(xiàn)酸化趨勢應(yīng)立即采取相應(yīng)措施。文中采用的數(shù)據(jù)截止到進料量100 t/d（90 t 廚余垃圾+5 t 木屑+5 t 沼渣）并穩(wěn)定運行9 d，之后會逐步減少沼渣、木屑的投加量，相應(yīng)增加廚余垃圾投加量，使進料量始終維持在100 t/d。

3 測試指標(biāo)與分析方法

3.1 分析方法

發(fā)酵罐持續(xù)進料后需通過取樣口取樣，對物料進行理化分析，主要指標(biāo)分析方法如下：含固率采用烘干法測定，參考CJ/T 313—2009 生活垃圾采樣和分析方法；pH 采用pH 儀測定；揮發(fā)性脂肪酸采用氫氧化鈉滴定法測定；氨氮采用中和滴定法測定，參考HJ 537—2009 水質(zhì)氨氮的測定蒸餾-中和滴定法；總堿度采用硫酸滴定法測定；沼氣濃度由現(xiàn)場沼氣分析儀測定，沼氣流量由現(xiàn)場超聲波流量計測定，溫度由現(xiàn)場溫度計測定。厭氧發(fā)酵罐的前、中、后部各設(shè)置了1 支長桿溫度計，溫度計受套管保護，保護套管深埋在發(fā)酵液中，文中采用的數(shù)據(jù)為中部溫度計的監(jiān)測結(jié)果。主要理化指標(biāo)檢測頻率及控制范圍見表3。

表3 主要理化指標(biāo)檢測頻率及控制范圍Table 3 Detection frequency and control range of main physicochemical indicators

3.2 材料

厭氧發(fā)酵后的沼渣包括未分解的固態(tài)發(fā)酵物質(zhì)以及微生物群體，是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)接種的理想材料。本項目選用的菌種為餐廚垃圾高溫濕式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的離心脫水沼渣，并采用新鮮牛糞作為接種底物。由于廚余垃圾中含有少量骨頭、瓶蓋等密度大于水的重雜物，在調(diào)試初期發(fā)酵液黏稠度不足，重雜物易沉積到發(fā)酵罐底部、無法外排；故反應(yīng)罐中需添加少量木屑提高發(fā)酵液的黏稠度使重雜物等不易沉積。當(dāng)系統(tǒng)滿負(fù)荷運行時可逐步減少木屑的投加量。沼渣、新鮮牛糞、原木木屑的相關(guān)理化特性見表4。

表4 厭氧發(fā)酵接種底物及輔料理化特性Table 4 Physicochemical characteristics of substrates and excipients for anaerobic fermentation inoculation

4 運行效果分析

4.1 含固率及溫度控制情況

厭氧發(fā)酵罐內(nèi)含固率及溫度隨調(diào)試運行時間的變化規(guī)律如圖3 所示。罐內(nèi)溫度能整體上保持穩(wěn)定，維持在42～44 ℃。在厭氧發(fā)酵微生物菌群的作用下，廚余垃圾投加進入?yún)捬醢l(fā)酵罐后快速消耗轉(zhuǎn)換成甲烷、二氧化碳等排出系統(tǒng)。隨著每日廚余垃圾的補充以及罐內(nèi)厭氧發(fā)酵的消耗，含固率處于動態(tài)平衡狀態(tài)。隨著進料量的增加，發(fā)酵罐內(nèi)含固率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，并且前端含固率的升高速率明顯大于后端。滿負(fù)荷進料時，前端含固率維持在20%～25%，后端含固率維持在16%～20%。從物料流向分析，發(fā)酵罐前、后端含固率差值約為4%～5%，說明厭氧發(fā)酵系統(tǒng)處理廚余垃圾具有明顯的減量效果。

圖3 厭氧反應(yīng)罐含固率及溫度變化情況Figure 3 TS and temperature changes of anaerobic reaction tank

4.2 沼氣產(chǎn)量和甲烷含量的變化

沼氣產(chǎn)量及沼氣中甲烷含量隨調(diào)試運行時間的變化規(guī)律如圖4 所示。厭氧發(fā)酵罐啟動初期，即菌種培養(yǎng)階段，甲烷含量隨底料及菌種數(shù)量的投加迅速提高，2 周內(nèi)可上升至60%；甲烷含量達(dá)到60% 左右并穩(wěn)定維持?jǐn)?shù)日后，開始投加廚余垃圾，廚余垃圾進料量根據(jù)系統(tǒng)運行情況緩步提升。整體上講，沼氣中甲烷含量能保持穩(wěn)定，在55%～65% 范圍內(nèi)小幅波動。進料量達(dá)到設(shè)計能力的75%左右時厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的噸產(chǎn)氣量達(dá)到最大值，約180 m3/t；之后隨進料量的增加噸產(chǎn)氣量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，最終穩(wěn)定在140 m3/t 左右。

圖4 甲烷含量和沼氣噸產(chǎn)氣量變化趨勢Figure 4 Change trends on methane concentration and biogas production per ton

4.3 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的酸堿平衡

總堿度和揮發(fā)性脂肪酸隨調(diào)試運行時間的變化規(guī)律如圖5 所示。菌種培養(yǎng)階段第10 天啟動厭氧發(fā)酵罐攪拌軸，開始對罐內(nèi)物料攪拌，并對物料及沼氣進行理化分析，此時揮發(fā)性脂肪酸能達(dá)到10 000 mg/L，總堿度也在10 000 mg/L 左右。隨著產(chǎn)甲烷菌的種群數(shù)量不斷提高，揮發(fā)性脂肪酸濃度不斷降低并最終穩(wěn)定在2 500～3 000 mg/L。進料量低于設(shè)計能力的75% 時，總堿度隨物料投加量的增加不斷升高，最高可達(dá)14 000 mg/L；之后總堿度先快速下降再逐漸升高，最終穩(wěn)定在12 000～14 000 mg/L。同時，發(fā)酵罐內(nèi)部隨著物料向后端移動，總堿度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，揮發(fā)性脂肪酸呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

圖5 總堿度和揮發(fā)性脂肪酸變化趨勢Figure 5 Change trends on total alkalinity and volatile fatty acids

氨氮、pH 隨調(diào)試運行時間的變化見圖6。進料量低于設(shè)計能力的75% 時，氨氮濃度隨物料投加量的增加不斷升高，最高可達(dá)3 000 mg/L；之后氨氮先快速下降再逐漸升高，最終穩(wěn)定在2 500 mg/L 左右。pH 隨物料投加量的增加不斷升高，最終維持在8.0～8.2。發(fā)酵罐內(nèi)部隨物料向后端移動，pH 呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，氨氮無明顯變化趨勢。

4.4 脫水效果

本項目采用的三級脫水系統(tǒng)由振動脫水機、螺旋擠壓脫水機、離心脫水機構(gòu)成，調(diào)試期間對螺旋擠壓脫水機沼渣含固率，離心脫水機沼渣、沼液含固率進行取樣分析，其脫水效果如圖7 所示。結(jié)果表明，本項目采用的三級脫水系統(tǒng)性能穩(wěn)定、脫水效果良好。其中，離心脫水機沼液含固率為0.45%～1.00%，螺旋擠壓脫水機沼渣含固率為31.07%～53.89%，離心脫水機沼渣含固率為34.91%～44.40%。三級脫水系統(tǒng)能有效降低沼液中的固體含量，為沼液生化處理提供了有利條件。

5 存在問題與展望

干式厭氧發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵罐內(nèi)平均含固率一般控制在20% 以上，含水量少，故設(shè)備單位容積產(chǎn)氣量大，沼液產(chǎn)生量少，投資、運行費用低。但由于生活垃圾源頭分類不理想，廚余垃圾中可能混入磚頭、瓦塊、包裝袋、衣物等，易造成螺旋輸送機、閥門、彎頭、變徑等部位堵塞，導(dǎo)致項目的設(shè)備維護壓力較大，影響系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。故建議相關(guān)政府部門加大生活垃圾分類體系的建設(shè)投入，完善相關(guān)法律體系，逐步建立前端分類、中端收運和末端處置的完整閉環(huán)系統(tǒng)，從而促進末端廚余垃圾處理設(shè)施穩(wěn)健發(fā)展。

6 結(jié)論

1）廚余垃圾中溫干式厭氧啟動過程表明，以餐廚垃圾高溫濕式厭氧發(fā)酵沼渣作為接種物、以牛糞作為接種底物啟動厭氧發(fā)酵時，經(jīng)過2 周左右沼氣中甲烷含量即可達(dá)到55%以上。

2）干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)pH 維持在8.0～8.2，堿度維持在12 000～14 000 mg/L，揮發(fā)性脂肪酸維持在2 500～3 000 mg/L，氨氮維持在2 500 mg/L 左右，可穩(wěn)定運行。

3）發(fā)酵罐內(nèi)部隨著物料向后端移動，含固率、揮發(fā)性脂肪酸逐漸降低，總堿度、pH 逐漸升高，氨氮無明顯變化趨勢。

4）系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，厭氧發(fā)酵罐單位進料量的產(chǎn)氣量在140 m3/t 左右，甲烷含量維持在55%～65%。

5）厭氧發(fā)酵罐出料經(jīng)三級脫水后沼渣含固率能達(dá)到30% 以上，沼液含固率達(dá)到1% 以下，脫水效果好。