鄧國平，任玉森，李杰偉，孫業(yè)政

東江環(huán)保股份有限公司，廣東 深圳 518104

餐廚垃圾市政污泥聯(lián)合厭氧消化處理技術(shù)

鄧國平，任玉森，李杰偉，孫業(yè)政

東江環(huán)保股份有限公司，廣東 深圳 518104

餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)濃度高，在厭氧消化處理過程中容易致系統(tǒng)酸化而導(dǎo)致消化系統(tǒng)中止。采用餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合厭氧消化技術(shù)解決餐廚垃圾消化條件難控制的問題。結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在進(jìn)料總固體(TS)濃度為10％左右，水力停留時(shí)間(HRT)為20 d，堿度控制在6 000～8 000 mgL時(shí)，餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合厭氧消化能穩(wěn)定運(yùn)行，且有機(jī)負(fù)荷達(dá)到5.29 g(L·d)，沼氣產(chǎn)量達(dá)1.03 Lg〔以揮發(fā)性固體(VS)計(jì)〕，沼氣中的甲烷濃度在59％以上。

餐廚垃圾；市政污泥；聯(lián)合厭氧消化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，餐廚垃圾占城市生活垃圾總量的50％以上[1]。餐廚垃圾的主要成分為水分、糖類、蛋白質(zhì)、脂類和鹽分等，易腐敗、變臭，直接影響城市的市容衛(wèi)生，導(dǎo)致蟲害、鼠害甚至疾病傳播；更為嚴(yán)重的是，部分餐廚垃圾未經(jīng)處理成為廉價(jià)飼料而流向養(yǎng)豬場(chǎng)，威脅民眾的生命健康[2]。另外，城鎮(zhèn)市政污泥含水率較高，產(chǎn)量巨大，處理難度高，給環(huán)保工作帶來巨大的挑戰(zhàn)[3]。目前深圳市城市市政污泥主要采用固化衛(wèi)生填埋處理處置，該方法通過添加固化劑不僅增加了填埋廢物量，同時(shí)也占用著日趨緊張的土地資源[4]。餐廚垃圾與市政污泥具有有機(jī)質(zhì)濃度高、含水量大(近80％)的特點(diǎn)，因此，該類廢物具有很高的生物質(zhì)價(jià)值利用潛力，目前國內(nèi)外普遍采用厭氧消化技術(shù)對(duì)該類廢物進(jìn)行資源化處理[5]。厭氧消化生成的沼氣燃燒產(chǎn)生電能和熱能，電能可并網(wǎng)供居民使用，熱能可用于沼渣烘干脫水，提高沼渣的商品有機(jī)肥價(jià)值，真正實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢物的資源化、減量化和無害化。

厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展歷史較長(zhǎng)，但在處理高固體濃度、高有機(jī)質(zhì)濃度廢物(如餐廚垃圾)的過程中仍存在很多問題[6]，如餐廚垃圾單獨(dú)消化處理時(shí)極易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，處理效率低(負(fù)荷低)等，集中表現(xiàn)為：1)餐廚垃圾固體濃度高，流動(dòng)性差，因此進(jìn)料、攪拌和出料等工藝步驟執(zhí)行較困難；2)反應(yīng)器中單位體積的有機(jī)物濃度遠(yuǎn)高于有機(jī)廢水，即單位體積中需要降解的物質(zhì)多，從而使料液的酸性升高，導(dǎo)致酸化，又稱“酸中毒”，酸化將使厭氧反應(yīng)過程停止；3)反應(yīng)器內(nèi)的料液與微生物充分、均一接觸的難度遠(yuǎn)大于有機(jī)廢水[7-9]。這些因素影響了餐廚垃圾處理的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[10]，導(dǎo)致市政有機(jī)固體廢物厭氧發(fā)酵的裝置成本較高，設(shè)計(jì)難度較大，發(fā)酵工藝相對(duì)復(fù)雜。筆者擬采用餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合厭氧消化技術(shù)解決餐廚垃圾消化難控制的問題。

1 材料與方法

1.1 材料

餐廚垃圾來自深圳市某垃圾填埋場(chǎng)，其各項(xiàng)理化指標(biāo)如表1所示；市政污泥來自深圳市某污水處理廠，其主要理化指標(biāo)如表2所示。其中污染物指標(biāo)均滿足GB 4284—84《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》要求。

表1 餐廚垃圾理化指標(biāo)

注：總氮濃度約為蛋白質(zhì)濃度的16％。

表2 濱河污水處理廠市政污泥主要理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

將厭氧消化處理進(jìn)料基質(zhì)的含水量均調(diào)整為(10±2)％。厭氧消化反應(yīng)器容積50 L，攪拌強(qiáng)度、溫度(35 ℃)、pH由智能控制系統(tǒng)控制，試驗(yàn)過程中的各指標(biāo)分析均由深圳市華?？萍加邢薰境袚?dān)。試驗(yàn)中，厭氧系統(tǒng)經(jīng)馴化培養(yǎng)運(yùn)行6個(gè)月后，采取分階段逐步提高餐廚垃圾有機(jī)負(fù)荷和提高市政污泥比例的方法，進(jìn)行餐廚垃圾聯(lián)合市政污泥厭氧消化試驗(yàn)。試驗(yàn)分4個(gè)階段(表3)：第1階段為單一消化餐廚垃圾，有機(jī)負(fù)荷為2.34 g(L·d)條件下穩(wěn)定運(yùn)行約30 d后提高有機(jī)負(fù)荷至3.50 g(L·d)運(yùn)行約10 d，因有機(jī)負(fù)荷提高后系統(tǒng)不能正常運(yùn)行而中止第1階段試驗(yàn)。為解決該問題采取了添加市政污泥的方案，在系統(tǒng)恢復(fù)正常后進(jìn)行了餐廚垃圾與市政污泥的配比試驗(yàn)。將餐廚垃圾與市政污泥按質(zhì)量比為2∶1混合后進(jìn)行第2階段試驗(yàn)，此時(shí)有機(jī)負(fù)荷為3.79 g(L·d)，HRT為25 d；運(yùn)行后期由于氨氮濃度過高重新進(jìn)行了配比調(diào)整，將餐廚垃圾與市政污泥質(zhì)量比調(diào)整為1∶1進(jìn)行第3階段試驗(yàn)，有機(jī)負(fù)荷為3.77 g(L·d)，HRT為25 d；第4階段餐廚垃圾與市政污泥配比不變(1∶1)，提高有機(jī)負(fù)荷至5.29 g(L·d)，HRT為20 d。

表3 厭氧消化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 pH與揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度變化

試驗(yàn)過程中每天監(jiān)測(cè)pH，每3～4 d監(jiān)測(cè)一次VFA濃度，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，第1階段在低有機(jī)負(fù)荷〔2.34 g(L·d)〕時(shí)，餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化的pH和VFA濃度均較穩(wěn)定；當(dāng)提高餐廚垃圾有機(jī)負(fù)荷〔3.50 g(L·d)〕時(shí)，pH低于系統(tǒng)正?？刂品秶霈F(xiàn)酸化，VFA濃度也急劇升高到近5 000 mgL，說明當(dāng)有機(jī)負(fù)荷提高時(shí)，酸化現(xiàn)象影響發(fā)酵系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。而在添加市政污泥后的第2、第3和第4階段(40 d以后)試驗(yàn)中，pH(6.80～7.60)與VFA濃度(2 000～3 000 mgL)基本保持在系統(tǒng)正常運(yùn)行的范圍。

圖1 聯(lián)合厭氧消化系統(tǒng)pH和VFA濃度變化Fig.1 pH and VFA of anaerobic digestion system

為了保證反應(yīng)器內(nèi)有足夠濃度的厭氧菌，pH通常應(yīng)維持在7.0～7.5，以滿足厭氧菌的最佳生長(zhǎng)代謝環(huán)境[11]，通常穩(wěn)定的厭氧反應(yīng)體系中pH可通過厭氧反應(yīng)中的產(chǎn)酸反應(yīng)和產(chǎn)甲烷反應(yīng)平衡。但當(dāng)產(chǎn)酸反應(yīng)速率大于產(chǎn)甲烷化速率，則出現(xiàn)有機(jī)酸的積累，pH降低，而低pH抑制了甲烷化反應(yīng)，加劇了有機(jī)酸的積累，形成有機(jī)酸濃度增加的惡性循環(huán)[12]。為維持系統(tǒng)穩(wěn)定的pH，在應(yīng)急情況下可采用加堿中和等手段。

2.2 氨氮濃度及堿度變化

餐廚垃圾市政污泥聯(lián)合消化系統(tǒng)每3～4 d監(jiān)測(cè)一次氨氮濃度及堿度，其變化如圖2所示。由圖2可知，隨著厭氧消化系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)停留時(shí)間的縮短(有機(jī)負(fù)荷提高)，在第2階段(40～60 d)明顯檢測(cè)到氨氮濃度有積累升高的趨勢(shì)，從約1 500 mgL升高到約2 500 mgL，最終導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不正常。分析認(rèn)為是由于氨氮濃度過高對(duì)厭氧菌的生物活性有抑制的作用，但抑制濃度的閾值和抑制的程度均沒有一定的標(biāo)準(zhǔn)，通常認(rèn)為氨氮濃度在2 000 mgL時(shí)就會(huì)產(chǎn)生明顯的抑制效果[13]。第3和第4階段(65～110 d)在同樣的有機(jī)負(fù)荷條件下，通過增加市政污泥的添加比例，氨氮濃度能有效地降低至正常的范圍。

圖2 氨氮濃度和堿度變化Fig.2 The comcentraion of ammonia and alkalinity in anaerobic digestion system

根據(jù)任南琪等[11]的研究可知，正常運(yùn)行的厭氧反應(yīng)器堿度為小于5 000 mgL，而在該試驗(yàn)中，厭氧消化系統(tǒng)的堿度從開始的7 729 mgL降到最后的6 758 mgL，比正常堿度值要高出30％左右。隨著有機(jī)負(fù)荷的提高，整個(gè)過程的堿度略有降低，但均比較穩(wěn)定。

2.3 厭氧消化沼氣變化

餐廚垃圾和市政污泥通過厭氧消化反應(yīng)，其中的大部分有機(jī)碳在微生物的作用下轉(zhuǎn)化成沼氣(主要含二氧化碳和甲烷，占99％)，沼氣中常含有少量硫化氫，是由厭氧消化蛋白質(zhì)(蛋白質(zhì)中含二硫鍵)產(chǎn)生的，沼氣的產(chǎn)率以及沼氣中甲烷濃度直接反應(yīng)厭氧消化體系進(jìn)程[14]。沼氣產(chǎn)率通過濕式流量計(jì)檢測(cè)，沼氣中的甲烷用堿吸收法測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖3所示。由表4和圖3可知，餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合消化沼氣產(chǎn)氣量隨有機(jī)負(fù)荷的增加而增加，而沼氣中的甲烷濃度有所降低。

表4 厭氧系統(tǒng)沼氣產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)

圖3 厭氧系統(tǒng)沼氣產(chǎn)率變化Fig.3 The productivity of biogas from anaerobic digestion

2.4 TS濃度變化

厭氧消化基質(zhì)進(jìn)料和出料的固體濃度不但是厭氧反應(yīng)的重要控制因素，其變化值也是厭氧消化效率高低的重要衡量指標(biāo)[15]，該試驗(yàn)4個(gè)階段平均TS濃度變化如表5所示。

由表5可知，餐廚垃圾和市政污泥中的有機(jī)質(zhì)濃度較高〔VS(揮發(fā)性固體)TS達(dá)到80％以上〕，單獨(dú)消化處理餐廚垃圾TS去除率可達(dá)71.70％，與市政污泥聯(lián)合消化去除率約60％。通過聯(lián)合消化技術(shù)，可使有機(jī)負(fù)荷從單獨(dú)消化的2.34 g(L·d)提高到5.29 g(L·d)；沼氣產(chǎn)率也可從0.78 Lg提高到1.03 Lg，提高了32.05％。

表5 餐廚垃圾市政污泥厭氧消化固體物料統(tǒng)計(jì)分析

1)VS為揮發(fā)性固體；TS為總固體。

3 結(jié)論

(1)利用餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合消化不僅能起到以廢治廢的目的，更重要的是能解決餐廚垃圾單獨(dú)消化出現(xiàn)的酸化現(xiàn)象，使厭氧消化系統(tǒng)的pH維持在6.80～7.60；當(dāng)餐廚垃圾與市政污泥質(zhì)量比為1∶1時(shí)，氨氮濃度維持在1 500～2 000 mgL，系統(tǒng)可正常運(yùn)行。

(2)餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合消化有效地提高了厭氧消化系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷率，有機(jī)負(fù)荷從單獨(dú)消化的2.34 g(L·d)提高到聯(lián)合消化的5.29 g(L·d)。有機(jī)負(fù)荷的提高縮短了反應(yīng)停留時(shí)間(20 d)，極大地提高了設(shè)備設(shè)施的利用效率，可為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)處理提供參考。

(3)聯(lián)合消化同時(shí)提高了系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)氣量，單位TS產(chǎn)氣量從單獨(dú)消化的0.78 Lg提高到聯(lián)合消化的1.03 Lg，提高了32.05％。

[1]陶淵,黃興華.城市生活垃圾綜合處理導(dǎo)論[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2]梁政,楊勇華,樊洪,等.廚余垃圾處理技術(shù)及綜合利用研究[J].中國資源綜合利用,2004,8(4):36-38.

[3]許曉萍.我國市政污泥處理現(xiàn)狀與發(fā)展探析[J].江西化工,2010(4):24-31.

[4]馮明謙,羅萬申,蔣嶺,等.深圳特區(qū)的污泥處置規(guī)劃[J].中國給排水,2003(6):15-16.

[5]石磊.微生物發(fā)酵技術(shù)處理食品廢棄物研究[D].上海:華東理工大學(xué)工程系,2003.

[6]王星,王德漢,李俊費(fèi),等.餐廚垃圾的厭氧消化技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].中國沼氣,2006,24(2):35-40.

[7]蔣建國,吳時(shí)要,隋繼超,等.易腐有機(jī)垃圾單級(jí)高固體厭氧消化實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(4):1103-1107.

[8]蒲紅艷.餐廚垃圾生物降解若干問題實(shí)驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006:15-25.

[9]DEARMAN B,BENTHAM R H.Anaerobic digestion of food waste: comparing leachate exchange rates in sequential batch systems digesting food waste and biosolids[J].Waste Management,2007,27:1792-1799.

[10]LIM S-J,KIM B J,JEONG C-M.Anaerobic organic acid production of food waste in once-a-day feeding and drawing-off bioreactor[J].Bioresource Technology,2008,99:7866-7874.

[11]任南琪,王愛杰.厭氧生物技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:30.

[12]STABNIKOVA O,LIU X-Y,WANG J-Y.Anaerobic digestion of food waste in a hybrid anaerobic solid-liquid system with leachate recirculation in an acidogenic reactor[J].Biochemical Engineering J,2008,41(2):198-201.

[13]張波,徐劍波,蔡偉民.有機(jī)廢物厭氧消化過程中氨氮的抑制性影響[J].中國沼氣,2003,21(1):46-48.

[14]WILKIE A C,SMITH P H,BORDEAUX F M.An economical bioreactor for evaluating biogas potential of particulate biomass[J].Bioresource Technology,2004,92:103-109.

[15]ZHANG R-H, EL-MASHAD H M, HARTMAN K,et al.Characterization of food waste as feed stock for anaerobic digestion[J].Bioresource Technology , 2007,98(4):929-935. ○

ResearchonAnaerobicCo-digestionofFoodWasteandSewageSludge

DENG Guo-ping, REN Yu-sen, LI Jie-wei, SUN Ye-zheng

Dongjiang Environment Co., Ltd., Shenzhen 518104, China

The organic matter content of food waste is high and can easily cause system acidification and suspension in the process of anaerobic digestion. The anaerobic co-digestion technology to jointly treat food waste and sewage sludge was studied, which could well solve the difficulty of controlling the food waste digestion conditions. The results showed that the anaerobic co-digestion of food waste and sewage sludge could run steadily when the total solid(TS) content of the feeding waste was about 10％, hydraulic retention time(HRT) being 20 d, and alkalinity controlled between 6 000-8 000 mgL. And under these conditions, the organic loading rate reached 5.29 g(L·d), the biogas production rate reached 1.03 Lg (calculated by volatile solid(VS)) and the methane content in biogas was more than 59％.

food waste; sewage sludge; anaerobic co-digestion

1674-991X(2013)02-0179-04

2012-09-06

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(JSA200903201352A)

鄧國平(1981—)，男，工程師，碩士研究生，主要從事環(huán)境生物應(yīng)用技術(shù)研究，dgp@dongjiang.com.cn

X53

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.029