彭明國(guó)，朱衛(wèi)兵，杜爾登，史東曉，張進(jìn)鋒，李月中

（1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213002；2.江蘇維爾利環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆K 常州 213125；3.常州市生活廢棄物處理中心，江蘇 常州 213171）

1 材料與方法

1.1 餐廚垃圾

樣品為某餐館餐廚垃圾、菜場(chǎng)果蔬垃圾混合物，垃圾成分包括米飯、豬肉、魚(yú)蝦、果蔬菜葉等，經(jīng)手工篩選除去其中的骨頭、筷子等大塊雜質(zhì)，保存待用。測(cè)定其固體含量為11.3%，SS為44.3%，密度1.13 kg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的組合式厭氧消化裝置，包括機(jī)械反應(yīng)器、厭氧反應(yīng)器，工藝裝置示意見(jiàn)圖1。機(jī)械反應(yīng)器是1臺(tái)臥式裝置，帶有攪拌葉片，有效容積5 m3，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾破碎成漿預(yù)處理功能；厭氧反應(yīng)器是工藝主體設(shè)備，鋼結(jié)構(gòu)罐體，直徑4.0 m，有效容積30 m3，內(nèi)部有PE帶狀填料，占有效容積的30%，反應(yīng)器上升流速0.8 m/h，此外部分厭氧消化出水回流至機(jī)械反應(yīng)器，對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行淋洗，餐廚垃圾中的有機(jī)組分在機(jī)械攪拌和消化回流液的作用下進(jìn)行酸化水解，并溶入消化回流液。另一部分消化出水外排至填埋場(chǎng)滲瀝液處理站集中處置，厭氧消化產(chǎn)生的沼氣收集利用。

圖1 組合工藝示意

1.3 分析項(xiàng)目與方法

沼氣成分分析采用紅外測(cè)定法（北斗星氣體分析儀）；VFA（揮發(fā)性脂肪酸）以酚酞指示劑滴定法測(cè)定?；瘜W(xué)需氧量（COD） 檢測(cè)方法為GB 11914—1989重鉻酸鉀氧化法；pH檢測(cè)用玻璃電極法；氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在組合反應(yīng)初始啟動(dòng)階段，往厭氧反應(yīng)器中倒入4.0 t污水廠厭氧消化污泥，啟動(dòng)期間不進(jìn)行厭氧消化液回流。機(jī)械反應(yīng)器加入一定體積餐廚垃圾，破碎成漿液后，采用間歇方式進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器，控制每天進(jìn)料次數(shù)和時(shí)間，逐漸提升容積負(fù)荷，并保持穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)20 d，厭氧反應(yīng)器中所產(chǎn)生沼氣甲烷含量提升至70%以上并趨于穩(wěn)定，表明厭氧反應(yīng)器馴化完成，組合工藝啟動(dòng)完畢。

在實(shí)驗(yàn)階段，根據(jù)工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)和餐廚垃圾的特點(diǎn)，采用間歇一次性進(jìn)料方式，即一次連續(xù)把5 t餐廚垃圾提升倒入機(jī)械反應(yīng)器，中途不再加料。考察一次間歇反應(yīng)周期內(nèi)，厭氧反應(yīng)器出水水質(zhì)、產(chǎn)氣等指標(biāo)變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 間歇反應(yīng)中COD的變化

一次性進(jìn)料就是一次連續(xù)把餐廚垃圾倒入機(jī)械反應(yīng)器，中途不再加料，直至出渣。本研究共進(jìn)行了3個(gè)批次試驗(yàn)，每次間歇實(shí)驗(yàn)中，餐廚垃圾投入量為5．0 t，機(jī)械反應(yīng)器出水進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器，成為厭氧反應(yīng)器進(jìn)水。厭氧消化液回流比為9．8。機(jī)械反應(yīng)器攪拌器轉(zhuǎn)速為2 r/min，厭氧反應(yīng)器容積負(fù)荷為2．4 kg/（m3·d）。3個(gè)批次間歇試驗(yàn)厭氧反應(yīng)器進(jìn)水和出水COD見(jiàn)圖2。

圖2 厭氧反應(yīng)器進(jìn)水、出水COD濃度變化

從圖2可以看出，在反應(yīng)初期厭氧反應(yīng)器進(jìn)水COD呈上升趨勢(shì)，厭氧反應(yīng)器進(jìn)水來(lái)自機(jī)械反應(yīng)器的出水，機(jī)械反應(yīng)器中的餐廚垃圾有機(jī)物在攪拌和消化回流液的作用下將有機(jī)垃圾處理成漿料，漿料中的有機(jī)組分進(jìn)一步水解酸化并溶入水中，游離態(tài)的油脂在微生物胞外酶的作用下水解成可溶態(tài)油脂，并由長(zhǎng)鏈大分子裂解成短鏈有機(jī)酸，因此COD逐漸升高，在反應(yīng)第3天時(shí)達(dá)到最高值，為117 000 mg/L。隨著微生物的不斷生長(zhǎng)繁殖，微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解速度隨之升高，小分子可溶性有機(jī)物被微生物氧化分解，有機(jī)質(zhì)不斷被降解，厭氧反應(yīng)器進(jìn)水COD開(kāi)始下降，第6天降低到35 000～55 000 mg/L。

此外，厭氧反應(yīng)器出水COD較穩(wěn)定，保持在8 000～13 000 mg/L，這表明厭氧反應(yīng)器具有較大的耐沖擊負(fù)荷能力，將出水COD保持在穩(wěn)定范圍。

2.2 間歇反應(yīng)中VFA的變化

揮發(fā)性脂肪酸（VFA）是厭氧微生物新陳代謝活動(dòng)的重要指標(biāo)。從圖3可以看出，厭氧反應(yīng)器進(jìn)水VFA濃度在第2天達(dá)到最大6 000 mg/L左右，表明此時(shí)機(jī)械反應(yīng)器內(nèi)水解酸化作用顯著，出現(xiàn)VFA的累積。隨著能被水解酸化的有機(jī)物逐漸減小，水解酸化反應(yīng)逐漸趨于平緩，使得VFA濃度逐漸降低，在第6天降低到2 000～3 500 mg/L。而厭氧反應(yīng)器出水VFA基本穩(wěn)定在50～150 mg/L，表明厭氧反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

圖3 厭氧反應(yīng)器進(jìn)水、出水VFA濃度變化

2.3 間歇反應(yīng)中pH的變化

pH作為一個(gè)重要的環(huán)境因素，不僅能夠影響微生物酶的活性，也能夠決定揮發(fā)酸的存在形態(tài)［1］。餐廚垃圾分散性差、密度大、孔隙容易被壓縮，容易在內(nèi)部形成厭氧區(qū)，加上機(jī)械反應(yīng)器內(nèi)部水解酸化作用顯著，這使得機(jī)械反應(yīng)器內(nèi)部常處于酸性環(huán)境，厭氧反應(yīng)器進(jìn)水呈酸性，pH為5～6。隨著反應(yīng)進(jìn)程的進(jìn)行，微生物分解作用下形成的小分子有機(jī)酸被微生物所吸收，而此時(shí)含氮物質(zhì)被分解生成的氨氮未被微生物合成利用完全，使機(jī)械反應(yīng)器的出水pH略有升高，第6天時(shí)厭氧反應(yīng)器進(jìn)水呈中性。厭氧反應(yīng)器中pH變化見(jiàn)圖4。

圖4 厭氧反應(yīng)器進(jìn)水、出水pH變化

在厭氧反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行消化反應(yīng)，不同的微生物要求不同的pH，過(guò)高或過(guò)低的pH對(duì)微生物代謝有明顯影響。產(chǎn)甲烷菌對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的pH極為敏感，甲烷菌最適宜的pH為6．8～7．5，若pH＜6．3，將使二氧化碳增加，促使大量水溶性有機(jī)酸和硫化氫產(chǎn)生，硫化物含量的增加會(huì)抑制甲烷菌生長(zhǎng)；若pH＞7．8，NH4+轉(zhuǎn)變成非離子化的NH3，會(huì)產(chǎn)生毒性抑制［2］。從圖4可以看出，在厭氧反應(yīng)器間歇運(yùn)行的6 d內(nèi)，厭氧反應(yīng)器內(nèi)部pH基本在7．6左右波動(dòng)，pH變化不大，說(shuō)明系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗外界干擾的緩沖能力。

2.4 間歇反應(yīng)中氨氮的變化

在間歇反應(yīng)中，進(jìn)水、出水氨氮隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸增加。在6 d間歇反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，厭氧反應(yīng)區(qū)進(jìn)水氨氮從60 mg/L增加到80 mg/L左右；而厭氧反應(yīng)器出水氨氮從80 mg/L增加到130 mg/L左右，如圖5所示。餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中，氨氮的產(chǎn)生主要來(lái)自蛋白質(zhì)、氨基酸及其它含氮有機(jī)物的降解。由于厭氧微生物的細(xì)胞增殖較少，故只有很少的氮素轉(zhuǎn)化為細(xì)胞，大部分可生物降解的有機(jī)氮都被還原為氨氮，因此厭氧反應(yīng)器出水的氨氮濃度比進(jìn)水中的氨氮濃度高。

圖5 厭氧反應(yīng)器進(jìn)水、出水氨氮濃度變化

2.5 鹽分的影響

餐廚垃圾中含有較高的鹽分。通常認(rèn)為，低濃度無(wú)機(jī)鹽對(duì)微生物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，但是高濃度鹽分反而抑制微生物生長(zhǎng)。無(wú)機(jī)鹽對(duì)微生物的生長(zhǎng)抑制主要表現(xiàn)在微生物外界中滲透壓較高，微生物細(xì)胞失水，降低微生物代謝酶活性，從而引起細(xì)胞壁分離，甚至死亡［3］。研究表明當(dāng)厭氧消化系統(tǒng)中鈉鹽濃度超過(guò)5 000 mg/L時(shí)就會(huì)抑制厭氧消化進(jìn)程。間歇反應(yīng)過(guò)程中對(duì)鈉鹽含量進(jìn)行了分析，結(jié)果為762.8 mg/L。因此鹽分并不會(huì)抑制產(chǎn)甲烷微生物活性，干擾厭氧消化進(jìn)程。

2.6 間歇反應(yīng)沼氣產(chǎn)生情況

經(jīng)過(guò)3次間歇反應(yīng)，共產(chǎn)生沼氣1 380.3 m3，平均產(chǎn)沼系數(shù)為0.35 m3/kg。餐廚垃圾產(chǎn)氣量以及產(chǎn)沼系數(shù)等見(jiàn)表1。

表1 間歇反應(yīng)沼氣產(chǎn)生情況

此外在間歇反應(yīng)過(guò)程中，所產(chǎn)生沼氣的CH4含量為71%～79%，基本保持穩(wěn)定。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)每批次試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的CH4含量低于試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的數(shù)值，這可能是由于起始階段VFA對(duì)厭氧環(huán)境的沖擊引起的，微生物逐漸適應(yīng)后CH4含量穩(wěn)步增加，甲烷含量的逐漸增加表明甲烷菌活性逐漸增強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1） 在1個(gè)間歇反應(yīng)周期內(nèi)，厭氧反應(yīng)器進(jìn)水COD、VFA濃度呈現(xiàn)先增加后逐漸減小的趨勢(shì)；厭氧反應(yīng)器出水COD、VFA濃度保持穩(wěn)定，厭氧反應(yīng)器具有較強(qiáng)的負(fù)荷緩沖能力。

2） 3次間歇反應(yīng)共產(chǎn)生沼氣1 380.3 m3，平均產(chǎn)沼系數(shù)為0.35 m3/kg，沼氣含量在71%～79%，且保持穩(wěn)定。

3）間歇式厭氧生物組合工藝在對(duì)餐廚垃圾處理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用，為餐廚垃圾厭氧消化工藝的工程化應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

［1］張玉靜，蔣建國(guó)，王佳明.pH值對(duì)餐廚垃圾厭氧產(chǎn)酸的影響［J］.中國(guó)給水排水，2013，29（1）：30-33.

［2］Tampio E，Ervasti S，Paavola T，et al.Anaerobic digestion of autoclaved and untreated food waste［J］.Waste Manage，2014，34 （2）：370-377.

［3］馬磊，王德漢，曾彩明.餐廚垃圾的干式厭氧消化處理技術(shù)初探［J］.中國(guó)沼氣，2007，25（1）：27-30.