何永全,曾祖剛,黃安壽

( 重慶市環(huán)衛(wèi)集團(tuán)有限公司，重慶 401121)

1 前 言

餐廚垃圾具有有機(jī)質(zhì)含量豐富、油脂含量高、易酸化腐敗，易生物降解等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外大多采用厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾，但是單純餐廚垃圾厭氧消化往往存在諸多限制因素[1]。王巧伶[2]研究表明，餐廚垃圾含油量越大，累計(jì)產(chǎn)氣量、干物質(zhì)產(chǎn)氣率、TS去除率等越大，但含油量越大，發(fā)酵周期越長(zhǎng)，對(duì)連續(xù)進(jìn)料厭氧消化影響不利。油脂類中的長(zhǎng)鏈脂肪酸(Long chain fatty acid，LCFA)的濃度過(guò)高，是餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程抑制的主要因素[3]。餐廚垃圾中含量豐富的淀粉、蛋白質(zhì)等有機(jī)物在厭氧消化的短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的揮發(fā)性脂肪酸(violate fatty acids，VFAs)，十分容易造成消化系統(tǒng)中揮發(fā)性脂肪酸的累積，破壞系統(tǒng)平衡[4]。為此，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者建議將餐廚垃圾與市政污泥、糞污、秸稈等原料聯(lián)合進(jìn)行厭氧消化，也提出了不同的最佳配比，但研究多為實(shí)驗(yàn)室小試實(shí)驗(yàn)，周期較短，與工程化應(yīng)用還有很大差異[5～9]。

本研究以重慶市餐廚垃圾和市政污泥為原料進(jìn)行高溫厭氧消化，擬提高厭氧消化系統(tǒng)處理穩(wěn)定性和處理負(fù)荷，避免厭氧消化處理設(shè)施的重復(fù)建設(shè)，為實(shí)際工程化應(yīng)用提供生產(chǎn)和運(yùn)行依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)原料性質(zhì)見(jiàn)下表，分別來(lái)自重慶某餐廚垃圾處理廠和污水處理廠。

表 餐廚垃圾、市政污泥和接種污泥性質(zhì)Tab. Characteristics of restaurant waste, sewage sludge and seed sludge

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

厭氧消化反應(yīng)器(completely Stirred tank Reactor，CSTR)有效容積50m3，采用直入式機(jī)械攪拌方式，反應(yīng)器設(shè)定恒溫(55℃±0.5℃)，水力停留時(shí)間(Hydraulic Retention Time，HRT)為25d，即滿負(fù)荷運(yùn)行每日進(jìn)料量為2.0t/d，反應(yīng)器前端設(shè)有效容積3.0m3的鋼制調(diào)節(jié)池一個(gè)，調(diào)節(jié)池設(shè)有加熱系統(tǒng)，物料在調(diào)節(jié)池停留時(shí)間為12h，溫度50℃。

2.2.2 厭氧消化反應(yīng)器的啟動(dòng)和運(yùn)行

反應(yīng)器調(diào)試和運(yùn)行主要包括三個(gè)階段：一是污泥接種馴化階段，為期15d，其中接種污泥7.8t，一次性投加完成，經(jīng)過(guò)15d的馴化，反應(yīng)器甲烷濃度提升至62%；二是負(fù)荷提升階段，為期77d，該階段以8%含固率的餐廚垃圾為原料，將系統(tǒng)進(jìn)料量提升至2.0t/d，并穩(wěn)定運(yùn)行18d；三是餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧階段，為期87d，該階段將8%含固率餐廚垃圾進(jìn)料量穩(wěn)定在2.0t/d，逐步投加稀釋至8%含固率的市政污泥，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與極限。

2.2.3 監(jiān)測(cè)分析方法

總固體(Total solid，TS)和揮發(fā)性固體(violate solid，VS)采用重量法測(cè)定，每周測(cè)定一次；pH值在每天進(jìn)料前采用PHS-2E酸度計(jì)(上海雷磁，中國(guó))測(cè)定，沼氣成分分析采用GASBOARD-3200在線沼氣分析儀(武漢四方，中國(guó))測(cè)定，每天記錄進(jìn)料2h后的甲烷和硫化氫濃度。總堿度(Total alkalinity concentration，TAC)和揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids，VFAs)計(jì)算[10]，每周測(cè)定2次?？偘钡?Total ammonia nitrogen，TAN)的測(cè)定采用水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[11]，每周測(cè)定1次。

反應(yīng)器揮發(fā)性固體(VS)降解效率計(jì)算公式[12]如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 厭氧消化系統(tǒng)的啟動(dòng)

圖1 厭氧系統(tǒng)接種后各指標(biāo)變化情況Fig.1 Variation of each index after the anaerobic system feeding sludage

由于采用現(xiàn)成的高溫厭氧消化脫水污泥進(jìn)行接種，在接種完成后第2d便開(kāi)始有沼氣產(chǎn)生，期間檢測(cè)厭氧系統(tǒng)pH、總堿度(TAC)與揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)等指標(biāo)如圖1所示。其中pH值一直維持在7.0以上，總堿度、揮發(fā)性脂肪酸和總氨氮隨著時(shí)間的推移都在逐步提升。甲烷濃度從第4d開(kāi)始上升至38.8%，到第7d達(dá)到53.3%，最終穩(wěn)定68.5%。

3.2 餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合厭氧消化過(guò)程分析

反應(yīng)器啟動(dòng)成功后，開(kāi)始以平均TS濃度為8%的餐廚垃圾為原料提升反應(yīng)器有機(jī)容積負(fù)荷，經(jīng)過(guò)77d的運(yùn)行，系統(tǒng)達(dá)到2.0t/d的進(jìn)料設(shè)計(jì)負(fù)荷值，之后開(kāi)始投加市政污泥，市政污泥平均TS濃度為17.8%，按1∶1進(jìn)行配水稀釋，每14d增加0.05t市政污泥，經(jīng)過(guò)87d運(yùn)行，稀釋后市政污泥進(jìn)料量達(dá)到0.6t/d。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，餐廚垃圾混合市政污泥聯(lián)合厭氧后，沼氣產(chǎn)量和甲烷濃度較單純餐廚垃圾厭氧消化均有提高，沼氣產(chǎn)量最高達(dá)到248m3/d，平均甲烷濃度達(dá)到63.5%，沼氣中硫化氫濃度隨著污泥進(jìn)料的增加和時(shí)間的逐步下降至579ppm，但在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?，沼氣產(chǎn)量和甲烷濃度則出現(xiàn)了嚴(yán)重下滑。

從圖2不同厭氧消化階段沼氣產(chǎn)量與VS降解率對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)單純餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中，平均VS降解率為87.4%。餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合厭氧過(guò)程VS平均降解率僅81.7%，在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢冢琕S降解率下降至75%。沼氣產(chǎn)量方面，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到2.0t/d餐廚垃圾進(jìn)料量后，平均產(chǎn)氣量為143m3/d，且在實(shí)驗(yàn)后期日產(chǎn)氣量波動(dòng)較大，而聯(lián)合厭氧過(guò)程平均沼氣產(chǎn)量為192m3/d，最大產(chǎn)氣量為233m3/d，當(dāng)8%含固率的污泥進(jìn)料量達(dá)到0.6t/d以后，產(chǎn)氣量驟降，最終下降至99m3/d，說(shuō)明市政污泥投加量達(dá)到了系統(tǒng)處理極限。通過(guò)對(duì)比反應(yīng)器運(yùn)行前后物料組合變化不難發(fā)現(xiàn)，單純餐廚垃圾厭氧消化雖然VS降解率較高，但是在沼氣產(chǎn)量以及反應(yīng)器穩(wěn)定性方面均不如聯(lián)合厭氧消化。在餐廚垃圾進(jìn)料量穩(wěn)定在2.0t/d條件下，8%含固率的市政污泥進(jìn)料量低于0.5t/d時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。

甲烷和硫化氫濃度變化方面，圖3對(duì)比發(fā)現(xiàn)，添加市政污泥后厭氧消化系統(tǒng)的平均甲烷濃度達(dá)到了63.3%，而單純餐廚垃圾厭氧消化的平均甲烷濃度僅為58.2%，硫化氫濃度隨著污泥進(jìn)料量的增大逐步下降，最終為579ppm，說(shuō)明市政污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧可以在一定程度上提升甲烷濃度，同時(shí)降低硫化氫濃度。甲烷濃度的上升主要由于餐廚垃圾中添加一定市政污泥后，起到了平衡營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低了反應(yīng)器體系酸化風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的緩沖能力和穩(wěn)定性。黃月[13]等人研究表明，餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中添加適量的污泥可以提升反應(yīng)器內(nèi)厭氧微生物的脫氫酶酶活性。而硫化氫濃度的降低可能主要是市政污泥中含有一定的金屬離子，在厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的硫化氫與金屬離子發(fā)生化學(xué)沉淀，保留在剩余污泥中。國(guó)內(nèi)不少研究表明，市政污泥中一定量的金屬離子能夠有效抑制厭氧消化過(guò)程中硫化氫的產(chǎn)生[14-15]。

圖2 不同厭氧消化階段沼氣產(chǎn)氣量與VS降解率對(duì)比Fig.2 Comparison of gas production and VS degradation in different stages of anaerobic digestion

圖3 不同厭氧消化階段甲烷和硫化氫濃度變化對(duì)比Fig.3 Comparison of hydrogen sulfide and methane in different stages of anaerobic digestion

圖4 不同厭氧消化階段反應(yīng)器內(nèi)TS和VS對(duì)比Fig.4 Comparison of TS and VS in digester in different stages of anaerobic digestion

厭氧消化反應(yīng)器中TS和VS變化趨勢(shì)如圖4所示。從圖4可以看出，單純餐廚垃圾原料厭氧消化過(guò)程中TS和VS的變化幅度較為平緩，隨著市政污泥的加入，反應(yīng)器TS濃度逐漸增加，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的末端，TS濃度達(dá)到了3.3%，VS濃度在市政污泥進(jìn)料達(dá)到0.5t/d時(shí)，上升幅度較為緩慢，當(dāng)達(dá)到0.6t/d以后，VS濃度快速上升至2.0%。這主要是由于市政污泥中含有較多不可生物降解物質(zhì)，隨著市政污泥的比例增加，物料在反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時(shí)間(HRT)從設(shè)計(jì)的25d逐步縮短至19.2d，從而造成系統(tǒng)的VS降解率下降，反應(yīng)器內(nèi)TS、VS指標(biāo)的上升。通過(guò)圖5反應(yīng)器TAC、VFAs和TAN指標(biāo)監(jiān)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律，當(dāng)稀釋后的市政污泥進(jìn)料量達(dá)到0.6t/d時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)VFAs濃度上升速度非常明顯?？偘钡?TAN)濃度隨著市政污泥進(jìn)料量的提升呈線性增長(zhǎng)，最終達(dá)到4 381mg/L。餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合厭氧在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诔霈F(xiàn)的沼氣產(chǎn)量和甲烷濃度下降的原因可能是由于總氨氮濃度過(guò)高，使得反應(yīng)器系統(tǒng)中的甲烷菌活性受到了抑制，當(dāng)甲烷菌活性受到抑制后，系統(tǒng)揮發(fā)性脂肪酸快速上升。氨氮對(duì)厭氧消化體系的抑制主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈抑制產(chǎn)甲烷菌活性，因自由氨具有細(xì)胞膜自由滲透性，可通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入細(xì)胞，引起細(xì)胞質(zhì)酸化、質(zhì)子不平衡及K+流失等，產(chǎn)甲烷菌活性的抑制使得揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)大量積累，進(jìn)一步造成pH劇烈下降。這與高樹(shù)梅[16]研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

分析得知，在保證厭氧消化反應(yīng)器水力停留時(shí)間(HRT)20d以上的條件下，采用餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合厭氧可以提升反應(yīng)器的處理負(fù)荷、運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高沼氣產(chǎn)量、沼氣中甲烷濃度以及降低沼氣中硫化氫濃度；餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合高溫厭氧最佳的混合比例為4∶1，平均沼氣產(chǎn)量可以增加34.2%，平均甲烷濃度增加8.1%，平均硫化氫濃度下降65%。市政污泥投加比例過(guò)低或過(guò)高都無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理能力和效率的最大化。

通過(guò)餐廚垃圾與市政污泥聯(lián)合高溫厭氧消化中試實(shí)驗(yàn)，日常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)分別為總堿度(TAC)、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、總氨氮(TAN)，在滿負(fù)荷運(yùn)行條件下反應(yīng)器內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)濃度分別為9 000mg/L、2 000mg/L、3 500mg/L左右。

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