吳長淋

(上海華勵振環(huán)?？萍加邢薰?，上海 200092)

國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2006年～2016年,我國生活垃圾清運量從1.5億t/年上升到2億t/年，呈逐年上升趨勢。大量的生活垃圾給城市發(fā)展和社會環(huán)境造成極大負(fù)擔(dān)，推行生活垃圾分類收集是實現(xiàn)源頭減量化的根本途徑。上海、北京、廣州、杭州等一些大型城市在垃圾分類收集上出臺了多項政策并取得了一定的成效，以上海為例，推行綠色賬戶，設(shè)立生活垃圾分類收集小區(qū)試點，將家庭廚房內(nèi)的有機垃圾單獨收集，分類形成“家庭濕垃圾”(也稱為“家庭廚余”)和“家庭干垃圾”，實現(xiàn)生活垃圾減量化。家庭濕垃圾經(jīng)過破袋、分選、擠壓等多種前處理手段后，可將濕垃圾分成輕物質(zhì)組分(再利用或者焚燒)、重物質(zhì)組分(再利用或者填埋)及大量的高濃度固體廢棄物有機滲濾液(資源化利用)。針對高濃度的固體廢棄物有機滲濾液，主要處理工藝為單獨厭氧生物處理和混合厭氧生物處理[1-2]。

厭氧生物處理工藝根據(jù)廢物中有機固體濃度的高低，可以分為干法厭氧消化工藝、半干法厭氧消化工藝和濕法厭氧消化工藝。干法厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)料的總固體(TS)濃度在20%～40%[3-4]；半干法厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)料的TS濃度在10%～20%[5-7]；濕法厭氧消化工藝、干法厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)料的TS濃度通常低于10%，進(jìn)料要用水作稀釋處理。采用半干法工藝處理高濃度固體廢棄物有機滲濾液，無需對進(jìn)料進(jìn)行稀釋處理，具有容積負(fù)荷高、占地省、能耗低等優(yōu)點。

本文采用自制試驗設(shè)備，對半干法厭氧生物處理高濃度固體廢棄物有機滲濾液的工藝展開研究，探討了半干法厭氧反應(yīng)器的快速啟動方式，厭氧反

應(yīng)器運行的參數(shù)控制，最大容積負(fù)荷和反應(yīng)器殘渣特性，為我國分類后生活垃圾預(yù)處理形成的固體廢棄物有機滲濾液工程化處理處置提供了技術(shù)支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

半干法厭氧反應(yīng)器的示意圖如圖1所示。

反應(yīng)器長度為1 m，圓柱體，圓柱體為雙層結(jié)構(gòu)。內(nèi)筒直徑為0.25 m，主體是螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋片直徑為0.24 m，螺旋間距為0.1 m；外筒直徑為0.35 m，內(nèi)筒和外筒密閉，中間填充水作為水浴加熱。進(jìn)料口、出料口、采氣口和取樣口均穿過外筒與內(nèi)筒連接，進(jìn)料口、出料口直徑為50 mm，采氣口和取樣直徑為10 mm。氣體從反應(yīng)器產(chǎn)出后進(jìn)入濕式流量計，記錄沼氣產(chǎn)量，之后通過40%氫氧化鈉吸收液(定期更新)，進(jìn)入濕式流量計，記為甲烷產(chǎn)量。定期從出料口和取樣口采樣進(jìn)行樣品分析。

圖1 固體廢棄物有機滲濾液半干法厭氧反應(yīng)器示意圖Fig.1 Semi-Dry Anaerobic Reactor

采用接種的方式實現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動，反應(yīng)器中直接加入接種物料20 kg，每日加入一定量的高濃度固體廢棄物有機滲濾液，并從出料口排出同等重量的物料，反應(yīng)器為完全混合型反應(yīng)器。

1.2 試驗材料

高濃度固體廢棄物有機滲濾液來源于上海市分類后生活垃圾，經(jīng)分選、擠壓等前處理，固體廢棄物有機滲濾液的性質(zhì)如表1所示。由表1可知，固體廢棄物有機滲濾液揮發(fā)性固體/總固體(VS/TS)

在80%左右，具有較好的可降解物質(zhì)。通過測試，固體廢棄物有機滲濾液組分以100%計算，可分成4個組成部分。其中80%為可降解性的物質(zhì)，包括溶解性有機成分38%和固體有機成分42%；另外20%為不可降解物質(zhì)，包括固體雜質(zhì)12%(如玻璃等)和惰性的溶解性鹽類8%。

接種物料取自上海某厭氧消化反應(yīng)器，接種物料的性質(zhì)如表2所示。固體廢棄物有機滲濾液和接種物料取樣后置于4 ℃保存使用。

表1 固體廢棄物有機滲濾液的性質(zhì)

表2 接種物料的性質(zhì)

1.3 試驗方法

試驗測試指標(biāo)包括pH、ORP、氨氮、凱氏氮、COD、BOD、蛋白質(zhì)、溶解性總固體、熱酌減率、碳水化合物、粗蛋白、粗脂肪、揮發(fā)性脂肪酸、重金屬、產(chǎn)氣量/甲烷氣含量、纖維素/半纖維素/木質(zhì)素等。測試方法采用國標(biāo)方法，氨氮和COD采用哈希法測試，重金屬測試采用等離子發(fā)射光譜(ICP)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 半干法厭氧反應(yīng)器的快速啟動

本試驗容積負(fù)荷和反應(yīng)器產(chǎn)氣情況如圖2所示。由圖2可知，隨著容積負(fù)荷從0.51 g VS/(L·d)到13.44 g VS/(L·d)，產(chǎn)氣量也逐步提高，從4 L/d上升到240 L/d，穩(wěn)定產(chǎn)氣后，檢測甲烷比例平均值為68%，甲烷比例正常，反應(yīng)器產(chǎn)氣可直接點燃并自持燃燒。但是隨著負(fù)荷進(jìn)一步從13.44 g VS/(L·d)提高至24.32 g VS/(L·d)，產(chǎn)氣量變得不穩(wěn)定，呈下降趨勢。

圖2 反應(yīng)器容積負(fù)荷和產(chǎn)氣量Fig.2 Volumetric Loading and Gas Output in Reactor

單位有機質(zhì)的產(chǎn)氣率(specific biogas production rate，SBP=產(chǎn)氣量/有機質(zhì)添加量)是描述反應(yīng)器內(nèi)微生物狀態(tài)的一個重要參數(shù)。維持一定的反應(yīng)器污泥濃度，若SBP數(shù)值穩(wěn)定，表明微生物活性良好；若數(shù)值不穩(wěn)定或者急劇降低，表明出現(xiàn)抑制微生物活性的因素。由圖3的反應(yīng)器SBP數(shù)據(jù)分析可知，前100 d，容積負(fù)荷從0.51 g VS/(L·d)提升到13.44 g VS/(L·d)，表明SBP平均值為0.77 L/(g VS)，與理論值相當(dāng)，這一結(jié)果顯示加入?yún)捬醴磻?yīng)器的有機組分基本都被降解。但是，隨著負(fù)荷進(jìn)一步從13.44 g VS/(L·d)提高至24.32 g VS/(L·d)，SBP降低至0.4 L/(g VS)左右，呈降低趨勢。在實際工程上，反應(yīng)器可以通過高比例污泥接種縮短啟動的時間提高容積負(fù)荷，但是容積負(fù)荷不宜超過13.44 g VS/(L·d)。

圖3 反應(yīng)器單位有機質(zhì)的產(chǎn)氣率Fig.3 Specific Biogas Production Rate (SBP) in Reactor

2.2 固體廢棄物有機滲濾液半干法厭氧發(fā)酵物料特性

反應(yīng)器內(nèi)pH和ORP的檢測數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示，pH值維持在7.4左右，反應(yīng)器呈中性偏弱堿性，無酸化現(xiàn)象。反應(yīng)器ORP維持在-459 mV，表明反應(yīng)器處于良好的厭氧狀態(tài)。

反應(yīng)器出料氨氮和凱氏氮的數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可知，氨氮在2 137～3 330 mg/L，通過游離氨計算公式FA=NH3-N×(10^pH)/(EXP[6 334/(273+T))+ 10^pH]得出，游離氨為28～73 mg/L，這與文獻(xiàn)中游離氨抑制濃度較為一致[8]。當(dāng)容積負(fù)荷不斷提高時，若pH不變，氨氮負(fù)荷提高，游離氨濃度提高，出現(xiàn)游離氨氮對厭氧菌的抑制，進(jìn)一步影響有機物的分解，從而影響最終的降解率。

對比氨氮和溶解性凱氏氮的數(shù)據(jù)可知，二者差值很小，二者差值主要是溶液中的小分子氨基酸貢獻(xiàn)的氮。在良好的厭氧反應(yīng)器中，小分子有機物很快被厭氧菌利用，所以氨氮和溶解性凱氏氮數(shù)據(jù)幾乎一致。

圖4 反應(yīng)器pHFig.4 pH Value in Reactor

圖5 反應(yīng)器ORPFig.5 ORP Value in Reactor

圖6 反應(yīng)器出料的氨氮和凱氏氮Fig.6 Ammonia Nitrogen and Kjeldahl Nitrogen of Reactor Discharging

2.3 半干法厭氧發(fā)酵最大負(fù)荷分析

厭氧發(fā)酵的最大負(fù)荷與厭氧污泥濃度和物料的特性密切相關(guān)。在本試驗中，厭氧污泥濃度控制在23 g/L左右，試驗后期100 d之后，污泥濃度略有提高。

本試驗中，100 d是反應(yīng)器的轉(zhuǎn)折點。由圖2、圖6可知，容積負(fù)荷從13.44 g VS/(L·d)向上提高時，pH緩慢降低，游離氨濃度接近70 mg/L，單位有機質(zhì)的產(chǎn)氣率快速降低，SBP平均值由前100 d的0.77 L/(g VS)逐步降低至115 d的0.36 L/(g VS)。由圖5可知，在100 d后，隨負(fù)荷上升，ORP有所提升，厭氧程度也下降。故在此試驗中，最大容積負(fù)荷為13.44 g VS/(L·d)。

若工程運行，考慮1.2的保險系數(shù)，建議工程運行容積負(fù)荷為11.2 g VS/(L·d)。

2.4 半干法厭氧發(fā)酵反應(yīng)器底渣分析

厭氧發(fā)酵后反應(yīng)器底部存在殘渣，在工程實踐中，需要定期將殘渣排出，防止反應(yīng)器堵塞。

反應(yīng)器底部殘渣實物如圖7所示，主要的組成為塑料片、細(xì)玻璃、細(xì)石塊、砂礫等。底部殘渣的來源主要包括兩方面：一是前處理過程中透過螺旋擠壓設(shè)備的細(xì)小雜質(zhì)(塑料、玻璃、砂礫等)，這一部分雜質(zhì)可以通過細(xì)化預(yù)處理措施進(jìn)一步降低；二是在反應(yīng)器內(nèi)部形成的鈣鎂沉淀，如碳酸鈣、碳酸鎂等。底部殘渣在實際工程中難以避免，故在工程設(shè)計時，需考慮反應(yīng)器的底部排渣設(shè)計，通過定期排渣防止反應(yīng)器的堵塞。

圖7 反應(yīng)器底部殘渣Fig.7 Bottom Residue in Reactor

3 結(jié)論

(1)通過接種厭氧微生物，可實現(xiàn)半干法厭氧反應(yīng)器的快速啟動。

(2)厭氧反應(yīng)器pH值維持在7.4左右，ORP維持在-459 mV，無酸化現(xiàn)象。隨著反應(yīng)器容積負(fù)荷提高，游離氨濃度提高，出現(xiàn)游離氨氮對厭氧菌抑制，進(jìn)一步影響有機物的分解，從而影響最終的有機降解率，游離氨濃度宜控制在28～73 mg/L。

(3)反應(yīng)器在前100 d，容積負(fù)荷從0.51 g VS/(L·d)提升到13.44 g VS/(L·d)，SBP平均值為

0.77 L/(g VS);反應(yīng)器在100 d后，隨著負(fù)荷從13.44 g VS/(L·d)提高至24.32 g VS/(L·d)，SBP迅速降低至0.4 L/(g VS)左右。

(4)半干法厭氧反應(yīng)器最大容積負(fù)荷為13.44 g VS/(L·d)。工程上，考慮1.2的安全系數(shù)，建議運行容積負(fù)荷為11.2 g VS/(L·d)。

(5)厭氧發(fā)酵后反應(yīng)器底部存在殘渣，在工程實踐中，需要定期將殘渣排出，防止反應(yīng)器堵塞。

[1]王國華,王磊,譚學(xué)軍,等.餐廚垃圾與污泥兩相中溫厭氧消化試驗研究[J].凈水技術(shù),2014,33(1):54-57.

[2]丁月玲,張煥煥,董濱,等.有機生活垃圾與脫水污泥協(xié)同厭氧消化工藝的性能[J].凈水技術(shù),2017,36(2):40-44.

[3]BOLLON J,LE-HYARIC R,BENBELLACEM H,et al.Development of a kinetic model for anaerobic dry digestion process: Focus on acetate degradation and moisture content[J].Biochemical Engineering Journal,2011,56(3):212-218.

[4]劉會友.臥式干法厭氧消化技術(shù)在秸稈發(fā)酵中的應(yīng)用[J].陽光能源,2010,11(1):43-45.

[5]泮進(jìn)明,張瑜,朱保寧,等.食品廢物兩相高溫半干法厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣初步研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(7):199-203.

[6]王明,趙勝雪,李旭榮,等.豬糞中溫半干法連續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2018,34(1):204-209.

[7]程洋,陳澤智,龔慧娟,等.攪拌對豬糞半干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(34):17021-17022.