褚文瑋,強(qiáng)萌萌

（1.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津300402；2.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津300402）

1 前言

近年來隨著餐飲企業(yè)的增多和外賣市場(chǎng)的火爆，餐廚垃圾與日俱增。國(guó)家環(huán)保部門對(duì)餐廚垃圾的處理非常重視，已經(jīng)先后出臺(tái)多項(xiàng)政策鼓勵(lì)對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行無害化資源化處理。全混合厭氧反應(yīng)器（Continuous Stirred Tank Reactor）簡(jiǎn)稱 CSTR，是一種使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)的厭氧處理技術(shù)，由于CSTR結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，目前CSTR在餐廚垃圾的處理領(lǐng)域已經(jīng)得到一定應(yīng)用。CSTR利用單相厭氧發(fā)酵原理，單相工藝發(fā)酵罐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、經(jīng)濟(jì)成本較低等特點(diǎn)，因此單相工藝在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用，其中在歐洲95%的工業(yè)厭氧發(fā)酵裝量均采用單相工藝[1]。

1.1 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵CSTR技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究背景

目前我國(guó)固體廢棄物的主要處理技術(shù)有填埋、焚燒、厭氧消化、好氧堆肥、微生物處理等，處理手段較為多樣，但存在能耗高、成本高、有一定污染等缺陷。餐廚垃圾屬于固體廢棄物的一種，在國(guó)外特別是在歐洲的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)餐廚垃圾的處理上，厭氧消化處理技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用廣泛且有很大的發(fā)展前景。CSTR利用厭氧發(fā)酵技術(shù)，具有無害化程度高，能夠承擔(dān)高強(qiáng)度有機(jī)負(fù)荷，完全克服了同源性的影響等特點(diǎn)。

我國(guó)餐廚垃圾在組成和各物質(zhì)含量上與國(guó)外的餐廚垃圾存在一定的差異，但是通過一定的技術(shù)手段的改進(jìn)和優(yōu)化，厭氧發(fā)酵技術(shù)可以滿足國(guó)內(nèi)餐廚垃圾處理的需要。目前國(guó)內(nèi)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵CSTR技術(shù)以中試規(guī)模為主，在部分工程項(xiàng)目上也有一定的應(yīng)用，但該技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用并收到了很好的成效，因此該技術(shù)也將會(huì)成為國(guó)內(nèi)餐廚垃圾處理的主流技術(shù)，具有良好的發(fā)展前景。

1.2 國(guó)內(nèi)某餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工程運(yùn)行背景

通過調(diào)研，北京某企業(yè)利用厭氧發(fā)酵CSTR技術(shù)對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行處理，運(yùn)行狀況良好，降解率較高。該工程引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的CSTR技術(shù)，采用CSTR單相濕式連續(xù)式高溫厭氧發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃圾，厭氧消化罐有效容積5350 m3，容積負(fù)荷3.0 kgVs/m3·d，停留時(shí)間約為30 d，負(fù)荷在2.0～4.0 kgVs/m3·d。下文就以該工程作為應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行具體分析研究。

2 厭氧發(fā)酵CSTR技術(shù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理

厭氧發(fā)酵是指在厭氧的條件下，有機(jī)物被多種微生物共同作用分解，產(chǎn)生甲烷和二氧化碳的過程。厭氧發(fā)酵效率易受到諸多因素影響，在有機(jī)質(zhì)的降解過程中，水解、酸化、乙酸化、甲烷化發(fā)生在一個(gè)體系，其中的任何一個(gè)步驟受到抑制均能影響厭氧發(fā)酵效率。當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷過高時(shí)，產(chǎn)酸菌會(huì)大量繁殖，產(chǎn)生大量有機(jī)酸，使pH值驟降。pH值對(duì)產(chǎn)甲烷菌影響較大，當(dāng)pH值過低時(shí)產(chǎn)甲烷菌就會(huì)失去活性，這就影響了產(chǎn)氣效率。在厭氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定中反應(yīng)周期長(zhǎng)，CSTR不能呈現(xiàn)理想的完全混合狀態(tài)，有機(jī)物作為復(fù)雜基質(zhì)降解可能不符合Monod方程[2]。

2.1 厭氧發(fā)酵三階段原理

M.P.Bryaut（布賴思）于1979提出的三階段理論被認(rèn)為是厭氧消化較為準(zhǔn)確的描述。產(chǎn)早烷菌不能直接利用有機(jī)酸和醇類（乙酸、H2、CO2、和甲醇等除外），有機(jī)酸和醇類必須經(jīng)過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的轉(zhuǎn)化才能被產(chǎn)甲烷菌利用。厭氧發(fā)酵三階段具體包括：

（1）水解、酸化階段。單糖、甘油、高級(jí)脂肪酸、氨基酸等復(fù)雜的有機(jī)物，被各種水解酶（細(xì)胞、外酶）分解為水溶的簡(jiǎn)單化合物。發(fā)酵細(xì)菌利用水解產(chǎn)物，產(chǎn)生有機(jī)酸和醇類物質(zhì)，以及二氧化碳、氨氣、硫化氫和氫氣。

（2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。專一型厭氧產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌利用水解酸化階段的產(chǎn)物進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生的二氧化碳和氫氣被同型的乙酸細(xì)菌合成為乙酸。

（3）產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷菌利用上一階段的產(chǎn)物乙酸和氫氣產(chǎn)生甲烷。

2.2 CSTR基本方程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)解析

槽式連續(xù)反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的解析相對(duì)快速簡(jiǎn)捷，這是由于反應(yīng)器內(nèi)各處的組分組成穩(wěn)定，濃度分布均一，與CSTR相比，轉(zhuǎn)化率大小也沒有限制[3]。

根據(jù)反應(yīng)器的基本方程，得出反應(yīng)速率與轉(zhuǎn)化率和濃度的關(guān)系式為：

式中：qnao—流入反應(yīng)器的A組分的摩爾流量；

qna—排出反應(yīng)器的A組分的摩爾流量

在工程測(cè)算中，通常不能直接測(cè)得關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化，需要先測(cè)定反應(yīng)器中該組分和其他組分的濃度或質(zhì)量分?jǐn)?shù)、摩爾分?jǐn)?shù)的變化，再經(jīng)過計(jì)算求得。

3 CSTR工藝運(yùn)行

通過調(diào)研，北京某公司采用CSTR單相濕式連續(xù)式高溫厭氧發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃圾，已穩(wěn)定運(yùn)行兩年時(shí)間。通過整理大量的CSTR反應(yīng)器運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以解析相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 單相厭氧發(fā)酵CSTR工藝流程（見圖1）

混合料先經(jīng)過預(yù)處理再由進(jìn)料泵提升至反應(yīng)器，厭氧微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行消化，同時(shí)產(chǎn)生沼氣。當(dāng)反應(yīng)器的混合料達(dá)到設(shè)計(jì)液位時(shí)，為保證反應(yīng)器內(nèi)的微生物能夠不斷利用新鮮的有機(jī)物，在每天進(jìn)入新料的同時(shí)要排出舊料，進(jìn)而保證了穩(wěn)定的產(chǎn)氣量。舊料通過溢流口排出，產(chǎn)生的沼氣通過氣管進(jìn)入貯氣柜儲(chǔ)藏進(jìn)一步使用。

圖1 CSTR

3.2 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1）

表1 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.3 工程運(yùn)行情況

選用2015年12月份餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工程運(yùn)行數(shù)據(jù)用于分析。

3.3.1 有機(jī)負(fù)荷與沼氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)圖（見圖2）

圖2 有機(jī)負(fù)荷與沼氣產(chǎn)量圖

3.3.2 COD降解率折線圖（見圖3）

圖3 COD降解率折線圖

3.3.3 進(jìn)物料產(chǎn)氣率折線圖（見圖4）

圖4進(jìn)料物產(chǎn)氣率折線圖

4 工程運(yùn)行數(shù)據(jù)解析

4.1 不同有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)沼氣率分析

如圖5所示，單位容積負(fù)荷在1.5～2.4kgVs/m3之間時(shí)，日產(chǎn)沼氣量從4.6×103m3/d增加到7.0×103m3/d。由此可見，通過增加底物濃度提高有機(jī)負(fù)荷，可以在一定程度上提高沼氣的實(shí)時(shí)產(chǎn)量[4]。這是由于底物濃度是發(fā)酵系統(tǒng)的限制因素，隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，進(jìn)料含量隨之增加，底物濃度增高，產(chǎn)氣效率也相對(duì)提高。

圖5 單位容積負(fù)荷與日產(chǎn)沼氣量變化

有機(jī)負(fù)荷在 2.4～3.5 kgVs/m3·d 之間時(shí)，產(chǎn)氣量在最小值 4.4×103m3/d到 8.7×103m3/d之間變化，中值變氣量7.0×103m3/d。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，在到達(dá)一定臨界數(shù)值之前，提高有機(jī)負(fù)荷可以在一定程度上提高沼氣產(chǎn)量，但是當(dāng)有機(jī)負(fù)荷量增加到一定數(shù)值后，再增加有機(jī)負(fù)荷并不能達(dá)到提高沼氣的產(chǎn)量的目的。這是由于在這個(gè)階段底物濃度不再是發(fā)酵過程的限制因素，提高有機(jī)負(fù)荷會(huì)加大對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)的沖擊。產(chǎn)酸菌傳代周期短，有機(jī)負(fù)荷提高后在短時(shí)間內(nèi)能夠迅速繁殖，產(chǎn)生大量有機(jī)酸。而產(chǎn)甲烷菌傳代周期長(zhǎng)，繁殖速率慢，有機(jī)酸不能在短時(shí)間內(nèi)被消耗導(dǎo)致大量積累，使發(fā)酵系統(tǒng)平衡失控。

最大負(fù)荷為3.88 kgVs/m3·d時(shí)，出現(xiàn)最大日產(chǎn)氣量9.106m3/d，其原因有待進(jìn)一步分析。

4.2 COD轉(zhuǎn)化速率分析

根據(jù)全混合反應(yīng)器基本方程τ=V/qv=CAo-CA/-rA（恒容反應(yīng)），假設(shè)反應(yīng)過程恒容，餐廚垃圾原料COD濃度為10000mg/L時(shí)的反應(yīng)參數(shù)，根據(jù)進(jìn)口體積流量qv和反應(yīng)器出口處COD的濃度，能夠求解出COD轉(zhuǎn)化速率（見表2）。

表2 CSTR進(jìn)出口COD數(shù)據(jù)表

根據(jù)V/qv=CAo-CA/-rA，得出V=5350m3

不同CA對(duì)應(yīng)的-rA值如表3所示:

表3 COD轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)表

從表3中數(shù)據(jù)可以看出：餐廚垃圾厭氧發(fā)酵CSTR工藝非常復(fù)雜，多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)求解較為困難，有機(jī)物降解不符合Monod方程，而是呈v=Vm(S-Sm)/Kd-(S-Sm)的形式，這說明了復(fù)雜基質(zhì)降解所呈現(xiàn)出來的特殊規(guī)律。

5 合理化建議及結(jié)論

在對(duì)CSTR反應(yīng)器進(jìn)行解析和具體的工程實(shí)踐中，要充分利用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理來對(duì)有機(jī)物厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)行有效優(yōu)化，其中微生物的生長(zhǎng)率、衰亡率和死亡細(xì)胞的降解速率，以及和降解速率相關(guān)的水解速率等是影響厭氧消化系統(tǒng)尤為重要的因素。同時(shí)在研究中還要關(guān)注環(huán)境因素的影響，包括溫度、壓力、pH值和抑制物質(zhì)等。根據(jù)厭氧發(fā)酵三段式理論，厭氧發(fā)酵包括水解-酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段，只有根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，通過反應(yīng)器解析和系統(tǒng)優(yōu)化才能夠指導(dǎo)工程中的原料配比及工況優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)厭氧過程各個(gè)步驟的動(dòng)態(tài)平衡，保證處理效率。

此外，厭氧反應(yīng)器中是否存在顆粒污泥以及污泥顆?；潭仁怯绊憛捬醴磻?yīng)速率和產(chǎn)氣效果的關(guān)鍵因素[5]。顆粒污泥對(duì)厭氧系統(tǒng)尤為重要，顆粒污泥能夠促進(jìn)微生物富集和增殖，能夠使厭氧系統(tǒng)適應(yīng)更高的有機(jī)負(fù)荷。CSTR需要強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌，這就嚴(yán)重影響了混合菌群的生長(zhǎng)和污泥顆?；^程，對(duì)于厭氧處理效果是不利的。因此這部分內(nèi)容還需進(jìn)一步研究，并在實(shí)際運(yùn)行中優(yōu)化調(diào)整。

本文通過分析北京某公司CSTR單相濕式連續(xù)式高溫厭氧發(fā)酵工程項(xiàng)目反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)過程及具體工況運(yùn)行參數(shù)與國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)CSTR小試、中試規(guī)模結(jié)論有相同之處，得出在有機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，產(chǎn)沼氣量隨負(fù)荷增大而增加，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷增加至某一臨界位置時(shí)，產(chǎn)氣量不隨有機(jī)負(fù)荷的增大而規(guī)律性增加。工程規(guī)模的反應(yīng)參數(shù)由于工程運(yùn)行相對(duì)恒定，解析過程較為困難和復(fù)雜，國(guó)內(nèi)CSTR應(yīng)用于餐廚垃圾的處理尚在起步階段，有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。