在餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中，高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行并獲得高產(chǎn)沼氣是實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾無(wú)害化、減量化、資源化可行性的關(guān)鍵。但在全國(guó)的餐廚垃圾厭氧消化工程項(xiàng)目中，厭氧消化系統(tǒng)酸化仍是較為常見(jiàn)現(xiàn)象。研究通過(guò)向穩(wěn)定的大型厭氧消化系統(tǒng)中連續(xù)投加餐廚垃圾，逐步提高系統(tǒng)的單位體積有機(jī)負(fù)荷，檢測(cè)在此過(guò)程中沼氣氣量及沼氣中甲烷含量變化、系統(tǒng)pH 值變化、系統(tǒng)揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度及堿度等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化，探索大型全混合厭氧消化系統(tǒng)（CSTR）穩(wěn)定運(yùn)行的單位體積有機(jī)負(fù)荷合理區(qū)間，為大型的全混合厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)用的餐廚垃圾來(lái)源于深圳市羅湖區(qū)大型的餐廳酒樓，其主要成分如表1 所示。

表1 餐廚垃圾理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用設(shè)備為容積3000m3的全混合式厭氧消化罐（CSTR），其中有效厭氧消化容積2200m3，高徑比1：1，SUS316 材質(zhì)。采用側(cè)壁盤(pán)管和基座盤(pán)管傳熱控溫，通過(guò)PT100 溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度，發(fā)酵溫度37℃。設(shè)備采用側(cè)壁機(jī)械攪拌加外循環(huán)流體攪拌的間歇攪拌方式，總攪拌功率67kW，攪拌頻率設(shè)置為60min/3h。采用連續(xù)流加的進(jìn)料方式，壓力控制自動(dòng)排氣。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

以固定單位體積有機(jī)負(fù)荷梯度遞增的方式往穩(wěn)定運(yùn)行的單位體積有機(jī)負(fù)荷為1.5kg TVS/（m3·d）的CSTR 罐內(nèi)逐步增加投料量，投料梯度設(shè)定為增加單位體積有機(jī)負(fù)荷0.1kg TVS/（m3·d），每個(gè)濃度梯度維持3 天，直至厭氧消化系統(tǒng)單位體積有機(jī)負(fù)荷提升至3.2kg TVS/（m3·d），檢測(cè)消化液pH、堿度、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸，并通過(guò)流量計(jì)和快速檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)沼氣產(chǎn)量和沼氣中甲烷含量的變化，各指標(biāo)測(cè)定方法見(jiàn)表2。

表2 各指標(biāo)測(cè)定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 氮濃度的變化

試驗(yàn)過(guò)程中，每天測(cè)定消化液中總氮和氨氮濃度，其變化如圖1 所示。由圖1 分析，隨著厭氧系統(tǒng)單位體積有機(jī)負(fù)荷不斷提升，厭氧消化液中的總氮濃度從2800mg/L 緩慢小幅上升至最高3200mg/L。氨氮濃度同步不斷上升，負(fù)荷提升至2.2～2.5 kg TVS/（m3·d）之間時(shí)，氨氮濃度達(dá)到2500mg/L，此時(shí)氨氮與總氮的比例亦處于最高狀態(tài)。隨著有機(jī)負(fù)荷繼續(xù)提高，氨氮濃度和氨氮與總氮的比例開(kāi)始緩慢下降，至3.0kg TVS/（m3·d）有機(jī)負(fù)荷時(shí)，氨氮達(dá)到快速降至2000mg/L 以下，并隨著有機(jī)負(fù)荷的進(jìn)一步提升至3.2mg/L 時(shí)急劇降至1000mg/L以下，系統(tǒng)顯著酸化。

圖1 不同有機(jī)負(fù)荷條件下厭氧消化系統(tǒng)氮素的變化

2.2 堿度與pH變化

由圖2 可知，厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)的堿度和pH 隨系統(tǒng)的單位體積有機(jī)負(fù)荷變化而變化，有機(jī)負(fù)荷從1.5kg TVS/（m3·d）緩慢提升至2.8kg TVS/（m3·d）時(shí)，系統(tǒng)堿度和pH 分別維持在9000～12000mg/L 與7.8～8.1 之間，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷繼續(xù)提升，堿度和pH 均開(kāi)始快速下降，有機(jī)負(fù)荷升至3.2 kg TVS/（m3·d）時(shí)，堿度急劇降至4000mg/L 以下，pH 降至6.0 以下，維持相同有機(jī)負(fù)荷水平，堿度和pH 繼續(xù)下降，厭氧消化體系無(wú)法恢復(fù)。

圖2 不同有機(jī)負(fù)荷條件下厭氧消化系統(tǒng)堿度和pH 的變化

2.3 揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度變化

由圖3 可知，VFA 隨系統(tǒng)的單位體積有機(jī)負(fù)荷變化而變化，有機(jī)負(fù)荷從1.5kg TVS/（m3·d）緩慢提升至2.8 kg TVS/（m3·d）時(shí)，系統(tǒng)消化液VFA 維持在4000～8000mg/L，系統(tǒng)厭氧代謝正常，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷繼續(xù)提升，VFA 濃度快速提升至10000mg/L 以上，厭氧系統(tǒng)快速酸化，維持相同有機(jī)負(fù)荷水平，無(wú)法降低VFA 濃度，厭氧消化體系無(wú)法恢復(fù)。

圖3 不同有機(jī)負(fù)荷條件下厭氧消化系統(tǒng)揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度的變化

2.4 沼氣產(chǎn)率與甲烷體積濃度變化

由圖4 可知，厭氧消化系統(tǒng)的體積產(chǎn)氣效率和氣體的甲烷含量均隨著系統(tǒng)的單位體積有機(jī)負(fù)荷變化而變化，有機(jī)負(fù)荷從1.5kg TVS/（m3·d）緩慢提升至2.4kg TVS/（m3·d）時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)氣效率也緩慢上升，有機(jī)負(fù)荷從2.5kg TVS/（m3·d）至2.8kg TVS/（m3·d），系統(tǒng)產(chǎn)氣效率維持在2.55～2.68m3/m3/d 之間，在此過(guò)程中，氣體中甲烷含量維持在60%以上。隨著系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷進(jìn)一步提升，系統(tǒng)產(chǎn)氣效率和甲烷含量開(kāi)始逐漸快速下降，至3.2kg TVS/（m3·d），系統(tǒng)產(chǎn)氣效率降至1.0m3/m3/d 以下，甲烷含量降至35%，厭氧系統(tǒng)迅速酸化，維持相同有機(jī)負(fù)荷水平，產(chǎn)氣效率和甲烷含量繼續(xù)下降，厭氧消化體系無(wú)法恢復(fù)。

圖4 不同有機(jī)負(fù)荷條件下厭氧消化系統(tǒng)沼氣產(chǎn)率和甲烷體積濃度的變化

3 結(jié)論

①在維持2.5～2.8 kg TVS/（m3·d）單位體積負(fù)荷的情況下，大型CSTR 厭氧消化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)餐廚垃圾單一物料穩(wěn)定化運(yùn)行，并獲得較高的沼氣產(chǎn)率和甲烷產(chǎn)率，沼氣產(chǎn)率達(dá)到2.55～2.68m3/（m3·d），沼氣中甲烷體積比率達(dá)到62%～65%。

②體積負(fù)荷過(guò)高是引起CSTR 厭氧消化體系酸化的重要因素，當(dāng)單位體積負(fù)荷超過(guò)3.0 kg TVS/（m3·d）時(shí)，體系逐漸出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，當(dāng)體積負(fù)荷達(dá)到 3.2 kg TVS/（m3·d）時(shí)，厭氧消化體系表現(xiàn)出強(qiáng)烈的底物抑制，快速?gòu)募淄榛D(zhuǎn)向酸化，維持有機(jī)負(fù)荷水平無(wú)法阻斷酸化的繼續(xù)，最終厭氧體系徹底酸化。

③厭氧消化系統(tǒng)在甲烷化轉(zhuǎn)入酸化的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生一系列的指標(biāo)變化，氨氮濃度快速下降至1000mg/L 以下，厭氧消化系統(tǒng)堿度急劇降至4000mg/L 以下，pH 降至6.0 以下，揮發(fā)性脂肪酸快速升高10000mg/L 以下，系統(tǒng)體積產(chǎn)氣效率積極下降，同時(shí)氣體組分中的甲烷體積比例也快速下降。利用厭氧消化系統(tǒng)酸化過(guò)程發(fā)生的這些指標(biāo)變化，通過(guò)提前預(yù)警，可以有效防止系統(tǒng)酸化的發(fā)生。