餐廚垃圾半干式高溫厭氧發(fā)酵快速啟動試驗

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，我國城市生活垃圾中有機(jī)組分的含量逐年增加。據(jù)初步統(tǒng)計，目前我國城市生活垃圾中有機(jī)組分平均含量已達(dá)36％～45％，個別城市甚至高達(dá)60％左右，這些有機(jī)組分主要為廚余垃圾、集市果蔬垃圾和糞便等，因其高含水率和易生物降解等特點(diǎn)，給傳統(tǒng)的填埋、堆肥或焚燒等處理處置方式帶來一系列的環(huán)境難題，如產(chǎn)生大量的滲瀝液、惡臭、溫室氣體以及二惡英等，嚴(yán)重污染了空氣、土壤和地下水。從另一角度看，城市生物質(zhì)垃圾中含有大量生物質(zhì)能，其高含水特性又為這類垃圾的生物能量轉(zhuǎn)化提供了有利條件。厭氧發(fā)酵是最常用的高含水率有機(jī)物能量轉(zhuǎn)化技術(shù)，廣泛應(yīng)用于城市污水、污泥等領(lǐng)域。近年來，隨著易降解有機(jī)物在垃圾處理處置領(lǐng)域受到越來越多的限制，處理高固體含量有機(jī)廢物的厭氧消化技術(shù)得到迅速發(fā)展，并在歐洲和日本得到廣泛應(yīng)用。
高固體厭氧消化技術(shù)根據(jù)有機(jī)物料TS（total solid）濃度的不同，可分為干式（TS 20％～40％）和濕式（TS<15％）2類。本試驗以TS濃度為14％～20％（定義為半干式）的餐廚垃圾為研究對象，采用高溫半干式厭氧發(fā)酵法對其進(jìn)行實驗室規(guī)模研究，主要考察和分析了試驗啟動階段的影響因素和各項評價指標(biāo)，為該法今后的實際工程應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
1材料與方法
1.1試驗材料
1）餐廚垃圾。試驗所采用的餐廚垃圾取自清華大學(xué)某食堂，主要成分為米飯、面食、蔬菜、肉類、菜湯和骨頭等。餐廚垃圾經(jīng)細(xì)碎后平均粒徑<2mm，其密度約為1.03kg/L，置于4℃冰箱中儲存待用2）接種污泥。試驗所用接種污泥取自高碑店污水處理廠消化池，為灰黑色液體，其主要性質(zhì)見表1。試驗啟動時，接種污泥與垃圾按體積比約9：1混合后投入反應(yīng)器。此后根據(jù)每日反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)氣情況、pH、VFA等指標(biāo)的變化調(diào)整餐廚垃圾投加量。隨著啟動試驗的進(jìn)行，逐步提高進(jìn)料量，以期達(dá)到最佳的有機(jī)負(fù)荷及水力停留時間。

1.2試驗裝置
單級高溫厭氧反應(yīng)器的構(gòu)造見圖1。反應(yīng)器為有機(jī)玻璃外殼，有效容積為9.5L；采用溫控儀控制加熱帶以維持高溫條件（54～57℃）；進(jìn)料管末端深入液面以下，不但最大限度減少因進(jìn)料操作所引起的氣體計量誤差，而且較好地保證了反應(yīng)器內(nèi)的厭氧環(huán)境；反應(yīng)器頂部的攪拌器設(shè)有水封，由繼電器控制攪拌10min/h，攪拌槳轉(zhuǎn)速為120r/min；在整個試驗期間，每24h進(jìn)出料1次，出料由反應(yīng)器底部的采樣口收集；日產(chǎn)氣量及累計產(chǎn)氣量由濕式氣體流量計測定。
1.3測試項目及方法
TS采用烘干法105℃測定；VS使用馬弗爐600℃測定；C/N中的C以VS估算（C=0.47VS），N以凱氏測氮法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法分析；VFA使用SQ206型氣相色譜儀測定；pH采用pHS-2C型數(shù)顯pH計測定。

2結(jié)果與討論
2.1試驗啟動階段劃分
試驗啟動期采取逐步提高反應(yīng)器容積負(fù)荷的進(jìn)料方式，探索反應(yīng)器在相應(yīng)控制參數(shù)下穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)荷，根據(jù)反應(yīng)器運(yùn)行狀況，試驗啟動階段主要分為3個時期，見圖2：馴化期（0～28d）、提高期（29～54d）和穩(wěn)定期（55～63d）。馴化期反應(yīng)器的進(jìn)料容積負(fù)荷為1.3～1.5g/（L?d），從圖2可以看出，在馴化期反應(yīng)器依次經(jīng)歷了酸化期（0～16d）、恢復(fù)期（17～23d）和相對穩(wěn)定期（23～28d）3個階段。在相對穩(wěn)定期，反應(yīng)器產(chǎn)氣速率經(jīng)歷了一個波峰后逐漸降低，表明反應(yīng)器內(nèi)累積的有機(jī)物正被生化降解而趨于平衡，此時pH從酸化期的6.3上升到7.8，并穩(wěn)定在7.8～8.0，見圖3，以此為判據(jù)，反應(yīng)器進(jìn)入提高期；在提高期，反應(yīng)器的進(jìn)料容積負(fù)荷依次經(jīng)歷了2個階段，分別為2.3g/（L?d）和3.0g/（L?d），在提高期反應(yīng)器同樣經(jīng)歷了類似馴化期的3個階段；在穩(wěn)定期反應(yīng)器容積負(fù)荷率為3.0g/（L?d），系統(tǒng)pH穩(wěn)定在7.5～8.0，當(dāng)負(fù)荷提高到3.2g/（L?d）時，系統(tǒng)產(chǎn)氣速率迅速減少，同時pH也降到6.0以下。2.2試驗啟動階段各時期的產(chǎn)氣速率、總VFA、甲烷含量及pH的關(guān)系
試驗啟動階段的劃分不僅取決于產(chǎn)氣速率隨進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷率的變化，同時與系統(tǒng)的pH、總VFA以及甲烷含量有密切而又必然的關(guān)系。如圖3所示，在馴化期，產(chǎn)酸菌活性較強(qiáng)而產(chǎn)甲烷菌活性較弱，因此，系統(tǒng)的總VFA濃度基本呈線性增加趨勢，在第22天時達(dá)最大值21.7g/L，隨著產(chǎn)甲烷活性的增強(qiáng)，有機(jī)酸被充分利用，產(chǎn)氣速率也達(dá)到馴化期的最大值15.7L/d。在馴化期因為產(chǎn)酸菌活性較強(qiáng)，所以系統(tǒng)反應(yīng)過程主要以水解酸化為主，系統(tǒng)的pH隨總VFA濃度的升高而降低，甲烷平均含量較低，為36.6％；在提高期，隨著產(chǎn)甲烷菌群數(shù)量的增多和活性的增強(qiáng)，雖然系統(tǒng)提高了進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷率，但總VFA濃度仍維持在一個較低的平衡狀態(tài)，產(chǎn)氣速率和甲烷含量幾乎同步達(dá)到了新的高度，最大值分別為18.0L/d和66.3％，其中甲烷的平均含量也高達(dá)54.4％，比馴化期平均含量高出17.8％，而pH基本穩(wěn)定在7.5左右；在穩(wěn)定期，隨著時間的增長，系統(tǒng)總VFA濃度呈逐漸降低趨勢，最小值僅為3.9g/L，此時，各項指標(biāo)均穩(wěn)定在一個比較理想的范圍內(nèi)，其中平均產(chǎn)氣速率為18.9L/d，甲烷平均含量為62.2％，比提高期高出7.8％，系統(tǒng)的產(chǎn)氣效率高達(dá)973.2mL/g（以VS計），反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷率達(dá)到3.0g/（L?d）。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)一步提高負(fù)荷時，總有機(jī)酸濃度急劇增高，其他指標(biāo)則大幅降低。
2.3試驗啟動階段各時期出料的TS、VS、COD與進(jìn)料容積負(fù)荷的關(guān)系
如圖4所示，在馴化期的酸化階段（0～16d），由于產(chǎn)酸菌活性較強(qiáng)，加速了物料的液化過程，TS濃度逐漸減小；隨著反應(yīng)進(jìn)程的加快，總有機(jī)酸積累越來越多，pH大幅下降，氨氮濃度增至1749.3mg/L，大大抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，系統(tǒng)TS濃度又略有增加；從馴化期的恢復(fù)階段開始，系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷能力逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)酸菌逐漸形成共生體系，產(chǎn)甲烷菌消耗大量有機(jī)酸，促進(jìn)物料的酸化反應(yīng)進(jìn)程，導(dǎo)致出料TS濃度呈降低趨勢；在系統(tǒng)的提高期和穩(wěn)定期，雖然系統(tǒng)的進(jìn)料容積負(fù)荷在不斷提高，但隨著產(chǎn)甲烷菌群數(shù)量的增加和活性的進(jìn)一步增強(qiáng)，這種作用越來越明顯，因此出料TS濃度一直呈下降趨勢。系統(tǒng)出料VS、COD濃度在各個時期的變化情況基本與TS相同。3結(jié)論
1）根據(jù)產(chǎn)氣速率、pH的變化情況以及有機(jī)負(fù)荷的提高程度，將試驗啟動階段劃分為馴化期、提高期和穩(wěn)定期。
2）反應(yīng)器在經(jīng)歷馴化期后，產(chǎn)氣速率和甲烷含量大幅提高，在提高期，平均產(chǎn)氣速率和甲烷含量分別為18.0L/d和54.4％，pH穩(wěn)定在7.5左右。
3）穩(wěn)定期反應(yīng)器平均產(chǎn)氣速率和甲烷含量達(dá)到18.9L/d和62.2％，產(chǎn)氣效率973.2mL/g（以VS計），反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷率達(dá)到3.0g/（L?d）。
參考文獻(xiàn)略