间歇式厌氧生物组合工艺处理餐厨垃圾中试研究

彭明国，朱卫兵，杜尔登，史东晓，张进锋，李月中

（1.常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213002；2.江苏维尔利环保科技股份有限公司，江苏 常州 213125；3.常州市生活废弃物处理中心，江苏 常州 213171）

1 材料与方法

1.1 餐厨垃圾

样品为某餐馆餐厨垃圾、菜场果蔬垃圾混合物，垃圾成分包括米饭、猪肉、鱼虾、果蔬菜叶等，经手工筛选除去其中的骨头、筷子等大块杂质，保存待用。测定其固体含量为11.3%，SS为44.3%，密度1.13 kg/L。

1.2 实验装置

本实验采用自行设计的组合式厌氧消化装置，包括机械反应器、厌氧反应器，工艺装置示意见图1。机械反应器是1台卧式装置，带有搅拌叶片，有效容积5 m3，实现餐厨垃圾破碎成浆预处理功能；厌氧反应器是工艺主体设备，钢结构罐体，直径4.0 m，有效容积30 m3，内部有PE带状填料，占有效容积的30%，反应器上升流速0.8 m/h，此外部分厌氧消化出水回流至机械反应器，对餐厨垃圾进行淋洗，餐厨垃圾中的有机组分在机械搅拌和消化回流液的作用下进行酸化水解，并溶入消化回流液。另一部分消化出水外排至填埋场渗沥液处理站集中处置，厌氧消化产生的沼气收集利用。

图1 组合工艺示意

1.3 分析项目与方法

沼气成分分析采用红外测定法（北斗星气体分析仪）；VFA（挥发性脂肪酸）以酚酞指示剂滴定法测定。化学需氧量（COD） 检测方法为GB 11914—1989重铬酸钾氧化法；pH检测用玻璃电极法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定。

1.4 实验过程

在组合反应初始启动阶段，往厌氧反应器中倒入4.0 t污水厂厌氧消化污泥，启动期间不进行厌氧消化液回流。机械反应器加入一定体积餐厨垃圾，破碎成浆液后，采用间歇方式进入厌氧反应器，控制每天进料次数和时间，逐渐提升容积负荷，并保持稳定。经过20 d，厌氧反应器中所产生沼气甲烷含量提升至70%以上并趋于稳定，表明厌氧反应器驯化完成，组合工艺启动完毕。

在实验阶段，根据工程实施经验和餐厨垃圾的特点，采用间歇一次性进料方式，即一次连续把5 t餐厨垃圾提升倒入机械反应器，中途不再加料。考察一次间歇反应周期内，厌氧反应器出水水质、产气等指标变化。

2 结果与讨论

2.1 间歇反应中COD的变化

一次性进料就是一次连续把餐厨垃圾倒入机械反应器，中途不再加料，直至出渣。本研究共进行了3个批次试验，每次间歇实验中，餐厨垃圾投入量为5．0 t，机械反应器出水进入厌氧反应器，成为厌氧反应器进水。厌氧消化液回流比为9．8。机械反应器搅拌器转速为2 r/min，厌氧反应器容积负荷为2．4 kg/（m3·d）。3个批次间歇试验厌氧反应器进水和出水COD见图2。

图2 厌氧反应器进水、出水COD浓度变化

从图2可以看出，在反应初期厌氧反应器进水COD呈上升趋势，厌氧反应器进水来自机械反应器的出水，机械反应器中的餐厨垃圾有机物在搅拌和消化回流液的作用下将有机垃圾处理成浆料，浆料中的有机组分进一步水解酸化并溶入水中，游离态的油脂在微生物胞外酶的作用下水解成可溶态油脂，并由长链大分子裂解成短链有机酸，因此COD逐渐升高，在反应第3天时达到最高值，为117 000 mg/L。随着微生物的不断生长繁殖，微生物对有机质的降解速度随之升高，小分子可溶性有机物被微生物氧化分解，有机质不断被降解，厌氧反应器进水COD开始下降，第6天降低到35 000～55 000 mg/L。

此外，厌氧反应器出水COD较稳定，保持在8 000～13 000 mg/L，这表明厌氧反应器具有较大的耐冲击负荷能力，将出水COD保持在稳定范围。

2.2 间歇反应中VFA的变化

挥发性脂肪酸（VFA）是厌氧微生物新陈代谢活动的重要指标。从图3可以看出，厌氧反应器进水VFA浓度在第2天达到最大6 000 mg/L左右，表明此时机械反应器内水解酸化作用显著，出现VFA的累积。随着能被水解酸化的有机物逐渐减小，水解酸化反应逐渐趋于平缓，使得VFA浓度逐渐降低，在第6天降低到2 000～3 500 mg/L。而厌氧反应器出水VFA基本稳定在50～150 mg/L，表明厌氧反应器具有较强的抗冲击负荷能力。

图3 厌氧反应器进水、出水VFA浓度变化

2.3 间歇反应中pH的变化

pH作为一个重要的环境因素，不仅能够影响微生物酶的活性，也能够决定挥发酸的存在形态［1］。餐厨垃圾分散性差、密度大、孔隙容易被压缩，容易在内部形成厌氧区，加上机械反应器内部水解酸化作用显著，这使得机械反应器内部常处于酸性环境，厌氧反应器进水呈酸性，pH为5～6。随着反应进程的进行，微生物分解作用下形成的小分子有机酸被微生物所吸收，而此时含氮物质被分解生成的氨氮未被微生物合成利用完全，使机械反应器的出水pH略有升高，第6天时厌氧反应器进水呈中性。厌氧反应器中pH变化见图4。

图4 厌氧反应器进水、出水pH变化

在厌氧反应器内部进行消化反应，不同的微生物要求不同的pH，过高或过低的pH对微生物代谢有明显影响。产甲烷菌对生长环境的pH极为敏感，甲烷菌最适宜的pH为6．8～7．5，若pH＜6．3，将使二氧化碳增加，促使大量水溶性有机酸和硫化氢产生，硫化物含量的增加会抑制甲烷菌生长；若pH＞7．8，NH4+转变成非离子化的NH3，会产生毒性抑制［2］。从图4可以看出，在厌氧反应器间歇运行的6 d内，厌氧反应器内部pH基本在7．6左右波动，pH变化不大，说明系统有较强的抗外界干扰的缓冲能力。

2.4 间歇反应中氨氮的变化

在间歇反应中，进水、出水氨氮随着反应的进行逐渐增加。在6 d间歇反应时间内，厌氧反应区进水氨氮从60 mg/L增加到80 mg/L左右；而厌氧反应器出水氨氮从80 mg/L增加到130 mg/L左右，如图5所示。餐厨垃圾厌氧消化过程中，氨氮的产生主要来自蛋白质、氨基酸及其它含氮有机物的降解。由于厌氧微生物的细胞增殖较少，故只有很少的氮素转化为细胞，大部分可生物降解的有机氮都被还原为氨氮，因此厌氧反应器出水的氨氮浓度比进水中的氨氮浓度高。

图5 厌氧反应器进水、出水氨氮浓度变化

2.5 盐分的影响

餐厨垃圾中含有较高的盐分。通常认为，低浓度无机盐对微生物的生长有促进作用，但是高浓度盐分反而抑制微生物生长。无机盐对微生物的生长抑制主要表现在微生物外界中渗透压较高，微生物细胞失水，降低微生物代谢酶活性，从而引起细胞壁分离，甚至死亡［3］。研究表明当厌氧消化系统中钠盐浓度超过5 000 mg/L时就会抑制厌氧消化进程。间歇反应过程中对钠盐含量进行了分析，结果为762.8 mg/L。因此盐分并不会抑制产甲烷微生物活性，干扰厌氧消化进程。

2.6 间歇反应沼气产生情况

经过3次间歇反应，共产生沼气1 380.3 m3，平均产沼系数为0.35 m3/kg。餐厨垃圾产气量以及产沼系数等见表1。

表1 间歇反应沼气产生情况

此外在间歇反应过程中，所产生沼气的CH4含量为71%～79%，基本保持稳定。试验中发现每批次试验开始时的CH4含量低于试验结束时的数值，这可能是由于起始阶段VFA对厌氧环境的冲击引起的，微生物逐渐适应后CH4含量稳步增加，甲烷含量的逐渐增加表明甲烷菌活性逐渐增强，系统运行稳定。

3 结论

1） 在1个间歇反应周期内，厌氧反应器进水COD、VFA浓度呈现先增加后逐渐减小的趋势；厌氧反应器出水COD、VFA浓度保持稳定，厌氧反应器具有较强的负荷缓冲能力。

2） 3次间歇反应共产生沼气1 380.3 m3，平均产沼系数为0.35 m3/kg，沼气含量在71%～79%，且保持稳定。

3）间歇式厌氧生物组合工艺在对餐厨垃圾处理的同时实现餐厨垃圾资源化利用，为餐厨垃圾厌氧消化工艺的工程化应用提供技术依据。

［1］张玉静，蒋建国，王佳明.pH值对餐厨垃圾厌氧产酸的影响［J］.中国给水排水，2013，29（1）：30-33.

［2］Tampio E，Ervasti S，Paavola T，et al.Anaerobic digestion of autoclaved and untreated food waste［J］.Waste Manage，2014，34 （2）：370-377.

［3］马磊，王德汉，曾彩明.餐厨垃圾的干式厌氧消化处理技术初探［J］.中国沼气，2007，25（1）：27-30.