餐厨垃圾与市政污泥连续式混合中温厌氧消化

谢乔光，易 莹，周艳伟，张 堃

（中国电器科学研究院有限公司，广东 广州 510300）

目前，国内外普遍采用厌氧消化技术处理餐厨垃圾、市政污泥等有机废物。厌氧消化生成的沼气燃烧产生电能和热能，电能可并网供居民使用，热能可用于沼渣烘干脱水，提高沼渣的商品有机价值，真正实现了减量化、无害化和资源化目的［1］。从文献报道可知，中温厌氧消化对于产气和系统稳定性优于高温厌氧消化［2］。此外，在以往的此类研究中，基本以非连续加料或一次性加料为主要加料方法，对厌氧消化工程缺乏实际的指导意义。因此，本试验旨在研究在连续式进出料条件下，将餐厨垃圾与市政污泥以不同的比例混合，对中温厌氧消化效果的影响，为今后进一步研究和工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

实验装置如图1所示，该装置采用排水收集气体法。为了保证装置的气密性，集气瓶的瓶口用橡胶塞塞紧，在橡胶塞中插入玻璃管，用液体密封胶密封玻璃管和橡皮塞之间的间隙。

图1 厌氧消化试验装置

1.2 试验材料

餐厨垃圾取自某公司食堂，经过人工筛选后，通过食物粉碎机粉碎，将餐厨垃圾充分打碎至粒径2～4 mm的颗粒。餐厨垃圾粉碎后装入密封袋。市政污泥和接种污泥均取自佛山市某有限公司污水处理厂。餐厨垃圾和污泥均保存于-2℃的冰箱中。其主要理化参数如表1所示。

表1 物料的主要参数

1.3 试验方案

试验起始，实验固定每个消化瓶绝干物料为40 g，选择接种量为20%，物料的总含固量（TS）调节为8%和10%，中温（35±1）℃，调节搅拌器转速为120 r/min，水力停留时间为25 d，搅拌频次定为每4 h连续搅拌1 h。餐厨垃圾与市政污泥厌氧混合消化的TS之比分别为：100:0、80:20、60:40、40:60、20:80和0:100，所对应的C/N见表2。实验过程中每天测定日产气量、pH、气体组分、TS、VS、挥发性脂肪酸（VFA） 和碱度等参数。

表2 不同餐厨垃圾与污泥TS之比的C/N

1.4 分析方法

pH采用上海雷磁PHS-25型酸度计直接测定；含水率采用烘干法；TS、VS采用重量法［3］；氨氮采用德国WTW公司6100VIS型分光光度仪测定；凯氏氮采用国标法GB 11891—1989测定。总有机碳（TOC）：垃圾中有机碳含量大约为有机物含量的47%，因此可通过已测定的挥发性固体含量的值，再乘以0.47得出总有机碳的含量［4］。气体组分和VFA采用GC9790型气相色谱仪测定。测量消化物料各指标取样方法：充分摇匀消化瓶中的物料，在进料前，取消化物料的固液混合物测定。

2 结果与讨论

2.1 不同物料含固率对厌氧消化系统的影响

连续进出料可以比一次性进料获得更稳定的消化系统，从而使研究结果更加贴近实际需要，对工艺设计更具有指导意义。

由于污泥的C/N仅为3.4，而餐厨垃圾的C/N为17.8，并且餐厨垃圾的水解性强，容易被微生物所利用［5］，所以由图2可以看出，连续投加含固率8%餐厨垃圾的厌氧消化系统，日产气量最高，为180～1 030 mL；而投加含固率分别是8%和10%污泥的厌氧消化系统，日产气量比较低，分别为0～170 mL和0～200 mL。

图2 不同的物料含固率对厌氧消化中日产气量的影响

由图3可以看出，投进10%的餐厨垃圾，系统的pH会不断下降，出现酸化现象。这是由于TS为10%的餐厨垃圾中有机物含量，是以上4种物料中最高的，微生物在分解有机物的过程中会产生大量的VFA，中和了消化系统中原有的一部分碱度，所以使得系统的缓冲能力降低，pH下降，从而影响微生物的消化作用，导致产气量下降［6］。

图3 不同的物料含固率对厌氧消化中pH的影响

因此，选择8%的含固率作为不同混合比例研究的进料含固率。

2.2 不同物料比例对日产气量、稳定性和pH的影响

日产气量随餐厨垃圾加入比例的变化如图4所示。随着餐厨垃圾的比例增多，日产气量也不断增大。当餐厨垃圾与污泥TS之比由0:100到100:0时，日产气量范围由0～145 mL增长到110～1 170 mL。所得结果与第1次试验的结果相同。

图4 不同的物料混合比例对厌氧消化中日产气量的影响

此外，当餐厨垃圾与污泥TS之比为60:40和80:20时，相较于污泥单独厌氧消化，日产气量有明显的提高，分别是110～690 mL和340～630 mL。付胜涛等［5］按照进料餐厨垃圾和污泥TS之比为80:20、60:40和40:60中温厌氧消化，当餐厨垃圾与污泥之比为80:20时，累计产甲烷量最高，发现随着餐厨垃圾比例的提高，有助于提高剩余活性污泥的水解性能，从而提高沼气和甲烷的产量，当餐厨垃圾比例高于40%时，能够明显地提高污泥的降解性能，与本次不同的物料比例对日产气量影响的实验研究相符。

由于餐厨垃圾的C/N较高，水解性强，容易被微生物利用，所以当餐厨垃圾单独厌氧消化时，日产沼气量在6组试验中是最高的。然而，由图5可以看出，当餐厨垃圾单独厌氧消化时，pH会下降到7以下，VFA/碱度的波动比较大；其VFA/碱度的平均值为0.79。碱度是衡量厌氧消化系统缓冲能力的尺度，而VFA/碱度可用来衡量系统的稳定性。一般情况下，当VFA/碱度＜0.4时，系统的酸化风险较小，缓冲能力强，稳定性高［7］。所以，当餐厨垃圾单独消化到第4天时，系统pH下降到6.5以下，产生了酸化，从而影响到日产沼气量。然而，当餐厨垃圾与污泥混合后，pH和VFA/碱度的波动比较小，并且由表3可以看出，混合物料的VFA/碱度的平均值基本都小于0.4。所以，相较于餐厨垃圾单独厌氧消化，将餐厨垃圾与污泥混合厌氧消化，可以提高系统的稳定性。而且，很多研究者认为在餐厨垃圾中加入污泥，可以提高进料中营养物成分，促进微生物生长及提高厌氧消化过程的稳定性［8］。

由此可以得出，相较于餐厨垃圾单独厌氧消化和污泥单独厌氧消化，当餐厨垃圾与污泥TS之比为60:40和80:20是可以明显提高污泥的日产沼气量，并且有助于提高厌氧消化过程的稳定性。

图5 不同的物料混合比例对厌氧消化中pH和VFA/碱度的影响

表3 不同餐厨垃圾与污泥比例的VFA/碱度平均值

2.3 不同物料混合比例对TS和VS去除率的影响

厌氧消化的目的之一是降解餐厨垃圾和污泥中的固体污染物，减少其对环境的污染。由图6可知，当污泥单独厌氧消化时，TS和VS平均去除率分别是35%和44%。当餐厨垃圾加入比例为60%和80%时，TS去除率分别提高了103%和71%；VS去除率分别提高了75%和70%。当餐厨垃圾与污泥比例为60:40时，混合物料的C/N为12.04，TS和VS去除率比餐厨垃圾单独厌氧消化、污泥单独厌氧消化的去除率都要高，分别是71%和77%。表明将适量的餐厨垃圾与污泥混合，可以促进TS和VS的降解。廖燕等［9］采用常温厌氧消化工艺处理餐厨垃圾和剩余活性污泥，当进料为60:40时，系统比餐厨垃圾单独厌氧消化和污泥单独厌氧消化的TS和VS去除效果更加理想，分别达到32.89%和59.05%，与以上研究相符。

图6 不同的物料混合比例对TS和VS去除率的影响

因此，当餐厨垃圾与污泥TS之比为60:40时，有机物降解效果最好，TS和VS去除率最高。

2.4 不同物料混合比例对沼气和甲烷产率的影响

文献资料表明，我国城镇污水处理厂污泥厌氧消化产生的沼气中甲烷含量范围是45%～64%［10］。本试验中沼气的甲烷（CH）4和二氧化碳（CO）2含量范围和平均值见表4。从表4可以看出，当污泥中加入不同比例的餐厨垃圾，CH4含量都会明显提高。污泥单独消化时，沼气中的甲烷含量为30%～61%，平均值为45%。当餐厨垃圾的加入比例分别为20%、40%、60%、80%和100%，沼气中甲烷的平均值分别提高了22%、22%、22%、24%和17%。这是因为餐厨垃圾的组成成分主要是碳水化合物、脂肪和蛋白质等，具有良好的降解性，从而提高了沼气中甲烷含量［11］。

表4 不同物料混合比例对气体组分的影响

由图7可知，当餐厨垃圾与污泥的TS之比为40:60、60:40和80:20时，去除单位VS的沼气和甲烷平均产量比餐厨垃圾单独厌氧消化和污泥单独厌氧消化的平均产量都高。然而，当餐厨垃圾与污泥的TS之比为20:80时，由于其C/N仅为6.28，从而沼气和甲烷平均产量比较低。而污泥单独厌氧消化时，其C/N和有机质含量低，是导致产气量低的原因。

图7 不同的物料混合比例对沼气产率和甲烷产率的影响

虽然餐厨垃圾单独厌氧消化时的C/N比混合物料的C/N高，但是由于餐厨垃圾易酸化水解，产生大量的VFA等中间产物。如果不能够及时被甲烷微生物所利用，就会使得系统内pH下降到7以下，从而影响沼气和甲烷的产生。然而，当餐厨垃圾与污泥的TS之比为80:20时，C/N为14.92，去除单位VS的沼气和甲烷平均产率是6组试验中最高的，分别达到712 mL/g和388 mL/g；相较于餐厨垃圾单独厌氧消化，去除单位VS的沼气和甲烷平均产率分别提高了16%和19%。

因此，将适量的餐厨垃圾与污泥混合，可防止系统产生过多的VFA等中间产物，从而提高去除单位VS的沼气和甲烷产率，提高系统的稳定性。当餐厨垃圾与污泥TS之比为80:20时，资源化利用效果最好，去除单位VS的沼气和甲烷产率最高。

3 结论

1）在连续进料的条件下，投加含固率为8%餐厨垃圾会比投加含固率为10%餐厨垃圾更加稳定，并且日产气量更高。

2）相较于污泥单独厌氧消化，当餐厨垃圾与污泥TS之比为60:40和80:20是可以明显提高污泥的日产沼气量，并且有助于提高厌氧消化过程的稳定性。

3）相较于餐厨单独厌氧消化，当餐厨垃圾与污泥TS之比为60:40时，餐厨垃圾和污泥中固体污染物降解效果最好，TS和VS去除率最高，分别达到71%和77%。

4）将适量的餐厨垃圾与污泥混合，可以防止餐厨垃圾产生过量的VFA，提高沼气和甲烷产率。当餐厨垃圾与污泥TS之比为80:20时，资源化利用效果最好，去除单位VS的沼气和甲烷产率最高，分别达到712 mL/g和388 mL/g。

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