新型两相一体厌氧消化反应器处理餐厨垃圾中试研究

史绪川,左剑恶*,阎 中,甘海南,王凯军

新型两相一体厌氧消化反应器处理餐厨垃圾中试研究

史绪川1,左剑恶1*,阎 中2,甘海南3,王凯军1

(1.清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京 100084；2.北京中源创能工程技术有限公司,北京 100083；3.山东十方环保能源股份有限公司,山东 济南 250101)

针对餐厨垃圾厌氧消化过程易发生挥发性脂肪酸(VFAs)的积累,系统难以稳定高效运行等问题,本研究设计制造了一套中试规模的新型双环嵌套式两相一体厌氧反应器,采用双环嵌套式结构,在反应器内部将内环的产酸阶段与外环的产甲烷阶段分离.反应器共运行184d,初始负荷为60kg/d,运行阶段阶梯式提高负荷,最高达到180kg/d.结果表明,该新型反应器产气与有机固体去除效率高,稳定性好.在稳定运行阶段,有机负荷为3.0kgVS/(m3·d),容积产气率平均达到1.69m3/(m3·d),最高为2.72m3/(m3·d),平均负荷产气率为0.57m3/(kgVS·d),有机固体去除率达77.2%;由于内外环相分离作用,外环pH值相比内环高约0.3~0.4,外环挥发性脂肪酸(VFAs)和溶解性化学需氧量(sCOD)平均浓度相比内环分别降低25%和23%.双环嵌套式反应器实现了产酸和产甲烷阶段分离的作用,内环产酸相很好地完成了水解和酸化步骤,同时减轻产甲烷相受到酸积累的冲击,对反应器稳定运行起到关键作用.

厌氧消化；餐厨垃圾；两相一体反应器；产甲烷

我国城市生活垃圾产量近年来迅速增加.据统计,到2016年,我国城市生活垃圾总清运量已达2.15亿t[1].我国生活垃圾中有机部分约占50%~75%,包括餐厨垃圾、果蔬垃圾、纸张、园林废弃物等[2].其中,餐厨垃圾作为城市生活垃圾中的一种典型生物质垃圾,产量迅速增加,据估计,目前我国餐厨垃圾年产量接近9千万t[3].近年来,餐厨垃圾的处理处置与资源化利用引起了人们的广泛关注.目前我国餐厨垃圾处理的技术主要是厌氧消化、好氧堆肥、饲料化、填埋等.其中采用厌氧消化技术处理餐厨垃圾可以实现资源化利用,减少污染的同时生产沼气作为可再生能源,已被证明是最有发展前景的处理手段之一[4].

目前,已有较多的研究者对餐厨垃圾厌氧消化过程进行研究,结果表明,餐厨垃圾厌氧消化易导致挥发性脂肪酸(VFAs)的积累,产甲烷菌活性受抑制,系统难以稳定高效运行[5].高有机负荷､环境条件波动､抑制性物质等都有可能导致厌氧系统酸化,而其主要原因是VFAs的产生和消耗不平衡[6].产酸细菌世代时间短,生长速率快,可以大量产生有机酸,而产甲烷菌世代时间长,增殖速率慢,消耗有机酸能力有限.当产甲烷菌受到环境因素波动无法将产生的酸转化为甲烷时,就会出现VFAs积累的现象.高浓度VFAs对产甲烷菌有较强的抑制作用,且会导致pH值下降,对产甲烷菌造成更严重的抑制,加剧酸积累,最终导致系统崩溃[7-8].

为解决酸积累和酸抑制问题,有较多的研究者提出两相厌氧消化工艺,即通过分离产酸相和产甲烷相,为两类微生物菌群分别提供最适生长环境,从而提高整个系统厌氧消化效率.相比传统的单相工艺,两相厌氧消化工艺的处理能力和产气能力都有所提高[9-10].但是两相厌氧反应器也存在反应器占地面积大,投资成本高,系统操作与维护较复杂等缺点.相比于组合式的两相厌氧消化工艺,一体式两相厌氧反应器将产酸相与产甲烷相两种不同反应器集成在同一反应器内,不仅实现了同一反应器内部的分相,使产酸与产甲烷菌群能够有适宜的代谢和生长条件,而且结构紧凑,占地面积小[11].

目前,文献中所报道的两相一体式厌氧反应器主要应用于处理秸秆等水解酸化较慢的生物质垃圾[12-14].酸化相主要起到强化水解和酸化的作用.而针对餐厨垃圾一类水解速率快,易酸化的生物质垃圾采用两相一体式厌氧反应器的案例很少.此外,由于内部结构较复杂,设计要求高,目前,两相一体式厌氧反应器大多属于专利产品,且仍处于小试试验阶段,中试及工程规模的应用较少.

针对餐厨垃圾厌氧消化中的酸积累,和传统两相工艺占地面积大等问题,本研究中开发了一种双环嵌套式两相一体化厌氧消化工艺,在中温条件下对两相一体化厌氧消化反应器进行了中试规模的试验研究,以期有效地解决传统厌氧消化技术处理餐厨垃圾存在的瓶颈,提高系统稳定性和产气率,为餐厨垃圾的高效资源化利用提供有益的参考.

1 材料与方法

1.1 物料和接种污泥

试验所用餐厨垃圾取自山东省济南市某餐厨垃圾处理厂预处理车间.该厂的餐厨垃圾主要来源于济南市市区范围内的餐馆、食堂,主要成分为米饭、肉类、豆腐、蔬菜、油脂等,以及纸张、塑料、木头等杂质.餐厨经过预处理车间的分拣、破碎与提油等预处理环节后呈浆状,之后进入厌氧消化罐处理.试验中所用的餐厨垃圾总固体含量(TS)为(8.3±2.9)%,挥发性固体含量(VS)为(7.0±2.7)%.餐厨垃圾物料的主要性质见表1.

表1 餐厨垃圾物料的主要性质

接种污泥取自该餐厨垃圾处理厂内工程规模的厌氧消化罐,其物料也以餐厨垃圾为主.接种污泥的总固体含量(TS)为(2.4±1.1)%,挥发性固体含量(VS)为(2.2±0.2)%.

1.2 试验装置与工艺流程

本研究中所设计的中试设备将进料池、进料泵、厌氧发酵罐、电加热水箱、沼渣沼液池、电气控制柜等单元集中布置在铁制底座上,实现设备的集成化、标准化.其平面布置图如图1所示.系统运行时,进料餐厨垃圾通过自动提升机倒入原料池中,并通过螺杆泵泵入厌氧发酵罐内,在消化罐内停留20~25d后,出料混合液通过排料管排入沼渣沼液池暂存.电加热水箱与厌氧消化罐内的加热盘管相连,通过热水的循环实现厌氧消化罐内部加热.发酵罐两侧设置扶梯和操作平台,方便设备安装调试与取样.整个系统通过电气箱中的PLC程序自动控制,系统运行、控制的难度大大降低.

核心设备为双环嵌套式厌氧发酵罐.发酵罐主要包括内外环主体结构、搅拌系统、取样与监测系统等.其中内环作为水解酸化相,外环为产甲烷相.经过预处理后的餐厨垃圾进料通过螺杆泵首先泵入消化罐内环.经过3~4d的水解酸化,物料在内环上部溢流进入到外环进行产甲烷反应.经过20d左右的产甲烷反应,被充分厌氧消化利用的混合液由上部出料管排出.另外,发酵罐底部设有排空管用于排空和清渣.发酵罐内部设有两套搅拌系统,外环采用潜水搅拌机推流搅拌,内环采用传统的中心轴搅拌.在反应罐顶部设有不同长度的取样管(内环外环各3处)浸没在发酵罐液面以下,取样管中放置在线pH 计和温度计用于监控系统pH值和温度.发酵罐总体积为4.37m3,有效体积3.41m3,高度为1.95m,内外环直径比为2.5:1,内外环有效体积比为1:4.8.消化罐温度通过自动控制系统保持在(37±2)℃.

图1 双环嵌套式高效厌氧消化中试设备平面布置

图2 两相一体式厌氧发酵罐结构

1.3 试验方法

反应器采用半连续式进出料方式,每天进料出料一次.根据反应器运行情况,逐步提高有机负荷,停留时间也相应缩短.第1~46d为第1阶段,是系统的启动阶段,每日进料60kg,这一阶段餐厨垃圾进料VS平均含量为7.3%,单位容积有机负荷平均为1.3kgVS/(m3·d),停留时间为57d(内环10d+外环47d).第47~96d为第2阶段,每日进料量增加至100kg,这一阶段餐厨垃圾进料VS平均含量为6.7%,单位容积有机负荷平均为2.0kgVS/(m3·d),停留时间为34d (内环6d+外环28d).第97~160d为第3阶段,每日进料量增加至150kg,这一阶段餐厨垃圾进料VS平均含量为6.8%,单位容积有机负荷平均为3.0kgVS/ (m3·d),停留时间为23d (内环4d+外环19d).第160~184d为第4阶段,每日进料量增加至180kg,这一阶段餐厨垃圾进料VS平均含量为7%,单位容积有机负荷平均为3.7kgVS/(m3·d),停留时间为19d (内环3d+外环16d).

1.4 分析测试方法

TS采用烘干法(105°C)测定;VS使用马弗炉(550°C)测定;pH值采用在线pH计测量(联测仪表,SIN-PH5011);C、H、O、N元素质量百分含量采用元素分析仪(SENSE, EDX-1050)测量;挥发性脂肪酸(VFAs)浓度和碳酸氢盐碱度测定采用联合滴定法[15],总VFAs浓度以乙酸浓度计(mg/L);溶解性化学需氧量(sCOD)取经过离心过滤预处理后的上清液,采用国标方法测定;沼气从消化罐排出后先经过脱硫和干燥装置,流量采用叶轮式气体流量表计量(TYG-Y-4).沼气气体成分采用便携式沼气分析仪测定(上海昶艾,Cl-PS10).

2 结果与讨论

2.1 有机负荷与产气情况分析

如图3所示,在试验启动阶段,反应器即有较好的产气性能,初始的单位容积产气率在0.5m3/(m3·d)左右,随着试验的进行,单位容积产气率逐渐升高,而在25~35d期间,单位容积产气率出现下降,这主要是由于在启动阶段,设备处于调试期,运行状态不是十分稳定,厌氧微生物活性并未达到理想状态,出现了VFAs的大量积累.VFAs的积累抑制了产甲烷菌的活性,导致了产气率的下降.随着反应器运行逐渐稳定,容积产气率又出现了上升,基本处于稳定状态.在第2阶段和第3阶段,由于进料量的增加和有机负荷的提高,产气率有明显提高.第2阶段单位容积产气率平均为1.11m3/(m3·d),第3阶段单位容积产气率平均为1.69m3/(m3·d),最高为118d的2.72m3/(m3·d).而到第4阶段,在初期,由于进料量增加,有机负荷提高,产气率继续提高,最高为168d的3.51m3/(m3·d),但是在后期随着反应器内出现VFAs积累,系统变得不稳定,产气率也相应下降.

图3 试验不同阶段单位容积产气率变化曲线

由于餐厨垃圾进料VS含量波动较大,因此计算单位负荷产气率时,有机负荷取每一阶段的平均值.在第1阶段,平均单位有机负荷产气率为0.45m3/ (kgVS·d),最高为44d时的0.88m3/(kgVS·d).第2阶段平均单位有机负荷产气率为0.56m3/(kgVS·d),最高为82d的0.97m3/(kgVS·d).第3阶段平均单位负荷产气率为0.57m3/(kgVS·d),最高为118d的0.91m3/ (kgVS·d).第4阶段由于后期VFAs积累,产气率也相应下降,平均单位负荷产气率为0.55m3/(kgVS·d),最高为168d的0.87m3/(kgVS·d).由此可以看出,在稳定运行阶段,每日容积产气率虽然受到进料VS波动影响,存在波动,但平均的单位有机负荷产气率相对稳定,反应器整体运行状态稳定良好.与此同时,在第2､3､4阶段,监测了沼气中甲烷和二氧化碳的含量,甲烷的含量平均为62.3%,最高为78%,最低为34%.按照平均甲烷含量计算可得平均单位负荷甲烷产率为0.35m3/(kgVS·d).

根据表1中餐厨垃圾元素分析结果,计算可知,试验所用餐厨垃圾的化学式可表示为C10.0H25.4O5.6N.其理论产甲烷量计算可得0.57Nm3/ kgVS.由此得到,厌氧生物可降解约为61%,与文献报告值接近,表明在稳定运行阶段,系统产甲烷效率较高[15].李荣平等[17]利用序批式厌氧消化试验研究了早、中、晚餐餐厨垃圾的产甲烷潜力,其累积甲烷产量在0.21~0.36m3/kgVS.考虑到本研究中所使用的餐厨垃圾经过了湿热提油预处理,有相当部分的有机质已经被提取,因此,本研究中反应器的产甲烷效率已经较高.

在相关文献中,有较多的对餐厨垃圾厌氧消化工艺的报道,郭晓慧等[18]对比分析了餐厨垃圾中温与高温条件下单相半连续厌氧消化处理餐厨垃圾,发现中温反应器具有更好的稳定性和更高的容积产甲烷速率.中温反应器在负荷2.5kgVS/(m3·d)下实现稳定运行,单位容积甲烷产率为1.0m3/(m3·d);而在高温条件下,在负荷为2.0kgVS/(m3·d)时,VFAs (主要是乙酸和丙酸)明显积累的情况下,仍可维持相对稳定的容积甲烷产生速率0.77m3/(m3·d).当负荷升至2.5kgVS/(m3·d)时因乙酸和丙酸迅速积累,pH值急剧下降,产气几近停滞,系统接近崩溃.董蕾等[19]在中试规模下开展餐厨垃圾高温厌氧消化,结果表明最大有机负荷可以达到2.55kgVS/(m3·d).Lin 等[20]在3kgVS/(m3·d)的负荷下共消化餐厨垃圾和果蔬垃圾,结果表明,由于挥发酸积累和氨氮抑制,单独消化餐厨垃圾时,产气率迅速下降,系统不稳定甚至崩溃.

以上研究结果表明,在采用传统单相全混式(CSTR)反应器时,由于餐厨垃圾易酸化､容易导致氨氮抑制的特点,负荷难以提高,通常只能达到2.0~2.5kgVS/(m3·d),而中试和工程规模的反应器运行调控难度大,有机负荷则更低.本研究中采用的双环嵌套式反应器通过同一反应器内两相分离,可以减轻挥发酸积累对产甲烷菌的抑制作用,可以在中试规模下实现3kgVS/(m3·d)有机负荷下的稳定运行,达到较高的容积产气率.

2.2 反应器运行情况分析

2.2.1 反应器pH值变化情况 反应器内料液的pH值是重要的运行参数之一,能够直接反映厌氧消化过程的稳定性.餐厨垃圾中主要是易降解的有机物,水解酸化速率快,容易酸败,原料的pH值约为3~5.如图4所示,在启动阶段,由于出现VFAs的积累,出现明显酸化现象,内外环的pH值均出现显著下降,内环pH值最低达到6.7.而外环pH值在酸化阶段最低达到7.25.在第2和第3阶段,反应器运行平稳,pH值相对稳定,内环pH值稳定在7.3,外环pH值稳定在7.4~7.7之间.而在第4阶段,当由于有机负荷较高反应器出现酸化时,内环pH值迅速降低,而外环pH值在内环酸化后随之降低,但仍在7.0以上,由此保证外环较少受到酸化导致pH值迅速降低的影响.由于内外环的分相作用,内环和外环的pH值有一定的差异.两者相差了0.3~0.4.内外环pH值的差别有利于不同种群的微生物分别在适宜的环境下生长繁殖,特别是外环的产甲烷菌在VFAs积累时,受到较小pH值下降的冲击,避免了环境条件突变对产甲烷过程的影响,保证了产甲烷过程的持续高效运行.内环产酸相的pH值相对于传统两相工艺产酸反应器较高.一方面避免了低pH值对后续产甲烷相的影响,另一方面也有利于水解产酸反应进行,张波等[21]通过序批式试验发现在pH值为7的条件下,餐厨废弃物有更高的水解率和酸化率,VFAs以丁酸和乙酸为主,丙酸很少,能够为后续产甲烷过程提供更有利的基质.

图4 试验不同阶段内环与外环pH值变化曲线

2.2.2 反应器VFAs浓度变化情况 挥发性脂肪酸(VFAs)是水解酸化阶段的产物,同时也是产甲烷阶段的底物,因此是厌氧消化过程中最重要的中间代谢产物之一.VFAs浓度能够有效反映出厌氧消化过程状态的好坏.当VFAs浓度保持在较低水平时,说明反应器运行稳定;反之,说明反应器系统不稳定,产酸与产甲烷过程不协调,高浓度的VFAs还会抑制产甲烷菌的活性,造成酸中毒[22].如图5所示,在启动阶段,28~36d,内环VFAs浓度快速增加,最高达到13.5g/L,而外环VFAs浓度峰值相比内环滞后2d,同时外环VFAs浓度峰值相比内环降低了17%,为11.2g/L.在第2､第3阶段,反应器处于稳定运行阶段,VFAs均保持在较低水平.其中第3阶段,内环VFAs平均浓度为2.5g/L,外环VFAs平均浓度为1.9g/L左右.分相作用使外环VFAs浓度相比内环降低了25%,减轻了VFAs积累对产甲烷菌的抑制作用.在第4阶段,由于负荷提高,出现VFAs积累,内环VFAs浓度再次快速增加,系统出现不稳定的情况,外环VFAs浓度也随之升高.VFAs积累表明这一阶段有机负荷较高,系统难以持续稳定运行.江志坚[23]的研究中,通过两相工艺共消化餐厨垃圾和果蔬垃圾,发现甲烷相在3kgVS/(m3·d)下VFAs含量较低,平均为2.5g/L,而当负荷升高到4kgVS/(m3·d)时,出现明显的挥发酸积累,VFAs含量为6.7g/L,进而导致产甲烷相温度运行不稳定.由此可以看出,由于本研究中,通过分相作用减少产甲烷相内VFAs的积累是提高系统负荷与稳定性的关键.

图5 试验不同阶段内环与外环VFAs浓度变化曲线

2.2.3 反应器sCOD浓度变化情况 sCOD主要表征了料液中的溶解性有机物的浓度,是水解酸化中产生的代谢产物,其中重要的组成成分即为VFAs,所以sCOD的变化趋势与VFAs高度相似.如图6所示,28~36d, sCOD迅速增加,最高达到90.0g/L,外环sCOD也随之升高,最高达到52.9g/L,内环与外环sCOD的浓度峰值天数相差10d左右.反应器稳定运行阶段,内环sCOD平均浓度为13.0g/L,外环sCOD平均浓度为10.0g/L.分相作用使外环sCOD相比内环降低了23%.第4阶段出现VFAs积累,内环sCOD浓度也迅速升高,系统难以持续稳定运行.

图6 试验不同阶段内环与外环sCOD浓度变化曲线

2.2.4 反应器碱度和氨氮浓度变化情况 碱度是厌氧消化稳定运行的重要参数之一,碱度起到缓冲作用可以使系统维持适宜的pH值,从而避免厌氧反应器的过酸化.如图7所示,碱度的变化与VFAs的变化趋势正好相反,当出现VFAs积累时,碱度快速降低,而当VFAs维持在较低水平时,碱度也基本稳定,这一平衡结果也反映在pH值的相对稳定的结果上.值得关注的是,在出现VFAs积累时,内环的碱度下降幅度较大,如在第一阶段,碱度迅速降低了50%左右,而同时,外环碱度的下降幅度只有20%左右.这一结果也佐证了反应器很好地实现了两相分离的作用,避免了外环产甲烷菌受到过酸化的影响.

餐厨垃圾厌氧消化过程中,氨氮的产生主要来自于蛋白质､氨基酸及其他含氮有机物的降解.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.由图8所示,在整个反应运行期间,氨氮基本保持稳定,内环与外环的氨氮浓度也差别不大.这是说明含氮有机物的降解在内环已经基本完成.通常,在低C/N比的有机固体废弃物厌氧消化过程中容易出现氨氮积累和抑制的情况,如董蕾等[19]在研究中发现,在餐厨垃圾厌氧消化过程中,系统内氨氮浓度随着餐厨垃圾的加入而逐渐升高,到反应后期达到3.1g/L时,产甲烷菌活性受到抑制,VFAs大量积累.蒋建国等[24]在厨余垃圾厌氧消化过程中发现反应器运行80d后氨氮浓度从最初420mg/L逐渐递增到3000mg/L.在本研究中并未出现这种情况,这与进料餐厨垃圾含水率较高有关,进料中的较高的水分含量对氨氮有稀释作用,避免了氨氮快速积累.在整个反应器运行阶段,内外环氨氮浓度在2.0g/L到2.5g/L,有机氮经过分解后生成的氨氮并未出现大量的积累并未发现明显的氨氮抑制作用.

图7 试验不同阶段内环与外环碱度变化曲线

图8 试验不同阶段内环与外环氨氮浓度变化曲线

2.2.5 反应器VS去除率情况 VS去除率是表征物料降解完成程度的重要指标,能反映厌氧消化过程的运行效率.由于物料先经过内环再进入外环,所以外环的VS去除率也是系统的总去除率.如图9所示,在第一和第二阶段,反应器运行不够稳定,VS去除率波动较大,第一阶段,内环和外环平均VS去除率分别为62.8%、62.2%;第二阶段,内环和外环平均VS去除率分别为72.4%、72.8%;第三阶段VS去除率较为稳定,内环和外环平均VS去除率分别为75.9%、77.2%.可以看出,系统的VS去除率较高,稳定运行期达到了77.2%.比较内环与外环的去除率,VS去除主要在内环就已经完成,内环对于VS的去除贡献占98%以上,表明固体物质在内环已经基本完成了水解过程.内外环的设计对于内环和外环功能分区起到了明显的作用.有研究表明分相可以提高VS的去除率.Wang等[25]利用固液两相分离的厌氧反应器(HASL)来处理餐厨垃圾,其中试规模半连续式试验结果表明,通过固液分离可以将产酸相和产甲烷相分离,容积产气率达到0.71m3/(m3·d), VS去除率在78%,停留时间为25d. De Gioannis等[26]对比单相和两相厌氧反应器处理餐厨垃圾的效果,发现两相工艺可以提高VS去除率,由53.3%提高至66.7%.第四阶段,有机负荷较高,系统运行不稳定,内环和外环平均VS去除率分别为49.8%、71.5%.内环的VS去除率明显下降,但总体VS去除率仍较高.这表明,此时停留时间较短,不足以保证水解阶段在内环的顺利完成,水解酸化阶段在外环继续进行,导致VFAs的积累.

图9 试验不同阶段反应器VS去除率

3 结论

3.1 本研究设计制造的双环嵌套式两相一体厌氧消化中试试验装备适用于处理餐厨垃圾,具有产气与有机固体去除效率高,系统稳定性好的特点,达到了设计要求.

3.2 反应器稳定运行负荷为150kg/d,有机负荷达到3.0kgVS/(m3·d),停留时间22.7d.容积产气率平均达到1.69m3/(m3·d),最高为3.51m3/(m3·d),平均负荷产气率为0.57m3/(kgVS·d),有机固体去除率达77.2%.

3.3 双环嵌套式结构实现了同一反应器内产酸和产甲烷阶段分离的作用,内环主要起酸化作用,pH值较低,外环主要起产甲烷作用,pH值较高.内环产酸相完成了水解和酸化步骤的同时减轻了外环产甲烷相受到酸积累的冲击,对反应器稳定运行起到关键作用.

[1] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴 [M]. 北京:中国统计出版社, 2017.

[2] 吴亚娟.城市生活垃圾典型组分水分分布特性及干燥过程试验研究 [D]. 杭州:浙江大学, 2012:2-5.

[3] Zhang C, Su H, Baeyens J, et al. Reviewing the anaerobic digestion of food waste for biogas production [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014,38:383-392.

[4] Capson-Tojo G, Rouez M, Crest M, et al. Food waste valorization via anaerobic processes: a review [J]. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2016,15(3):499-547.

[5] Li L, Peng X, Wang X, et al. Anaerobic digestion of food waste: A review focusing on process stability [J]. Bioresource Technology, 2017,248:20-28.

[6] Chen Y, Cheng J J, Creamer K S. Inhibition of anaerobic digestion process: A review [J]. Bioresource Technology, 2008,99(10):4044- 4064.

[7] Shi X, Lin J, Zuo J, et al. Effects of free ammonia on volatile fatty acid accumulation and process performance in the anaerobic digestion of two typical bio-wastes [J]. Journal of Environmental Sciences, 2017, 55:49-57.

[8] Yuan H, Zhu N. Progress in inhibition mechanisms and process control of intermediates and by-products in sewage sludge anaerobic digestion [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016,58: 429-438.

[9] 王 颢,赵明星,阮文权.餐厨垃圾两相与单相厌氧消化过程参数分析 [J]. 环境工程学报, 2016,10(2):873-879.

[10] 王凯楠.城市生物质废物的两相厌氧消化工艺研究 [D]. 北京:清华大学, 2012:7-12.

[11] Xing W, Chen X, Zuo J, et al. A half-submerged integrated two-phase anaerobic reactor for agricultural solid waste codigestion [J]. Biochemical Engineering Journal, 2014,88:19-25.

[12] 董保成,陈 羚,张玉华,等.猪粪对秸秆一体化两相厌氧产气的影响[J]. 农业工程学报, 2011,27(s1):48-52.

[13] 孙向文.一体化两相厌氧反应器玉米秸秆产气研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2012:5-10.

[14] 陈晓洁,左剑恶,林 甲,等.两相一体化厌氧消化工艺处理农业废弃物[C]//中国沼气学会, 2012:137-143.

[15] 任南琪,王爱杰.厌氧生物技术原理与应用 [M]. 北京:化学工业出版社, 2004:85-110.

[16] 李 东,袁振宏,张 宇,等.城市生活有机垃圾各组分的厌氧消化产甲烷能力[J]. 环境科学学报, 2008,28(11):2284-2290.

[17] 李荣平,葛亚军,王奎升,等.餐厨垃圾特性及其厌氧消化性能研究 [J]. 可再生能源, 2010,28(1):76-80.

[18] 郭晓慧.餐厨垃圾厌氧消化产甲烷工艺特性及其微生物学机理研究 [D]. 杭州:浙江大学, 2014:55-87.

[19] 董 蕾,占美丽,孙英杰,等.餐厨垃圾高温厌氧消化[J]. 环境工程学报, 2013,7(6):2355-2360.

[20] Lin J, Zuo J, Gan L, et al. Effects of mixture ratio on anaerobic co-digestion with fruit and vegetable waste and food waste of China. Journal of Environmental Sciences, 2011,23(8):1403-1408.

[21] 张 波,蔡伟民,何品晶. pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解和酸化过程的影响[J]. 环境科学学报, 2006,26(1):45-49.

[22] 何 琴,李 蕾,彭 爽,等.餐厨垃圾厌氧消化起泡现象研究 [J]. 中国环境科学, 2017,37(3):1040-1050.

[23] 江志坚.果蔬与餐厨垃圾混合两相厌氧消化性能的试验研究[D]. 北京:北京化工大学, 2013:71-82.

[24] 蒋建国,王 岩,隋继超,等.厨余垃圾高固体厌氧消化处理中氨氮浓度变化及其影响[J]. 中国环境科学, 2007,27(6):721-726.

[25] Wang J Y, Zhang H, Stabnikova O, et al. Comparison of lab-scale and pilot-scale hybrid anaerobic solid–liquid systems operated in batch and semi-continuous modes [J]. Process Biochemistry, 2005,40(11): 3580-3586.

[26] De Gioannis G, Muntoni A, Polettini A, et al. Energy recovery from one- and two-stage anaerobic digestion of food waste [J]. Waste Management, 2017,68:595-602.

A pilot study on integrated two-stage anaerobic digestion of food waste in an innovative dual-cylinder reactor.

SHI Xu-chuan1, ZUO Jian-e1*, YAN Zhong2, GAN Hai-nan3, WANG Kai-jun1

(1.State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Beijing Zhongyuan Energy Co., Ltd, Beijing 100083, China；3.Shifang Environmental Protection & Bio-energy Co., Ltd, Jinan 250101, China)., 2018,38(9)：3447~3454

In this study, an innovative integrated two-stage (ITS) anaerobic bioreactor was designed and constructed in pilot scale. The integrated reactor used the dual-cylinder configuration to separate the acidogenic stage in inner cylinder with the methanogenic stage in outer cylinder. The reactor was operated for 184days treating food waste with elevated organic loading rates (OLR). The ITS reactor showed high efficiency and stability. In the stable operation phases, the organic load was 3.0kgVS/(m3·d), volumetric gas production rate reached an average of 1.69m3/(m3·d), and highest value is up to 2.72m3/(m3·d); the gas production rate was 0.57m3/(kgVS·d), and the organic solids removal rate was 77.2%. Due to phase separation effect, pH value of outer cylinder was about 0.3~0.4unit higher than that of inner cylinder, the average volatile fatty acids (VFAs) and soluble chemical oxygen demand (sCOD) concentration of outer cylinder was 25% and 23% lower than that of inner cylinder, respectively. The integrated two-stage (ITS) anaerobic reactor realized the separation of acidogenic and methanogenic phases in one reactor. The inner acidogenic phase performed the hydrolysis and acidogenic steps and reduces the impact of acid accumulation on the outer methanogenic phase, which played a key role in the stable operation of the reactor.

anaerobic digestion；food waste；integrated two-stage reactor；methanogensis

X705

A

1000-6923(2018)09-3447-08

史绪川(1991-),男,河南安阳人,清华大学博士研究生,主要研究方向为餐厨垃圾厌氧消化.发表论文2篇.

2018-03-15

国家科技支撑计划资助项目(2014BAC27B01)

* 责任作者, 教授, jiane.zuo@tsinghua.edu.cn