餐厨垃圾中高温厌氧发酵的产沼动力学模拟及比较研究

2020-07-24施宇森应李广黄顺寅俞奔洪钰婷曹玉成

安徽农学通报 2020年13期

施宇森　应李广　黄顺寅　俞奔　洪钰婷　曹玉成

摘要：通过批式试验研究了中温和高温2种工艺温度下餐厨垃圾厌氧发酵沼气产率及其动力学特征。结果表明：试验第33天，中温和高温处理系统比沼气产率分别达到706.14L/kg、897.80L/kg。Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型均可以用来模拟餐厨垃圾中高温发酵产沼动力学过程，其中Gompertz模型具有更高的拟合度（R2>0.99），预测值与实验观测值之间的吻合程度更高（相对均方根误差RRMSE<0.03，模型效率ME>0.99）、拟合求得的中温和高温系统最大沼气产气潜能分别为0.43m3·d-1、0.64m3·d-1，产气迟滞期分别为4.65d、3.65d，表明高温处理系统的产沼性能优于中温处理系统。

关键词：餐厨垃圾;厌气发酵;比沼气产率;动力学模拟

中图分类号 TS201.2文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）13-0155-04

Abstract： In this study， a batch experiment was conducted to study specific biogas production and kinetic characteristics of the anaerobic digestion of food waste at mesophilic and thermophilic conditions. Three kinetic models including the transference model， the modified gompertz model and the modified logistic model were considered to evaluate the biogas yield potential， the maximum biogas production rate and the duration of lag phase. Values of the specific biogas production were found to be 706.14L/kg for the mesophilic process and 897.80L/kg for the thermophilic process. The three kinetic models were proven to be suitable for predicting the biogas production of the two digstion process systems， and the modified Gompertz model was the best approach to fitting the experimental results （R2>0.99， RRMSE <0.03 and ME >0.99）. According to the modified Gompertz model， the maximum biogas production rate and the duration of lag phase were estimated as 0.43m3/d and 4.65d for the mesophilic process， respectively， and as 897.80 L/kg and 0.64 m3/d for the thermophilic process， respectively. The results indicated that the thermophilic digestion treatment of food waste could be better than the mesophilic digestion treatment in biogas production performance.

Key words： Food waste; Anaerobic digestion; specific biogas production; Kinetic modelling

餐厨垃圾资源化利用一直是国内外环境科学与工程领域研究的热点之一，也是当前我国生态文明建设推进的环保民生工程之一。據统计，2017年我国餐厨垃圾年产量高达1.58×108t。随着我国社会经济的发展、城镇化的推进和居民生活水平的提高，餐厨垃圾的产生量必将持续增加。长期以来，我国对餐厨垃圾的处置主要采用填埋、焚烧和饲料化利用3种方式[1]。填埋占用有限的土地资源，同时也难以避免向空气、水体以及土壤环境中排放污染物。焚烧具有减量化彻底、可完全灭绝有害生物、并可部分回收能源等优点，但是，焚烧处置不可避免地会产生大量携带多种有毒有害物质的烟气，而这些有毒有害物质的有效清除和净化需要大量的设施投入和较高的运行费用。饲料化利用可实现餐厨垃圾的资源化，但具有潜在的食物链风险，并容易滋生众多环境卫生问题。

厌氧消化是一种基于厌氧生物转化机理的废弃物稳定化、减量化和能源化处理技术，具有反应条件温和、运行成本低、二次污染小等优点。通常可将废物中近50%的有机物转化成沼气，所生成的沼气是一种可代替煤、天然气等化石燃料的清洁能源，产生的沼液和沼渣营养成分含量高，可直接或简单处理后替代化肥还田利用。因此，该技术已被广泛应用于畜禽粪污、污水处理厂污泥等富含有机质废物的处理[2-4]。而餐厨垃圾有机质和水分含量高，蕴含着大量生物质能，其高含水特性又为这类垃圾的厌氧消化能源转化提供了有利条件。近年来，我国许多地区正在掀起的生活垃圾分类工作为餐厨垃圾厌氧消化等能源化利用的产业化创造了极为有利的市场和政策条件。

厌氧发酵产气动力学研究可以获取产气速率、最大产气潜能等特征参数，对于工艺优化和指导工程设计具有重要意义。目前，国内外针对市政污泥和畜禽粪污厌氧发酵产气动力学开展了比较深入细致的研究，但对餐厨垃圾发酵动力学特征的研究还较为欠缺，特别是对餐厨垃圾中高温厌氧发酵动力学的比较研究还较少涉及[5]。为此，本试验以餐厨垃圾为供试材料，通过中试规模的批式试验研究中温和高温2种工艺温度下餐厨垃圾厌氧发酵沼气产生量，在此基础上，利用Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型模拟产沼过程，获取相关动力学参数，以期为餐厨垃圾厌氧发酵工艺优化设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料餐厨垃圾取自浙江农林大学东湖校区食堂，主要组成为米饭、蔬菜、肉类和水产品等。采集后先用大孔筛网筛除骨头、饮品盒、塑料袋和纸巾等粗杂物，然后置于塑料桶中用强力搅拌机进行破碎均质化处理，再采用小孔筛网（孔径5mm）筛除细杂质后用于试验，并取样分析基本理化性质（pH6.78，TS7.82%，VS68.84g/L，VS/TS95.50%）。接种泥取自杭州临安正兴畜牧有限公司猪场粪污处理站UASB反应罐厌氧消化泥（沼渣），接种量10L。

1.2 试验装置及运行试验共设计2套相同构造的CSRT中试反应器平台，每套CSRT反应器容积220L，工作容积180L。各反应器平台均配有加热温控装置、搅拌器、进料孔、出料孔和沼气及甲烷产量在线计量系统。试验采用一次投料和出料的批试运行方式，投料前先将接种泥分别置于2套试验装置中（温度分别控制在35℃和55℃）孵化15d（以去除残留有机物），然后将经预处理的餐厨垃圾由经进料孔投入反应器。试验期间每3d记录1次沼气和甲烷产量，并换算成标准状态（0℃、101.325kPa）下的气体体积。

1.3 动力学模拟分析方法分别采用Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型对累积产气量数据进行拟合[5-7]。

2 结果与分析

2.1 比沼气产率的时间变化比沼气产率表示投入反应器的单位有机质（以VS计）所产生的沼气量（L/kg）。图1为餐厨垃圾中温（35℃）和高温（55℃）厌氧发酵沼气产率情况。从图1可以看出，随着反应时间的延长，2组反应器系统比沼气产率均呈现逐渐增加趋势，且高温处理系统比沼气产率始终高于中温系统;至试验结束时（第33天），中温和高温系统比沼气产率分别达到706.14L/kg、897.80L/kg。

2.2 Transference模型模拟与验证运用Transference模型[公式（1）]对2组厌氧发酵处理系统批式实验数据进行非线性拟合，并进行模型统计验证分析，结果如图2和表1所示。表1中相对均方根误差（RRMSE）和模型效率（ME）反映模型预测值与试验实测值之间的整体偏差，RRMSE傎越小（取值范围0～∞）或ME越大（取值范围-∞～1），表明预测值与实测值间越接近。

由表1可知，Transference模型具有较高的拟合度（R2>0.970），模型预测值与实测值之间吻合程度较好，表明Transference模型可以用来描述厌氧发酵处理系统在批式运行条件下产气过程。对比中高温2套厌氧发酵处理系统模拟结果发现，高温系统最大沼气产气潜能（0.66m3·d-1）明显高于中温系统（0.40m3·d-1），其产气迟滞期（1.57d）略小于中温系统（1.95d），表明其工艺性能要好于中温系统。

2.3 修正的Gompertz模型模拟与验证运用修正的Gompertz 模型[公式（2）]对2组处理系统沼气产量数据进行拟合，并进行模型统计验证分析，结果见图3和表2。由表3可知，修正的Gompertz模型可以很好地模拟餐厨垃圾厌氧发酵产沼动力学过程（R2>0.97，RRMSE<0.03，ME>0.99）。模拟结果发现，中温和高温处理系统最大沼气产气潜能分别为0.43m3·d-1、0.64m3·d-1，两者产气迟滞期分别为4.65d、3.65d。

2.4 修正的Logistic模型模拟与验证图4为修正的Logistic模型f（C，B，Rb，λ）与反应时间（t）之间的非线性回归曲线，表3列出了拟合参数以及模型统计验证参数值。由图4和表3可知，Logistic模型具有较高的拟合度（R2>0.98），模型预测值与实测值之间也高度吻合（RRMSE<0.06，ME>0.99）），表明该模型可以用来描述试验条件下厌氧发酵处理餐厨垃圾的产沼过程。对比中高温2套处理系统模拟参数可以看出，高温系统的最大沼气产气潜能（0.65m3·d-1）明显高于中温系统（0.45m3·d-1），其产气迟滞期为4.25d，小于中温处理系统接近1.3d。

3 讨论

厌氧发酵动力学研究是指导工程设计的重要基础，也是理解沼气化过程机理和工艺优化调控的重要手段。许多动力学模型已用于模拟厌氧发酵产气以及底物降解过程，其中Transference模型、修正的Gompertz模型、修正的Logistic 模型等多参数非线性模型不仅可以输出最大产气潜能（如产气速率）等工艺性能参数，还可以获取用于指标反应器启动性能的延迟时间参数，因而近年来逐渐引起了重视[5-7]。本研究结果发现，Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型均适用于模拟餐厨垃圾中温和高温发酵的产沼动力学过程;基于模型验证发现，相较于Transference模型和修正的Gompertz模，修正的Gompertz模型具有更高的拟合度（R2>0.99），预测值与实验观测值之间的吻合程度更好（相对均方根误差RRMSE<0.03，模型效率ME>0.99），表明该模型更适合用来描述餐厨垃圾的发酵沼气化过程。

厌氧发酵的产气效率受温度的影响较大，通常高温厌氧发酵（50～57℃）在底物降解率、产气量等工艺性能方面明显优于中温厌氧发酵（50～57℃），但过高的反应温度易出现挥发性有机酸积累现象，导致沼气产量降低[8]。本研究为期33d批试实验沼气产量的动态观测和动力学分析发现，高温厌氧发酵系统比沼气产率始终高于中温发酵系统，其最大沼气产气潜能（0.64m3·d-1）也明显高于中温发酵系统（0.43m3·d-1）;此外，相较于中温厌氧发酵系统，采用高温发酵处理系统可以缩短产气迟滞时间，进而减少物料停留时间或提高物料处理量。

4 结论

（1）第33天中采用高温厌氧发酵餐厨垃圾，试验中温和高温系统比沼气产率分别达到706.14L/kg、897.80L/kg。

（2）采用动力学模型模拟与验证，Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型均可以用来模拟餐厨垃圾中高温发酵产沼动力学过程，其中Gompertz模型具有更高的拟合度，预测值与实验观测值之间吻合程度更好。

（3）相较于中温厌氧发酵，采用高温厌氧发酵工艺处理餐厨垃圾在产气潜能上具有明显优势，并可以缩短产气延迟时间。

参考文献

[1]胡新军，张敏，余俊锋，等.中国餐厨垃圾处理的现状、问题和对策[J].生态学报，2012，32（14）：4575-4584.

[2]曹秀芹，柴莲莲，徐国庆，等.基于猪粪流变特性的厌氧消化反应器内的数值模拟[J].环境工程学报，2020，14（02）：498-505.

[3]刘芳，王宇清，边喜龙，等.生物炭介导市政污泥两相厌氧消化性能研究[J].工业水处理，2020，40（03）：63-67.

[4]曹秀芹，王浩冉，江坤，等.污泥厌氧消化过程的流变规律与脱水性能[J].农业工程学报，2020，36（05）：233-240.

[5]刘新媛，肖娟，聂家民，等.鸡粪和餐厨垃圾中温厌氧发酵产甲烷特征及动力学[J].中国沼气，2019，37（05）：15-20.

[6]Mu Yang，Yu Han-Qing，Wang Gang.A kinetic approach to anaerobic hydrogen-producing process[J].Water Research，2007，41（5）：1152-1160.

[7]喬玮，毕少杰，尹冬敏，等.鸡粪中高温厌氧甲烷发酵产气潜能与动力学特性[J].中国环境科学，2018，38（01）：234-243.