餐厨垃圾高效厌氧消化稳定产气研究

据统计，目前我国每年产生的餐厨垃圾量超过6000 万吨。餐厨垃圾是餐饮垃圾和厨余垃圾的总称，包括餐馆、饭店、单位食堂等的饮食剩余物以及后厨的果蔬、肉食、油脂、面点等的加工过程废弃物和家庭日常生活中丢弃的果蔬及食物下脚料、剩余饭菜、瓜果皮等有机易腐垃圾。餐厨垃圾具有典型的“四高”特征——高含水量、高有机物含量、高油脂及高盐分,而且易腐败，在处理设备相对落后的条件下，处理效率和效果都不尽人意，极易影响城市环境卫生。为妥善处理餐厨垃圾，实现餐厨垃圾无害化、减量化、资源化，国家从2011 年至2015 年间批复了五批共100 个餐厨垃圾循环经济试点城市，试点项目超过160 个，试点项目中主要以厌氧消化作为主体处理工艺。在餐厨垃圾厌氧消化系统中，高负荷稳定运行并获得高产沼气是实现餐厨垃圾无害化、减量化、资源化可行性的关键。但高有机负荷往往又容易引发厌氧消化系统酸化。本实验研究不同的搅拌频率、有机负荷和投料方式对大型厌氧消化系统产气率的影响，同时检测不同条件下系统沼气产气率、pH、氨氮浓度、挥发性脂肪酸（VFA）浓度及碱度等指标的变化，探索大型全混合厌氧消化系统（CSTR）稳定运行的合适条件，为大型的全混合厌氧消化系统高效稳定化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

餐厨垃圾：由深圳市罗湖区大型的餐厅酒楼提供，经过螺旋挤压制浆、除杂和水力旋流除砂后调整含固率至（10±1）%泵送至酸化罐备用。

厌氧消化罐：试验用设备为容积3000m3的全混合式厌氧消化罐（CSTR），其中有效厌氧消化容积2200m3，高径比1：1，SUS316 材质。采用侧壁盘管和基座盘管传热控温，通过PT100温度传感器实时监控温度，发酵温度37℃。设备采用侧壁机械搅拌加外循环流体搅拌的间歇搅拌方式，总搅拌功率67kw。压力控制自动排气，气体通过流量计计量及脱硫干燥后引入发电机组资源化利用。

1.2 实验方法

1.2.1 单因素实验

分别考察搅拌频率、物料流加方式和单位体积有机负荷对厌氧系统产气影响，并组合各最优单一因素验证厌氧系统产气潜力。具体操作如下：①搅拌频率对厌氧系统产气影响。维持厌氧系统有机负荷2.0kg TVS/(m3.d)，进料频率4 次/天，搅拌频率分别为20、40、60、80、100 min/3h，各运行7 天，期间检测相应指标；②物料投加方式对厌氧系统产气影响。维持厌氧系统有机负荷2.0kg TVS/(m3.d)，搅拌频率40min/3h，考察连续投料间歇投料，其中间歇投料频率分别为4、3、2、1次/天，各运行7 天，期间检测相应指标；③单位体积有机负荷对厌氧系统产气影响。设定搅拌频率40min/3h，进料频率4 次/天，以0.2kg TVS/(m3.d)梯度递增的方式往稳定运行的单位体积有机负荷为2.0kg TVS/(m3.d)的CSTR罐内逐步增加投料量，每个浓度梯度运行7 天，直至系统单位体积有机负荷提升至3.0kg TVS/(m3.d)，检测消化液pH、碱度、氨氮、挥发性脂肪酸（VFA）、沼气产率的变化。

1.2.2 验证实验

按单因素实验的最优指标设定搅拌频率和投料方式，以0.1kg TVS/(m3.d)梯度变化调整至最优浓度梯度后，维持30天，检测维持期系统的产气率、甲烷体积比例、消化液pH、碱度、氨氮、挥发性脂肪酸（VFA）浓度，计算各指标平均值和标准差，验证系统产气潜力及稳定性。

1.2.3 产气率的测定

用标定的涡轮气体流量计直接读取每天气量，通过产气量与设备有效消化容积比计算设备的单位体积产气率，即每立方米罐容每天产气的气体量。

1.2.4 甲烷含量的测定

利用甲烷检测仪在线检测气体中的甲烷体积比例，每天5次，取平均值。

1.2.5 其他指标的测定

pH，参照国标GB/T 6920-1986《水质 PH 值的测定 玻璃电极法》测定；碱度，参照《水和废水监测分析方法》（第四版）测定；氨氮，参照国家环境保护标准HJ535-2009《水质氨氮的测定》测定；挥发性脂肪酸（VFA），参照企业标准Q/YZJ10-03-02-2000《挥发性脂肪酸的测定（四）》测定；水分，参照农业标准NY/T52-1987《土壤水分测定法》测定；灰分，参照GB/T5009.4-2016《食品中灰分的测定》测定；粗蛋白，参照国标GB/T11891-1989《水质 凯氏氮的测定》测定；总糖，参照国标GB/T5009.7-2016《食品中还原糖的测定》测定；脂肪，参照国标GB/T5009.6-2016《食品中脂肪的测定》测定；总有机碳，参照国家环境保护标准HJ501-2009《水质 总有机碳的测定》测定。

2 结果与分析

2.1 餐厨垃圾基本性质

餐厨垃圾基本性质如下表1，具有高水分（80%以上）、高有机物、高油脂的特点。高有机质增加物料的稠度，不利于厌氧消化的进行。高油脂容易对厌氧微生物形成包裹，影响微生物对基质的利用，而且容易在液面形成致密层，影响气体的溢出，导致厌氧系统运行异常。

表1 餐厨垃圾理化指标

2.2 不同操作条件下系统的产气率变化

分别试验搅拌频率、投料方式和有机负荷变化过程中，系统产气率变化，结果如图1 所示。①搅拌频率对系统产气影响。在厌氧系统内，搅拌能增强系统紊乱度，强化传热传质并加快沼气排出，从而影响系统产气效率。由图分析，搅拌频率提升，系统产气率也提升，60min/3h 搅拌频率可获得2.02m3/（m3.d）产气效率，进一步提高搅拌频率，系统产气效率保持稳定。②投料方式对系统产气影响。均匀的投料方式有利于系统负荷稳定，降低负荷冲击。由图分析，投料次数越多，系统产气效率越高，采用连续投料，系统产气率可达1.92～2.00m3/（m3.d）。③单位有机负荷对系统产气率影响。由图分析，厌氧消化系统的体积产气效率随着系统的单位体积有机负荷变化而变化，有机负荷从2.2kg TVS/（m3.d）提升至2.8kg TVS/（m3.d）时，系统产气效率从2.06m3/（m3.d）提升至2.66m3/（m3.d）。进料有机负荷进一步提升，系统产气效率和甲烷含量开始逐渐快速下降，至3.0kg TVS/（m3.d）时，系统产气效率降至2.32m3/（m3.d）。

图1 不同操作条件下厌氧消化系统产气率的变化

2.2 系统pH变化

在厌氧消化系统中，pH 的下降主要是产酸微生物活跃的影响。图2 是不同操作条件下，厌氧消化系统pH 变化情况。

图2 不同操作条件下厌氧消化系统pH 的变化

由图可知，厌氧消化系统pH 随系统的系统操作条件变化而变化。提高搅拌频率，pH 相应升高，至60min/3h 时，pH 基本稳定7.9，不再随搅拌频率升高而变化。投料频率降低，pH降低，系统从连续进料降至1 次/天进料，pH 从7.7 降至7.5。有机负荷对pH 的影响显著，从2.2 kg TVS/（m3.d）缓慢提升至2.8kg TVS/（m3.d）过程中，系统pH 维持在7.8～7.9之间，当进料有机负荷继续提至3.0 kg TVS/（m3.d）时，pH开始下降，维持期内逐步降至7.6。

2.3 挥发性脂肪酸（VFA）浓度变化

图3 是不同操作条件下，系统挥发性有机酸（VFA）浓度变化情况。

图3 不同操作条件下厌氧消化系统挥发性脂肪酸（VFA）浓度的变化

挥发性脂肪酸是产甲烷微生物的底物，但过高的浓度会对产甲烷菌形成抑制。由图知，低搅拌频率有利于VFA 的积累，提高搅拌频率强化传质，能使VFA 快速被产甲烷菌利用，当搅拌频率提升至60min/3h 时，VFA 浓度稳定在5800mg/L左右，不再随搅拌频率提升而产生大的变化。投料频率降低，VFA 积累明显，从连续投料降至1 次/天投料，VFA 浓度从4600mg/L左右升至6700mg/L左右。有机负荷对系统内VFA变化影响最为显著，在2.2～2.8kg TVS/（m3.d）范围内，VFA 浓度维持5400～6800mg/L，当有机负荷升至3.0TVS/（m3.d），VFA 浓度快速突破8000mg/L，系统产酸活跃。

2.4 氨氮浓度变化

图4 是不同操作条件下，厌氧消化系统氨氮浓度变化情况。

图4 不同操作条件下厌氧消化系统氨氮浓度变化

氨氮浓度是反映厌氧过程的重要指标，氨氮浓度的快速下降反映产酸过程活跃。由图知，氨氮浓度随搅拌频率升高而升高，并在60min/3h 时达到稳定，维持在2500mg/L 左右，在20min/3h 时，氨氮浓度维持在2100mg/L 左右，系统处于产酸与产甲烷弱平衡状态。投料频率降低，氨氮浓度降低，从连续投料降至1 次/天投料，氨氮浓度从2400mg/L 左右降至2000mg/L 左右，甲烷化过程弱。有机负荷显著影响系统氨氮浓度，在2.2～2.8 kg TVS/（m3.d）负荷范围内，氨氮浓度维持2400～2550mg/L 之间，当有机负荷升至3.0TVS/（m3.d），氨氮浓度快速下降至2000mg/L 左右，产酸过程活跃。

2.5 碱度变化

图5 是不同操作条件下，厌氧消化系统碱度变化情况。

图5 不同操作条件下厌氧消化系统碱度变化

碱度是反应厌氧消化系统缓冲能力的重要指标，碱度的快速下降表明系统缓冲能加降低，产酸过程活跃。由图知，碱度随搅拌频率升高而升高，在60min/3h 时达到稳定，维持在8000mg/L，在20min/3h 时，碱度维持在5000mg/L 左右，缓冲能力低。投料频率降低，碱度下降，从连续投料降至1次/天投料，碱度从9000mg/L 左右升至5000mg/L 左右，缓冲能加降低。有机负荷对碱度变化影响显著，在2.2～2.8kg TVS/（m3.d）范围内，碱度维持10000～12000mg/L 之间，当有机负荷升至3.0TVS/（m3.d），碱度快速下降并在维持时间内降至5000mg/L 左右。

2.6 验证试验

根据上述指标判断，选择60min/3h、连续投料、2.8kg TVS/（m3.d）作为最优操作条件，维持30 天，检测期间各指标，试验结果如下表3。

表3 各指标测定结果

由表3 分析，系统pH、VFA、氨氮和碱度各项指标稳定，产气率维持高位，甲烷体积含量维持高位。

3 结论

维持搅拌频率60min/3h、单位体积负荷2.8kg TVS/（m3.d），连续投料，发酵容积2200m3的侧壁机械搅拌式加流体搅拌式大型CSTR厌氧消化系统能够实现餐厨垃圾单一物料稳定化运行，并获得较高的沼气产率和甲烷产率，沼气产率达到（2.69±0.03）m3/（m3.d），甲烷体积比率达到（65.2±1.3）%。

搅拌通过影响系统的传热传质及强化排出气体而影响厌氧发酵系统运行，搅拌频率过低，系统产酸加快，系统产气率低。提高搅拌频率至60min/3h，可抑制产酸，提高产气率和系统稳定性。

每天一次投料频率有机负荷冲击大，系统产酸快，产气率低。增加投料频次可以有效降低冲击负荷，提高产气率。工程上应尽可能采用多次投料或连续投料。

体积负荷显著影响CSTR 厌氧消化体系稳定性，当单位体积负荷维持在不超过2.8kg TVS/（m3.d）水平时，系统运行稳定。超过3.0kg TVS/（m3.d）时，体系产酸加快，甲烷化过程减弱。