家庭厨余垃圾分布式就地厌氧消化工艺及效果研究*

宇鹏 黄飞婷 杨小霞 顾运琼

(1.广西自然资源职业技术学院 南宁 530015; 2.南宁师范大学 南宁 530001)

0 引言

我国厨余垃圾年产生量约1.95亿t[1]，专门的厨余垃圾处理设施的处理能力不到其产生量的10%。厨余垃圾处理技术主要是厌氧消化、好氧堆肥和饲料化。厨余垃圾含有多种动物成分，由其制成的饲料会造成同源性污染，可能引发非洲猪瘟等问题。厨余垃圾是高有机物含量的易生物降解废物[2]，适合用生物处理[3]。厨余垃圾的含水率高达70%～80%，好氧堆肥时需要添加锯末等调理剂或加热蒸发水分，不适于直接好氧堆肥。厌氧消化以生物气的形式从废物中回收能量,消化残渣可用作有机肥实现氮和磷等养分的循环利用,运行能耗低，被认为是成本最低效益最高的处理方式[4]。收运至大型厌氧消化处理厂的集中处理模式的缺点是：收运成本高达400～500元/t；收运中存在传播病毒的风险。目前收集和处理的主要是餐馆、食堂的厨余垃圾，因这类厨余垃圾成规模产生且较易收运(一般位于一楼)[5]，而收运、处理家庭厨余垃圾的设施非常缺乏。根据家庭厨余垃圾的特性，设计了一种简单易操作的厨余垃圾分布式就地厌氧消化工艺，并用研制的设备进行试验，从VS去除率、产气效果、稳定性、沼气净化效果来检验该工艺及设备的可行性和效果。

1 材料与方法

1.1 试验材料

厨余垃圾来自南宁市某居住小区75个实行垃圾分类的家庭。分类后的厨余垃圾不含纸巾、筷子、一次性餐具、玻璃瓶、塑料瓶、塑料袋等杂物。接种污泥取自南宁市琅东生活污水处理厂厌氧消化池。厨余垃圾和接种污泥的基本性质见表1。该厨余垃圾的特性是：呈弱酸性；高有机物含量(VS/TS≥90%)，易生物降解(SCOD高达84 000 mg/L)；富含N、P；C含量偏低，C/N低于适宜于厌氧消化的20～30[6]；有机物以碳水化合物为主、易水解。

表1 厨余垃圾和接种污泥的基本性质

1.2 工艺流程及设备

图1为设计的分布式就地厌氧消化工艺流程：“储存+破碎+半连续厌氧消化+沼气净化”。研制出的桨叶立式半连续厌氧消化反应器的专利号为ZL 2018 2 1945844.3、ZL 2018 3 0686631.2。储罐直径0.32 m、高0.45 m，有效容积0.036 m3，能储存1 d的厨余垃圾量。每天的厨余垃圾全部进入储罐后，开启粉碎机，打开储罐底部的卸料阀，厨余垃圾进入粉碎机粉碎至浆状后，直接进入厌氧消化反应器。厌氧消化反应器直径0.60 m、高2.0 m，有效容积0.565 m3，厨余垃圾在反应器内的停留时间为12 d。沼气经净化装置去除水分、H2S等后进入气袋储存，经过阻火器进入居民厨房作为燃气。沼渣就近作为园林绿化的肥料。

图1 厨余垃圾分布式就地厌氧消化工艺流程

经过接种污泥的驯化阶段和12 d的启动阶段后，开始3个月的半连续运行阶段：每天厌氧反应器先出料，出料的体积等于每天收集的新鲜厨余垃圾的体积，然后将粉碎后的新鲜厨余垃圾加入反应器。

1.3 分析方法

VS含量用重量法测定；产气量用湿式气体流量计测定；甲烷含量和H2S浓度用BM 5K便携式气体分析仪(英国GEOTECH公司)测定；pH值用PB-10型酸度计测定；碱度用电位滴定法测定；VFAs、乙酸、丙酸、丁酸用安捷伦GC7890A气相色谱仪测定。

2 结果与讨论

2.1 厌氧消化效果

2.1.1 VS去除率

如图2，VS去除率在最初的10 d从46%升至50%；在随后的30 d升至60%；第41～80 d在60%左右小幅波动，可能是气温波动导致的；第81 d开始趋于稳定，略高于60%；VS最大去除率达60.7%，略低于WANG N等[7]的62.7%的VS去除率，其厨余垃圾在反应器内的停留时间为30 d。付胜涛等[8]对厨余垃圾分别进行了15 d和20 d的厌氧消化，VS去除率分别为72.1%和74.8%。可见，较长的厌氧消化时间能提高VS去除率。若考虑反应器的使用效率，本研究的VS去除速率分别是WANG N等和付胜涛等的2倍和4.5倍。

图2 进料量、VS量及VS含量、VS去除率随时间的变化

2.1.2 产气效果

如图3，产气量和甲烷产量经历了3个阶段的变化：最初10 d快速增加，产气量从0.738 m3/d增加到2.06 m3/d，甲烷产量从0.389 m3/d增加到1.135 m3/d；随后60 d，小幅波动且缓慢增加；最后21 d趋于稳定。VS进料产气率、VS进料甲烷产率的变化趋势相同：最初的10 d快速增加，VS进料产气率、VS进料甲烷产率分别从0.163 m3/kg VS增到0.425 m3/kg VS、从0.086 m3/kg VS增到0.234 m3/kg VS；随后的60 d小幅波动且缓慢增加，最后21 d趋于稳定，分别稳定在0.444 m3/kg VS、0.245 m3/kg VS。VS去除产气率、VS去除甲烷产率的变化趋势相同：最初12 d快速增加，分别从0.352 m3/kg VS增加到0.833 m3/kg VS、从0.186 m3/kg VS增加到0.458 m3/kg VS；随后的27 d，分别降至0.691 m3/kg VS和0.381m3/kg VS；然后，缓慢增加，最后10 d分别稳定在0.737 m3/kg VS和0.413 m3/kg VS左右。多位研究者获得的厨余垃圾厌氧消化最大甲烷产率范围为0.160～0.605 m3/kg VS[9]，本研究的甲烷产率在此范围内。

图3 产气量、甲烷产量、产气率和甲烷产率随时间的变化

2.2 厌氧消化稳定性

酸化菌在pH值为4.0～8.5时能正常发挥作用[10]，产甲烷菌的最佳生长pH值为6.5～8.2。如图4，pH值在最初的17 d在5.5左右波动；第18～70 d增加到7.0；随后上升到7.5，表明厌氧消化过程稳定，未发生酸抑制。pH值的上升是VFAs和碱度综合作用的宏观表现。VFAs在开始的18 d从1 400 mg/L增加到2 100 mg/L，随后下降，从第72 d开始稳定在570 mg/L左右，低于发生酸化的3 000 mg/L，表明产甲烷菌降解转化VFAs的能力越来越强，未发生酸累积。碱度为厌氧消化体系提供缓冲能力，碱度在开始的18 d缓慢增加，随后快速从2 300 mg/L增加到4 800 mg/L，最后稳定在4 750 mg/L左右，高于适宜产甲烷菌生长的1 500～3 000 mg/L[10]。最适宜的VFAs/碱度是0.3～0.4。VFAs/碱度在最初的13 d从0.64增加到0.8，表明厌氧消化的不稳定程度在增加，第13～18 d都大于0.8，厌氧消化严重不稳定，但持续的时间很短；第18～39 d快速下降到0.4，厌氧消化的不稳定程度降低，但仍存在一定程度的不稳定性；最后的52 d低于0.4，表明运行稳定。半连续的运行方式能不断的排除抑制物质，提高了该反应器缓冲酸抑制和氨氮抑制的性能。

图4 pH、碱度和VFAs浓度及VFAs/碱度随时间的变化

产甲烷菌转化乙酸、丙酸、丁酸的难易程度是：乙酸﹤丁酸﹤丙酸。图5为出料中乙酸、丁酸、丙酸在VFAs的比例。乙酸最易被产甲烷菌转化为沼气，出料中乙酸在VFAs中的占比很低，稳定在6.7%左右，表明水解酸化阶段产生的乙酸被产甲烷菌较为充分的降解转化。在pH值为5～7.5时，丁酸是有机物水解酸化后VFAs的主要组分，但其被转化率约为70%，低于乙酸，丁酸在出料的VFAs中仍为主要组分，占70%左右，并随碱度增加从67.2%增到74.2%。在pH值为5～7.5时，丙酸产生量低于乙酸，并随着碱度的增加而降低，但丙酸难以被产甲烷菌转化，产生后较为稳定，丙酸在出料的VFAs中的占比从16.2%降到9.2%。丙酸/乙酸从2.42降到1.35，并在第70 d时低于1.4，pH值也在第70 d高于7.0，说明从第70 d开始厌氧消化的运行状态良好。

图5 乙酸、丙酸、丁酸在VFAs中的比例

2.3 沼气净化效果

如图6，沼气中CH4、CO2含量比较稳定，分别约为55%和41%。经净化，CH4含量上升到96%左右，CO2含量降至3%左右，H2S浓度由22 mg/m3降至4～8 mg/m3，沼气净化后达到《天然气》(GB 17820—2018)中的二类质量要求，能就近进入居民的厨房作为燃气。

图6 沼气净化前后的CO2和CH4含量、H2S浓度

3 结论

该工艺及设备在半连续运行80 d左右后趋于稳定，VS去除率高于60%，VS进料产气率、VS进料甲烷产率分别达到0.444 m3/kg VS、0.245 m3/kg VS，沼气净化后能作为燃气使用，对厨余垃圾有较好的处理和资源化效果。