大中型湿垃圾半干法全混式厌氧反应器的运行性能、微生物特性及经济性评价*

华银锋 吴 健

(1.上海浦东环保发展有限公司,上海 200127;2.上海黎明资源再利用有限公司,上海 201209)

湿垃圾是居民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾。湿垃圾常用的处理方法有填埋、焚烧、堆肥和厌氧发酵等。其中,厌氧发酵因具有成本低和沼气资源可回收的特点备受青睐。目前,我国湿垃圾厌氧发酵工程多采用湿法厌氧发酵工艺[1],其进料含固率(TS)一般不超过8%(质量分数,下同)。然而,湿法厌氧发酵不仅需要加水调控进料TS,而且后续需要处理大量消化液,过程中很容易再次污染环境。相对于湿法厌氧发酵,半干法厌氧发酵工艺对水的需求量小,单位体积物料产气量高,消化过后沼液产量小,沼渣含水率低。近年来,半干法厌氧发酵工艺受到研究者的广泛关注。

全混式厌氧反应器(CSTR)是目前应用较广泛的厌氧发酵反应器。CSTR通过搅拌将物料和微生物处于完全混合的状态,加强传质的同时可以均匀传热。目前国内半干法CSTR以中等规模(有效容积<5 000 m3)为主,吴健等[2]采用有效容积4 150 m3的半干法CSTR处理高含固餐厨垃圾,具有产沼效率高、系统运行平稳等优点。近年来,随着垃圾分类工作的持续推进,湿垃圾产生量逐渐增加,大型半干法CSTR工程(有效容积≥5 000 m3)需求增多[3],大型半干法CSTR的底物处理量高、抗冲击负荷能力强、基建投资和运维成本低、占地面积小,对于大城市具有明显优势。然而,目前缺乏大型半干法CSTR长期运行的效能数据、底物连续转化为沼气的关键影响因子及功能微生物群落结构数据等。

为此,本研究以上海市浦东新区某生态园有机质固废处理项目为研究对象,在历时16个多月的平稳运行期间,系统开展了大型和中型半干法CSTR的有机负荷、产沼率等研究,对两种规模CSTR中的微生物多样性进行对比,并进行了经济性分析,研究结果可为空间、资源紧张的大城市在湿垃圾处理工艺选择上提供参考依据。

1 工程概况

2014年上海市浦东新区成为国家第四批餐厨废弃物资源化利用与无害化试点后,于2015年着手建设处理规模为1 000 t/d的有机质固废处理项目,该项目分两期工程建设,其中一期工程设计处理湿垃圾300 t/d,二期工程设计处理湿垃圾700 t/d。项目采用预处理+厌氧消化产沼的核心工艺,一期、二期共设计5座半干法CSTR,其中一期项目共设计4座完全相同的中型半干法CSTR,于2017年4月正式进入调试运营;二期项目设计1座大型半干法CSTR,于2020年8月正式进入调试运营。

1.1 工艺流程介绍

图1为湿垃圾半干法CSTR工艺流程。湿垃圾经过机械分选除杂、湿热水解提油、机械与水力破碎制浆等步骤后进入均质罐暂存,之后浆料通过进料离心泵输送至半干法CSTR进行厌氧发酵产沼,主产品沼气经过预处理后发电,副产物沼液则经过离心脱水、气浮浮选等步骤分离,最终浮选清液进入污水处理系统,处理达标后排放;沼渣部分回流半干法CSTR补充污泥,部分外运焚烧处置。

1.2 CSTR设计参数

表1为半干法CSTR的设计参数,其中大型半干法CSTR设计有效容积为7 160 m3,湿垃圾浆料处理量200 m3/d,中型半干法CSTR有效容积为4 150 m3,湿垃圾浆料处理量140 m3/d。两个CSTR由于直径与容积不同,使得搅拌的布置方式、数量及设备功率选型呈现较大差异。中型半干法CSTR采用2台机械侧搅拌呈180°间隔圆周布置,大型半干法CSTR采用6台机械侧搅拌圆周均匀布置,同时采用较大功率与流量的外循环泵搅拌,以便尽可能地使反应器内物料搅拌混合。两个CSTR的控制温度、有机质降解率、产沼率及其甲烷、厌氧出水油脂见表1。

图1 湿垃圾半干法CSTR工艺流程Fig.1 Process flow chart of semi-dry CSTR for kitchen wet waste treatment

2 测试指标与分析方法

参考文献[4],采用消解比色法测定溶解性化学需氧量(SCOD)、采用脂化法测定挥发性脂肪酸(VFAs)、采用水杨酸法测定氨氮、采用玻璃电极法测定pH、采用烘干称量法测定浆料TS及污泥浓度(烘箱105 ℃烘干至恒质量)、采用重量法测定有机质(马弗炉600 ℃灼烧至恒质量)。采用在线电磁流量计(德国E+H)监测进料流量;采用在线热式流量计(德国Binder)监测沼气流量;采用便携式沼气分析仪(英国GEOTECH)测定沼气成分;电量采用国产电度表计量;厌氧消化污泥样品的微生物多样性分析(包括脱氧核糖核酸(DNA)提取、聚合酶链式反应(PCR)扩增及序列测定等)均由上海某生物医药科技有限公司完成。

采用Origin 2019软件进行作图分析,并通过IBM SPSS Statistics 22进行差异显著性分析。

3 结果与分析

3.1 CSTR有机负荷变化

有机负荷直接反映了发酵过程中有机物料与微生物之间的平衡关系,是控制厌氧发酵系统良好运行的重要参数,也是衡量厌氧发酵系统处理有机物能力的一个重要指标[5]。图2为大型、中型半干法CSTR在2020年11月至2022年3月的有机负荷变化情况。可以看出,大型半干法CSTR的有机负荷为0.66～2.53 kg/(m3·d),平均值为2.02 kg/(m3·d),中型半干法CSTR的有机负荷为0.29～2.96 kg/(m3·d),平均值为2.04 kg/(m3·d);单因素方差分析表明,两种规模CSTR有机负荷无显著差异(P>0.05)。稳定运行期内,2021年4月至2022年2月为系统高有机负荷平稳运行期,该阶段大型、中型半干法CSTR平均有机负荷分别为2.11、2.21 kg/(m3·d)。2022年1—2月,大型、中型CSTR均出现短暂的有机负荷低点,这与春节节假日有关。2022年3月开始，有机质固废处理厂的垃圾收运量呈断崖式下降,这主要是由于受疫情影响导致餐饮行业不景气及大量小区的隔离封控造成。

表1 大中型半干法CSTR设计参数Table 1 Comparison of design parameters between medium-scale and large-scale semi-dryanaerobic digestion reactors

图2 大型、中型半干法CSTR的有机负荷变化Fig.2 Variation of organic loading rates of large-scale and medium-scale semi-dry CSTR

3.2 CSTR产沼率的变化

大型、中型半干法CSTR稳定运行期产沼率变化趋势见图3。大型半干法CSTR的产沼率为825～1 133 Nm3/t,中型半干法CSTR的产沼率为531～840 Nm3/t,大型、中型半干法CSTR在稳定运行期的平均产沼率分别为914、696 Nm3/t,单因素方差分析表明,两种规模CSTR产沼率呈现极显著差异(P<0.01)。大型半干法CSTR产沼性能明显优于中型半干法CSTR。

注：因2020年11月监测时间不全,不进行该月月均值的计算统计。图5同。

3.3 CSTR污泥浓度变化

污泥浓度是影响厌氧反应速率和产气效果的关键参数,反映了厌氧微生物的富集和增殖水平。为保证厌氧发酵系统适应更高的有机负荷,规模较大的CSTR均需要强烈的搅拌,这对混合菌群的生长、污泥对底物的降解以及厌氧处理效果产生潜在影响。以CSTR内混合液悬浮固体(MLSS)质量分数表征污泥浓度,本项目稳定运行期间大型、中型半干法CSTR的污泥浓度分别为2.61%～4.08%、2.55%～4.34%,污泥浓度平均值分别为3.22%、3.19%(见图4)。单因素方差分析结果表明,大型、中型半干法CSTR中的污泥浓度不存在显著差异(P>0.05),表明设备放大并未影响系统微生物功能。

图4 大型、中型半干法CSTR污泥浓度变化Fig.4 Variation of sludge concentration of large-scale and medium-scale semi-dry CSTR

3.4 上清液SCOD及VFAs变化

上清液SCOD可用于反映底物被水解溶出及降解甲烷化的水平。由图5(a)可见,运行期间大型、中型半干法CSTR上清液的SCOD月均值分别在10 966～12 513、11 212～14 239 mg/L波动,总平均值分别为11 879、12 458 mg/L,与进水SCOD平均值165 481 mg/L相比,SCOD降幅分别为92.82%、92.47%。VFAs是有机质水解酸化的重要中间产物,VFAs在厌氧发酵系统中的积累情况能反映出产甲烷菌的活跃状态或系统的稳定性,进一步反映出厌氧发酵系统运行情况。从图5(b)可以看出,大型、中型半干法CSTR上清液VFAs月均值分别在1 505～2 550、1 422～3 380 mg/L波动,总平均值分别为1 764、1 868 mg/L。单因素方差分析表明,两种规模CSTR上清液SCOD和VFAs均不存在显著差异(P>0.05)。

3.5 CSTR微生物多样性分析

对大型、中型半干法CSTR中厌氧微生物在门水平上的多样性进行分析,发现两种规模半干法CSTR内的微生物均由厚壁菌门(Firmicutes)、盐杆菌门(Halobacterota)、拟杆菌门(Bacteroidota)、Caldatribacteriota及其他组成。由图6可见,其中厚壁菌门、盐杆菌门、拟杆菌门占主导地位,厚壁菌门是两个半干法CSTR中的优势菌门,主要负责湿垃圾(主要是餐厨垃圾)的水解和酸化等过程[6],厚壁菌门微生物可以产生蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶等胞外酶,降解底物中的有机质为VFAs。盐杆菌门同碳代谢与硫代谢有关[7-8]。拟杆菌门是一种化能有机营养菌,能有效分解和代谢多种复杂有机物产生乙酸,促进嗜乙酸产甲烷菌的生长[9]。

图5 大型、中型半干法CSTR出水SCOD、VFAs变化Fig.5 Variation of effluent SCOD and VFAs from large-scale and medium-scale semi-dry CSTR

图6 大型、中型半干法CSTR中微生物门水平多样性分析Fig.6 Analysis of microbial diversity of large-scale and medium-scale semi-dry CSTR on phylum level

大型半干法CSTR的厚壁菌门、盐杆菌门、拟杆菌门、Caldatribacteriota及其他的相对丰度分别为41.95%、16.23%、33.84%、1.26%、6.72%。中型半干法CSTR的厚壁菌门、盐杆菌门、拟杆菌门、Caldatribacteriota及其他的相对丰度分别为39.34%、23.47%、21.69%、3.54%、11.96%。对大型、中型半干法CSTR中门水平微生物多样性进行单因素方差分析,结果表明P>0.05,说明从门水平上看,大型、中型半干法CSTR内微生物多样性无显著差异。

4 经济性分析

比较了2021年完整周期年大型、中型半干法CSTR的经济性,结果见表2。可以看出,2021年大型、中型半干法CSTR的月均电能投入分别为64、40 MW·h,月均电能产出分别为805、354 MW·h,月均净上网电量分别为741、314 MW·h。计算得到大型、中型半干法CSTR 2021年净上网电量分别为8 892、3 768 MW·h,2021年上网电能收益分别为533.5万、226.1万元。

表2 大型、中型半干法CSTR经济性分析Table 2 Economic analysis of large-scale and medium-scale semi-dry CSTR

综合计算,从上网电能收益扣除年维修维护成本及运营人力成本,大型、中型半干法CSTR在2021年的总体净收益分别为511.5万、206.1万元。2021年大型、中型半干法CSTR的进料总量分别为56 023、32 830 m3,计算进料收益分别为91.3、62.8元/m3,表明采用大型半干法CSTR处理湿垃圾具有比较明显的经济优势。

5 结 论

对大型、中型半干法CSTR在16个多月稳定运行期间的有机负荷、产沼率、污泥浓度、上清液SCOD和VFAs以及微生物多样性分布等进行了对比分析,并进行了经济性比较,主要结论如下：(1)大型、中型半干法CSTR稳定运行期的有机负荷、污泥浓度、上清液COD和VFAs无显著差异,SCOD去除率均可达90%以上;(2)大型半干法CSTR产沼率明显高于中型半干法CSTR,但两者的微生物在门水平上的多样性分布无显著差异;(3)大型、中型半干法CSTR进料收益分别为91.3、62.8元/m3,随着反应器规模的扩大,经济效益明显提升,研究结果可为实际工程中CSTR的选型提供数据参考。