餐廚垃圾與市政污泥連續式混合中溫厭氧消化

謝喬光，易 瑩，周艷偉，張 堃

（中國電器科學研究院有限公司，廣東 廣州 510300）

目前，國內外普遍采用厭氧消化技術處理餐廚垃圾、市政污泥等有機廢物。厭氧消化生成的沼氣燃燒產生電能和熱能，電能可并網供居民使用，熱能可用于沼渣烘干脫水，提高沼渣的商品有機價值，真正實現了減量化、無害化和資源化目的［1］。從文獻報道可知，中溫厭氧消化對于產氣和系統穩定性優于高溫厭氧消化［2］。此外，在以往的此類研究中，基本以非連續加料或一次性加料為主要加料方法，對厭氧消化工程缺乏實際的指導意義。因此，本試驗旨在研究在連續式進出料條件下，將餐廚垃圾與市政污泥以不同的比例混合，對中溫厭氧消化效果的影響，為今后進一步研究和工程應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

實驗裝置如圖1所示，該裝置采用排水收集氣體法。為了保證裝置的氣密性，集氣瓶的瓶口用橡膠塞塞緊，在橡膠塞中插入玻璃管，用液體密封膠密封玻璃管和橡皮塞之間的間隙。

圖1 厭氧消化試驗裝置

1.2 試驗材料

餐廚垃圾取自某公司食堂，經過人工篩選后，通過食物粉碎機粉碎，將餐廚垃圾充分打碎至粒徑2～4 mm的顆粒。餐廚垃圾粉碎后裝入密封袋。市政污泥和接種污泥均取自佛山市某有限公司污水處理廠。餐廚垃圾和污泥均保存于-2℃的冰箱中。其主要理化參數如表1所示。

表1 物料的主要參數

1.3 試驗方案

試驗起始，實驗固定每個消化瓶絕干物料為40 g，選擇接種量為20%，物料的總含固量（TS）調節為8%和10%，中溫（35±1）℃，調節攪拌器轉速為120 r/min，水力停留時間為25 d，攪拌頻次定為每4 h連續攪拌1 h。餐廚垃圾與市政污泥厭氧混合消化的TS之比分別為：100:0、80:20、60:40、40:60、20:80和0:100，所對應的C/N見表2。實驗過程中每天測定日產氣量、pH、氣體組分、TS、VS、揮發性脂肪酸（VFA） 和堿度等參數。

表2 不同餐廚垃圾與污泥TS之比的C/N

1.4 分析方法

pH采用上海雷磁PHS-25型酸度計直接測定；含水率采用烘干法；TS、VS采用重量法［3］；氨氮采用德國WTW公司6100VIS型分光光度儀測定；凱氏氮采用國標法GB 11891—1989測定。總有機碳（TOC）：垃圾中有機碳含量大約為有機物含量的47%，因此可通過已測定的揮發性固體含量的值，再乘以0.47得出總有機碳的含量［4］。氣體組分和VFA采用GC9790型氣相色譜儀測定。測量消化物料各指標取樣方法：充分搖勻消化瓶中的物料，在進料前，取消化物料的固液混合物測定。

2 結果與討論

2.1 不同物料含固率對厭氧消化系統的影響

連續進出料可以比一次性進料獲得更穩定的消化系統，從而使研究結果更加貼近實際需要，對工藝設計更具有指導意義。

由于污泥的C/N僅為3.4，而餐廚垃圾的C/N為17.8，并且餐廚垃圾的水解性強，容易被微生物所利用［5］，所以由圖2可以看出，連續投加含固率8%餐廚垃圾的厭氧消化系統，日產氣量最高，為180～1 030 mL；而投加含固率分別是8%和10%污泥的厭氧消化系統，日產氣量比較低，分別為0～170 mL和0～200 mL。

圖2 不同的物料含固率對厭氧消化中日產氣量的影響

由圖3可以看出，投進10%的餐廚垃圾，系統的pH會不斷下降，出現酸化現象。這是由于TS為10%的餐廚垃圾中有機物含量，是以上4種物料中最高的，微生物在分解有機物的過程中會產生大量的VFA，中和了消化系統中原有的一部分堿度，所以使得系統的緩沖能力降低，pH下降，從而影響微生物的消化作用，導致產氣量下降［6］。

圖3 不同的物料含固率對厭氧消化中pH的影響

因此，選擇8%的含固率作為不同混合比例研究的進料含固率。

2.2 不同物料比例對日產氣量、穩定性和pH的影響

日產氣量隨餐廚垃圾加入比例的變化如圖4所示。隨著餐廚垃圾的比例增多，日產氣量也不斷增大。當餐廚垃圾與污泥TS之比由0:100到100:0時，日產氣量范圍由0～145 mL增長到110～1 170 mL。所得結果與第1次試驗的結果相同。

圖4 不同的物料混合比例對厭氧消化中日產氣量的影響

此外，當餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40和80:20時，相較于污泥單獨厭氧消化，日產氣量有明顯的提高，分別是110～690 mL和340～630 mL。付勝濤等［5］按照進料餐廚垃圾和污泥TS之比為80:20、60:40和40:60中溫厭氧消化，當餐廚垃圾與污泥之比為80:20時，累計產甲烷量最高，發現隨著餐廚垃圾比例的提高，有助于提高剩余活性污泥的水解性能，從而提高沼氣和甲烷的產量，當餐廚垃圾比例高于40%時，能夠明顯地提高污泥的降解性能，與本次不同的物料比例對日產氣量影響的實驗研究相符。

由于餐廚垃圾的C/N較高，水解性強，容易被微生物利用，所以當餐廚垃圾單獨厭氧消化時，日產沼氣量在6組試驗中是最高的。然而，由圖5可以看出，當餐廚垃圾單獨厭氧消化時，pH會下降到7以下，VFA/堿度的波動比較大；其VFA/堿度的平均值為0.79。堿度是衡量厭氧消化系統緩沖能力的尺度，而VFA/堿度可用來衡量系統的穩定性。一般情況下，當VFA/堿度＜0.4時，系統的酸化風險較小，緩沖能力強，穩定性高［7］。所以，當餐廚垃圾單獨消化到第4天時，系統pH下降到6.5以下，產生了酸化，從而影響到日產沼氣量。然而，當餐廚垃圾與污泥混合后，pH和VFA/堿度的波動比較小，并且由表3可以看出，混合物料的VFA/堿度的平均值基本都小于0.4。所以，相較于餐廚垃圾單獨厭氧消化，將餐廚垃圾與污泥混合厭氧消化，可以提高系統的穩定性。而且，很多研究者認為在餐廚垃圾中加入污泥，可以提高進料中營養物成分，促進微生物生長及提高厭氧消化過程的穩定性［8］。

由此可以得出，相較于餐廚垃圾單獨厭氧消化和污泥單獨厭氧消化，當餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40和80:20是可以明顯提高污泥的日產沼氣量，并且有助于提高厭氧消化過程的穩定性。

圖5 不同的物料混合比例對厭氧消化中pH和VFA/堿度的影響

表3 不同餐廚垃圾與污泥比例的VFA/堿度平均值

2.3 不同物料混合比例對TS和VS去除率的影響

厭氧消化的目的之一是降解餐廚垃圾和污泥中的固體污染物，減少其對環境的污染。由圖6可知，當污泥單獨厭氧消化時，TS和VS平均去除率分別是35%和44%。當餐廚垃圾加入比例為60%和80%時，TS去除率分別提高了103%和71%；VS去除率分別提高了75%和70%。當餐廚垃圾與污泥比例為60:40時，混合物料的C/N為12.04，TS和VS去除率比餐廚垃圾單獨厭氧消化、污泥單獨厭氧消化的去除率都要高，分別是71%和77%。表明將適量的餐廚垃圾與污泥混合，可以促進TS和VS的降解。廖燕等［9］采用常溫厭氧消化工藝處理餐廚垃圾和剩余活性污泥，當進料為60:40時，系統比餐廚垃圾單獨厭氧消化和污泥單獨厭氧消化的TS和VS去除效果更加理想，分別達到32.89%和59.05%，與以上研究相符。

圖6 不同的物料混合比例對TS和VS去除率的影響

因此，當餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40時，有機物降解效果最好，TS和VS去除率最高。

2.4 不同物料混合比例對沼氣和甲烷產率的影響

文獻資料表明，我國城鎮污水處理廠污泥厭氧消化產生的沼氣中甲烷含量范圍是45%～64%［10］。本試驗中沼氣的甲烷（CH）4和二氧化碳（CO）2含量范圍和平均值見表4。從表4可以看出，當污泥中加入不同比例的餐廚垃圾，CH4含量都會明顯提高。污泥單獨消化時，沼氣中的甲烷含量為30%～61%，平均值為45%。當餐廚垃圾的加入比例分別為20%、40%、60%、80%和100%，沼氣中甲烷的平均值分別提高了22%、22%、22%、24%和17%。這是因為餐廚垃圾的組成成分主要是碳水化合物、脂肪和蛋白質等，具有良好的降解性，從而提高了沼氣中甲烷含量［11］。

表4 不同物料混合比例對氣體組分的影響

由圖7可知，當餐廚垃圾與污泥的TS之比為40:60、60:40和80:20時，去除單位VS的沼氣和甲烷平均產量比餐廚垃圾單獨厭氧消化和污泥單獨厭氧消化的平均產量都高。然而，當餐廚垃圾與污泥的TS之比為20:80時，由于其C/N僅為6.28，從而沼氣和甲烷平均產量比較低。而污泥單獨厭氧消化時，其C/N和有機質含量低，是導致產氣量低的原因。

圖7 不同的物料混合比例對沼氣產率和甲烷產率的影響

雖然餐廚垃圾單獨厭氧消化時的C/N比混合物料的C/N高，但是由于餐廚垃圾易酸化水解，產生大量的VFA等中間產物。如果不能夠及時被甲烷微生物所利用，就會使得系統內pH下降到7以下，從而影響沼氣和甲烷的產生。然而，當餐廚垃圾與污泥的TS之比為80:20時，C/N為14.92，去除單位VS的沼氣和甲烷平均產率是6組試驗中最高的，分別達到712 mL/g和388 mL/g；相較于餐廚垃圾單獨厭氧消化，去除單位VS的沼氣和甲烷平均產率分別提高了16%和19%。

因此，將適量的餐廚垃圾與污泥混合，可防止系統產生過多的VFA等中間產物，從而提高去除單位VS的沼氣和甲烷產率，提高系統的穩定性。當餐廚垃圾與污泥TS之比為80:20時，資源化利用效果最好，去除單位VS的沼氣和甲烷產率最高。

3 結論

1）在連續進料的條件下，投加含固率為8%餐廚垃圾會比投加含固率為10%餐廚垃圾更加穩定，并且日產氣量更高。

2）相較于污泥單獨厭氧消化，當餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40和80:20是可以明顯提高污泥的日產沼氣量，并且有助于提高厭氧消化過程的穩定性。

3）相較于餐廚單獨厭氧消化，當餐廚垃圾與污泥TS之比為60:40時，餐廚垃圾和污泥中固體污染物降解效果最好，TS和VS去除率最高，分別達到71%和77%。

4）將適量的餐廚垃圾與污泥混合，可以防止餐廚垃圾產生過量的VFA，提高沼氣和甲烷產率。當餐廚垃圾與污泥TS之比為80:20時，資源化利用效果最好，去除單位VS的沼氣和甲烷產率最高，分別達到712 mL/g和388 mL/g。

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