餐廚垃圾與青貯秸稈混合半連續(xù)厭氧消化

葛亞娟， 徐 恒， 苑 泉， 張笑千， 張 傑， 王凱軍

(1.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 北京 100029; 2.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 北京 10084)

餐廚垃圾與青貯秸稈混合半連續(xù)厭氧消化

葛亞娟1,2， 徐 恒2， 苑 泉2， 張笑千2， 張 傑1， 王凱軍2

(1.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 北京 100029; 2.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 北京 10084)

文章在中溫(35℃)半連續(xù)實(shí)驗(yàn)條件下，以餐廚垃圾、青貯為原料，考察了4種混合比(10∶0，9∶1，8∶2，6∶4)原料的厭氧消化長(zhǎng)期運(yùn)行性能。結(jié)果表明，與單獨(dú)餐廚垃圾厭氧消化相比，10%左右的青貯秸稈添加量能顯著改善餐廚垃圾厭氧消化性能，在2.0 kg· m-3d-1負(fù)荷下，反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)酸和SCOD濃度維持在較低水平；同時(shí)具有較高的有效堿度和較穩(wěn)定的pH值；VS去除率在75%以上，單位VS產(chǎn)氣量達(dá)到613 mL·g-1VS。此外，研究發(fā)現(xiàn)，以餐廚垃圾為主要原料的厭氧消化系統(tǒng)容易出現(xiàn)乙酸型酸積累問(wèn)題。

厭氧消化； 青貯秸稈； 餐廚垃圾； CSTR

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015 年，我國(guó)城市生活垃圾年清運(yùn)量約1.8億噸，餐廚垃圾作為生活垃圾的主要組成部分，占比37%～62%，其無(wú)害化處理一直是我們面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)[1-4]。餐廚垃圾處理處置技術(shù)主要有焚燒[5]、填埋[6]、堆肥[7]、飼料加工[8]和厭氧消化[9]等。其中，厭氧消化能夠在降解有機(jī)污染物的同時(shí)，產(chǎn)生沼氣能源，符合可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明理念，成為目前應(yīng)用最為廣泛且成熟的技術(shù)之一[10]。

然而，餐廚垃圾中有機(jī)質(zhì)含量較高，含氮成分豐富，C/N低，其單獨(dú)厭氧消化易造成有機(jī)酸積累、反應(yīng)體系不穩(wěn)定等問(wèn)題[11]；此外，目前餐廚垃圾的收運(yùn)體系與處理主體相脫節(jié)，其收運(yùn)量不足造成實(shí)際餐廚垃圾厭氧消化工程長(zhǎng)期處于“饑餓”狀態(tài)。在這種情況下，以餐廚垃圾為核心，同時(shí)納入其他種類(lèi)固體廢棄物，形成多物料厭氧消化系統(tǒng)將有助于解決上述問(wèn)題。秸稈是我國(guó)另一種主要固體廢棄物，其年產(chǎn)量高達(dá)6～8億噸[12]，物料獲取方便；而且秸稈的C/N很高，與餐廚垃圾混合后，可調(diào)節(jié)原料的C/N[13]，使其控制在厭氧消化所需合適范圍內(nèi)。鑒于此，秸稈可被優(yōu)先納入以餐廚垃圾為核心的多物料厭氧消化系統(tǒng)中。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)餐廚垃圾與秸稈的厭氧共消化研究報(bào)道較少[9, 14]。而且，多采用干青秸稈開(kāi)展短期的批次共消化實(shí)驗(yàn)。已有研究[15-16]證明秸稈經(jīng)過(guò)青貯后，其組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生變化，有望提高沼氣產(chǎn)量。因此，筆者研究嘗試采用青貯秸稈替代傳統(tǒng)干青秸稈，在半連續(xù)實(shí)驗(yàn)裝置中，考察不同混合比的餐廚垃圾和青貯秸稈的厭氧共消化長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)性能，為實(shí)際餐廚垃圾厭氧消化工程改造提供參考。

1 材料與方法

1.1 接種污泥與物料

餐廚垃圾來(lái)源于清華大學(xué)某餐廳，主要含有米飯、面條、蔬菜和肉類(lèi)等物質(zhì)，青貯秸稈取自青島某農(nóng)場(chǎng)，它們分別經(jīng)粉碎混勻、分裝后，置于-20℃冰箱內(nèi)長(zhǎng)期保存，每日的進(jìn)料于前一天放置于4℃保鮮層解凍。接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧消化反應(yīng)器。接種污泥和物料基本特性如表1所示。

表1 接種污泥及物料特性

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置為自制的CSTR系統(tǒng)，其有效容積為1.5 L，水力停留時(shí)間(HRT)為30天。厭氧消化反應(yīng)器置于35 ℃恒溫室中磁力攪拌裝器上(180 r·min-1)，并采用半連續(xù)方式運(yùn)行，每日從反應(yīng)器底部進(jìn)料和排出消化液，采用氣袋法收集和計(jì)量反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣(均換算至標(biāo)況條件下氣體體積)。反應(yīng)器初始負(fù)荷為0.5 kg·m-3d-1，待反應(yīng)器性能穩(wěn)定后逐漸增加負(fù)荷至1.0，1.5，2.0和2.5 kg·m-3d-1，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)階段分別為P1～P5。實(shí)驗(yàn)期間，定期取樣測(cè)定氣體組分，pH值，堿度，COD和有機(jī)酸等參數(shù)。試驗(yàn)采用的進(jìn)料為餐廚垃圾與青貯秸稈的混合物料，由于僅考慮以餐廚垃圾為主的厭氧共消化性能，故混合比例分別設(shè)置為0∶10，1∶9，2∶8和5∶5，對(duì)應(yīng)的厭氧消化反應(yīng)器依次命名為R0，R1，R2和R3。

1.磁力攪拌器； 2.反應(yīng)器； 3.轉(zhuǎn)子； 4.氣袋； 5.反應(yīng)器進(jìn)出料口圖1 CSTR示意圖

1.3 分析方法

pH值，有效堿度，VS，COD等指標(biāo)測(cè)定方法參考《水與廢水監(jiān)測(cè)方法》[17]，其中SCOD定義為經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后的樣品COD。

氣體組分：利用氣相色譜儀(Agilent，7890A)測(cè)定。氣相色譜儀配備有15' x 1/8"不銹鋼Carboxen-1000(60/80目)填充柱，氬氣作為載氣，其流速為30 mL·min-1，保持7 min。其他運(yùn)行參數(shù)包括：進(jìn)樣口溫度-150 ℃，TCD檢測(cè)器溫度-250 ℃，柱溫-150 ℃，有機(jī)酸濃度(mmol·L-1)：利用高效液相色譜儀(Shimadzu)測(cè)定。液相色譜儀配備有UV檢測(cè)器(210 nm)和Aminex HP-87H 色譜柱(Bio-Rad，Hercules，CA)，流動(dòng)相為 0.005 mol·L-1H2SO4，流速為0.5 mL·min-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 SCOD與有機(jī)酸濃度變化情況

圖2 R0反應(yīng)器中SCOD與有機(jī)酸濃度變化情況

圖3 R1反應(yīng)器中SCOD與有機(jī)酸濃度變化情況

圖4 R2反應(yīng)器中SCOD與有機(jī)酸濃度變化情況

圖5 R3反應(yīng)器中SCOD與有機(jī)酸濃度變化情況

厭氧反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)酸濃度和SCOD常作為評(píng)價(jià)水解酸化和產(chǎn)甲烷是否平衡的重要指標(biāo)。從圖2～圖5可以看出，在P1～P3階段，4個(gè)反應(yīng)器中有機(jī)酸濃度極低，只檢測(cè)到微量的乳酸(除R0外)和乙酸；而且，各反應(yīng)器中SCOD濃度變化較小且均低于1500 mg·L-1。這說(shuō)明，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷低于1.5 kg·m-3d-1時(shí)，4個(gè)反應(yīng)器有機(jī)物降解性能良好且運(yùn)行穩(wěn)定。此外，R1，R2和R3中出現(xiàn)的微量乳酸可能來(lái)源于青貯秸稈。

在P4階段，有機(jī)負(fù)荷提高至2.0 kg·m-3d-1，此時(shí)R0出現(xiàn)明顯有機(jī)酸積累現(xiàn)象，且以乙酸和丙酸為主，到第120天時(shí)，乙酸濃度迅速增加，超過(guò)60 mmol·L-1，對(duì)應(yīng)的SCOD高達(dá)4086 mg·L-1(見(jiàn)圖2～圖5)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13，18-19]可知，由于高濃度有機(jī)酸會(huì)對(duì)甲烷菌產(chǎn)生抑制，此時(shí)R0水解酸化和產(chǎn)甲烷已經(jīng)失去平衡，因此，終止運(yùn)行R0。R1與R2的有機(jī)酸濃度在P4階段仍然能維持較低水平；它們的 SCOD濃度雖然呈現(xiàn)出緩慢升高的趨勢(shì)，但濃度較低。這說(shuō)明，該階段負(fù)荷的提高并未對(duì)R1和R2的穩(wěn)定性造成不利影響。對(duì)于R3，由于進(jìn)料中青貯含量最高，帶入大量乳酸，導(dǎo)致反應(yīng)器出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。因此，在第120天左右時(shí)，終止運(yùn)行R3。

到P5階段時(shí)，R1和R2的有機(jī)酸濃度開(kāi)始逐漸升高，第165天時(shí)的R1的乙酸和丙酸濃度分別為64.5 mmol·L-1和0.9 mmol·L-1，R2在第148天時(shí)的乙酸和丙酸濃度為66.5和1.3 mmol·L-1。此時(shí)，R1和R2的SCOD濃度都超過(guò)5000 mg·L-1，這與與有機(jī)酸濃度變化情況相一致。從圖2～圖5還可以看出，R1出現(xiàn)酸化的時(shí)間明顯晚于R2。結(jié)合R0和R3的運(yùn)行結(jié)果可知，10%青貯秸稈的添加比能改善餐廚垃圾厭氧消化效果。

2.2 pH值與有效堿度變化情況

pH值與有效堿度可以評(píng)價(jià)餐廚垃圾和青貯厭氧消化體系的穩(wěn)定性。如圖6～圖9所示，R0～R3出現(xiàn)酸化現(xiàn)象前，其有效堿度均出現(xiàn)先下降后升高趨勢(shì)，pH值均穩(wěn)定在7.5左右。產(chǎn)甲烷菌對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的pH值比產(chǎn)酸細(xì)菌更加敏感，適宜的范圍在6.8～7.8[20]，此時(shí)R0～R3內(nèi)pH值滿(mǎn)足該要求，說(shuō)明反應(yīng)體系處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)有機(jī)酸積累時(shí)，有效堿度被逐漸消耗，導(dǎo)致pH值出現(xiàn)些許降低，反應(yīng)體系逐步失穩(wěn)，該現(xiàn)象在R0和R3中表現(xiàn)得尤為明顯。然而，對(duì)于R1和R2，尤其是R1，其較高的有效堿度能保證反應(yīng)器出現(xiàn)酸積累時(shí)仍然維持較為穩(wěn)定的pH值。上述研究結(jié)果表明，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)厭氧反應(yīng)器內(nèi)有效堿度，并維持其較高水平，對(duì)于厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是非常有必要的。

圖6 R0反應(yīng)器中pH值與有效堿度變化情況

圖7 R1反應(yīng)器中pH值與有效堿度變化情況

圖8 R2反應(yīng)器中pH值與有效堿度變化情況

圖9 R3反應(yīng)器中pH值與有效堿度變化情況

圖10 R0反應(yīng)器進(jìn)出料VS變化情況

圖11 R1反應(yīng)器進(jìn)出料VS變化情況

圖12 R2反應(yīng)器進(jìn)出料VS變化情況

圖13 R3反應(yīng)器進(jìn)出料VS變化情況

2.3 進(jìn)出料VS變化情況

如圖10～圖13所示，隨著進(jìn)料VS的逐步升高，R0～R3的出料VS呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，VS去除率逐步升高，進(jìn)入P3階段后，則基本維持在70%～80%附近。具體而言，在P3階段末期時(shí)，R0，R1，R2和R3的VS去除率分別為79.4%，76.0%，73.6%和69.1%，這說(shuō)明，隨著青貯秸稈添加量的提高，VS去除率逐漸降低，這可能是由于餐廚垃圾比青貯秸稈更容易被微生物水解酸化。到P4階段末期時(shí)，R1～R3的VS去除率基本保持不變，但R0的VS去除率則降低至70%以下，這可能是因?yàn)镽0內(nèi)的大量酸積累對(duì)水解酸化細(xì)菌的活性產(chǎn)生了抑制。到P5階段時(shí)，R1和R2的VS去除率分別為77.6%和74.6%，與P3和P4階段的數(shù)值比較接近。上述研究結(jié)果表明，添加青貯秸稈后，餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中的酸積累對(duì)物料VS的去除影響非常有限，這可能是由于破碎后的青貯秸稈本身可以作為水解酸化細(xì)菌的附著載體，能有效緩解酸積累對(duì)其活性的抑制。此外，值得注意的是，在實(shí)驗(yàn)初期，由于進(jìn)料VS很低，甚至低于出料VS，從而導(dǎo)致了VS去除率出現(xiàn)負(fù)值(見(jiàn)圖10～圖13)。因此，在考察VS去除效果時(shí)，需要在反應(yīng)器處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)開(kāi)展。

2.4 沼氣產(chǎn)量與組分變化情況

從圖14～圖17可以看到，隨著進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷的提高，R0～R3的沼氣產(chǎn)量逐漸升高，甲烷含量維持在60%左右；當(dāng)反應(yīng)器出現(xiàn)酸化時(shí)，沼氣產(chǎn)量和甲烷含量開(kāi)始降低，二氧化碳含量則顯著升高。其中，二氧化碳含量的升高很可能是由有機(jī)酸與碳酸氫鹽發(fā)生反應(yīng)所致。通過(guò)計(jì)算單位VS去除量的沼氣產(chǎn)量(簡(jiǎn)稱(chēng)單位VS產(chǎn)氣量)可知，在P2和P3階段時(shí)，R0，R1，R2和R3的單位VS產(chǎn)氣量分別平均約為618，617，585和556 mL·g-1VS。從中可以看出，隨著青貯秸稈比例的增加，單位VS產(chǎn)氣量逐漸降低，這可能是由于餐廚垃圾中的油脂、糖類(lèi)和蛋白質(zhì)的單位VS產(chǎn)氣量要高于青貯秸稈中的纖維素[21-22]。但是，值得注意的是，R0和R1的單位VS產(chǎn)氣量比較接近，這說(shuō)明10%青貯秸稈投加量是比較合適的。到P4階段時(shí)，R0，R1，R2和R3的單位VS產(chǎn)氣量分別為468，613，597和539 mL·g-1VS，其中R0和R3的產(chǎn)氣量明顯降低，這可能是由有機(jī)酸積累引起的，而R1和R2的產(chǎn)氣量則仍然保持穩(wěn)定值。到P5階段時(shí)，R1和R2單位VS產(chǎn)氣量分別為426和509 mL·g-1VS(第165和148天)，同樣是由于有機(jī)酸甲烷化代謝受抑制引起的。

圖14 R0反應(yīng)器沼氣產(chǎn)量和組分變化情況

圖15 R1反應(yīng)器沼氣產(chǎn)量和組分變化情況

圖16 R2反應(yīng)器沼氣產(chǎn)量和組分變化情況

圖17 R3反應(yīng)器沼氣產(chǎn)量和組分變化情況

3 結(jié)論

(1)添加青貯秸稈不僅能在一定程度上緩解餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中出現(xiàn)的酸化問(wèn)題，從而提高系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷，而且能有效緩解酸積累對(duì)水解酸化微生物活性的抑制影響。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單獨(dú)餐廚垃圾厭氧消化相比，10%左右的青貯秸稈添加量能顯著改善餐廚垃圾厭氧消化性能，在2.0 kg· m-3d-1負(fù)荷下，單位VS產(chǎn)氣量達(dá)到613 mL·g-1VS。

(3)乙酸是餐廚垃圾和青貯秸稈厭氧消化最主要的酸積累產(chǎn)物，因此，有必要通過(guò)強(qiáng)化嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌活性來(lái)保障厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

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Semi-continuous Anaerobic Co-digestion of Food Waste and Maize Straw Silage in CSTR System /

GE Ya-juan1,2, XU Heng2, YUAN Quan2, ZHANG Xiao-qian2, Zhang Jie1, WANG Kai-jun2/

(1. School of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2. State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The anaerobic co-digestion performance of food waste (FW) and maize straw silage (MSS) with volatile solid (VS) ratios of 10∶0, 9∶1, 8∶2 and 6∶4 were investigated under mesophilic and semi-continuous conditions. The results showed that, compared with the anaerobic mono-digestion of FW, addition of 10% MSS (reactor R1) could effectively improve the CSTR performance. At organic loading of 2.0 kg· m-3d-1, organic acids and SCOD could be maintained at lower levels，and higher effective alkalinity and more stable pH were observed. The VS removal rate over 75% was achieved with biogas production up to 613 mL·g-1VS. On the other hand, the huge accumulation of acetate frequently occurred for food waste as main substrate, which needs to be further studied in the coming experiments.

anaerobic digestion; maize straw silage; food waste; CSTR

2016-10-14

項(xiàng)目來(lái)源： 國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAC27B01)

葛亞娟(1991-)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，在讀碩士，研究方向?yàn)橛袡C(jī)廢物(水)厭氧處理技術(shù)，E-mail:geyaj163@163.com

王凱軍, E-mail:wkj@tsinghua.edu.cn

S216.4; X705 ;X712

A

1000-1166(2017)02-0056-06