有機負荷對廚垃圾厭氧消化系統穩定性的影響

在餐廚垃圾厭氧消化系統中，高負荷穩定運行并獲得高產沼氣是實現餐廚垃圾無害化、減量化、資源化可行性的關鍵。但在全國的餐廚垃圾厭氧消化工程項目中，厭氧消化系統酸化仍是較為常見現象。研究通過向穩定的大型厭氧消化系統中連續投加餐廚垃圾，逐步提高系統的單位體積有機負荷，檢測在此過程中沼氣氣量及沼氣中甲烷含量變化、系統pH 值變化、系統揮發性脂肪酸（VFA）濃度及堿度等監測指標的變化，探索大型全混合厭氧消化系統（CSTR）穩定運行的單位體積有機負荷合理區間，為大型的全混合厭氧消化系統穩定化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本實驗用的餐廚垃圾來源于深圳市羅湖區大型的餐廳酒樓，其主要成分如表1 所示。

表1 餐廚垃圾理化指標

1.2 試驗設備

試驗用設備為容積3000m3的全混合式厭氧消化罐（CSTR），其中有效厭氧消化容積2200m3，高徑比1：1，SUS316 材質。采用側壁盤管和基座盤管傳熱控溫，通過PT100 溫度傳感器實時監控溫度，發酵溫度37℃。設備采用側壁機械攪拌加外循環流體攪拌的間歇攪拌方式，總攪拌功率67kW，攪拌頻率設置為60min/3h。采用連續流加的進料方式，壓力控制自動排氣。

1.3 實驗方法

以固定單位體積有機負荷梯度遞增的方式往穩定運行的單位體積有機負荷為1.5kg TVS/（m3·d）的CSTR 罐內逐步增加投料量，投料梯度設定為增加單位體積有機負荷0.1kg TVS/（m3·d），每個濃度梯度維持3 天，直至厭氧消化系統單位體積有機負荷提升至3.2kg TVS/（m3·d），檢測消化液pH、堿度、氨氮、揮發性脂肪酸，并通過流量計和快速檢測儀監測沼氣產量和沼氣中甲烷含量的變化，各指標測定方法見表2。

表2 各指標測定方法

2 結果與分析

2.1 氮濃度的變化

試驗過程中，每天測定消化液中總氮和氨氮濃度，其變化如圖1 所示。由圖1 分析，隨著厭氧系統單位體積有機負荷不斷提升，厭氧消化液中的總氮濃度從2800mg/L 緩慢小幅上升至最高3200mg/L。氨氮濃度同步不斷上升，負荷提升至2.2～2.5 kg TVS/（m3·d）之間時，氨氮濃度達到2500mg/L，此時氨氮與總氮的比例亦處于最高狀態。隨著有機負荷繼續提高，氨氮濃度和氨氮與總氮的比例開始緩慢下降，至3.0kg TVS/（m3·d）有機負荷時，氨氮達到快速降至2000mg/L 以下，并隨著有機負荷的進一步提升至3.2mg/L 時急劇降至1000mg/L以下，系統顯著酸化。

圖1 不同有機負荷條件下厭氧消化系統氮素的變化

2.2 堿度與pH變化

由圖2 可知，厭氧消化系統內的堿度和pH 隨系統的單位體積有機負荷變化而變化，有機負荷從1.5kg TVS/（m3·d）緩慢提升至2.8kg TVS/（m3·d）時，系統堿度和pH 分別維持在9000～12000mg/L 與7.8～8.1 之間，當有機負荷繼續提升，堿度和pH 均開始快速下降，有機負荷升至3.2 kg TVS/（m3·d）時，堿度急劇降至4000mg/L 以下，pH 降至6.0 以下，維持相同有機負荷水平，堿度和pH 繼續下降，厭氧消化體系無法恢復。

圖2 不同有機負荷條件下厭氧消化系統堿度和pH 的變化

2.3 揮發性脂肪酸（VFA）濃度變化

由圖3 可知，VFA 隨系統的單位體積有機負荷變化而變化，有機負荷從1.5kg TVS/（m3·d）緩慢提升至2.8 kg TVS/（m3·d）時，系統消化液VFA 維持在4000～8000mg/L，系統厭氧代謝正常，當有機負荷繼續提升，VFA 濃度快速提升至10000mg/L 以上，厭氧系統快速酸化，維持相同有機負荷水平，無法降低VFA 濃度，厭氧消化體系無法恢復。

圖3 不同有機負荷條件下厭氧消化系統揮發性脂肪酸（VFA）濃度的變化

2.4 沼氣產率與甲烷體積濃度變化

由圖4 可知，厭氧消化系統的體積產氣效率和氣體的甲烷含量均隨著系統的單位體積有機負荷變化而變化，有機負荷從1.5kg TVS/（m3·d）緩慢提升至2.4kg TVS/（m3·d）時，系統產氣效率也緩慢上升，有機負荷從2.5kg TVS/（m3·d）至2.8kg TVS/（m3·d），系統產氣效率維持在2.55～2.68m3/m3/d 之間，在此過程中，氣體中甲烷含量維持在60%以上。隨著系統有機負荷進一步提升，系統產氣效率和甲烷含量開始逐漸快速下降，至3.2kg TVS/（m3·d），系統產氣效率降至1.0m3/m3/d 以下，甲烷含量降至35%，厭氧系統迅速酸化，維持相同有機負荷水平，產氣效率和甲烷含量繼續下降，厭氧消化體系無法恢復。

圖4 不同有機負荷條件下厭氧消化系統沼氣產率和甲烷體積濃度的變化

3 結論

①在維持2.5～2.8 kg TVS/（m3·d）單位體積負荷的情況下，大型CSTR 厭氧消化系統能夠實現餐廚垃圾單一物料穩定化運行，并獲得較高的沼氣產率和甲烷產率，沼氣產率達到2.55～2.68m3/（m3·d），沼氣中甲烷體積比率達到62%～65%。

②體積負荷過高是引起CSTR 厭氧消化體系酸化的重要因素，當單位體積負荷超過3.0 kg TVS/（m3·d）時，體系逐漸出現酸化現象，當體積負荷達到 3.2 kg TVS/（m3·d）時，厭氧消化體系表現出強烈的底物抑制，快速從甲烷化轉向酸化，維持有機負荷水平無法阻斷酸化的繼續，最終厭氧體系徹底酸化。

③厭氧消化系統在甲烷化轉入酸化的過程中，會發生一系列的指標變化，氨氮濃度快速下降至1000mg/L 以下，厭氧消化系統堿度急劇降至4000mg/L 以下，pH 降至6.0 以下，揮發性脂肪酸快速升高10000mg/L 以下，系統體積產氣效率積極下降，同時氣體組分中的甲烷體積比例也快速下降。利用厭氧消化系統酸化過程發生的這些指標變化，通過提前預警，可以有效防止系統酸化的發生。