溫度波動及有機負荷調控對太陽能輔熱餐廚垃圾厭氧消化性能影響

＊劉陽 黃小淳 于欽 馮磊 甄簫斐

（1.沈陽航空航天大學能源與環(huán)境學院 遼寧 110136 2.蘭州交通大學新能源與動力工程學院 甘肅 730070）

引言

隨著城市化進程加快和人民生活水平的提高，我國的餐廚垃圾產生量從3782萬t（2011年）增至4222萬t（2015年），預計2020年將達到4873萬t[1]。餐廚垃圾具有高含水率、高有機質等特點，采用生物處理中的厭氧消化技術可以實現(xiàn)對其資源化利用，有效地解決了存放、處置以及環(huán)境污染問題[2-4]。因此本研究在不破壞有機物料與微生物平衡關系前提下，探索餐廚垃圾厭氧消化極限OLR濃度。

傳統(tǒng)沼氣工程為維持發(fā)酵溫度均使用電能作為額外的能源供應，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[5-6]，太陽能光伏發(fā)電技術逐步成熟，太陽能作為清潔能源已被廣泛應用。本試驗將太陽能系統(tǒng)與厭氧消化工藝相結合，降低裝置維持發(fā)酵溫度的能源消耗，提高沼氣工程經濟效益。但太陽能輻射受天氣等因素影響較為嚴重，為了評估太陽能輔熱系統(tǒng)對餐廚垃圾處理效率影響，通過調控餐廚垃圾進料OLR對甲烷產量、理化參數(shù)和微生物菌群變化影響，從而得到餐廚垃圾厭氧消化的最佳OLR濃度和太陽能輻熱系統(tǒng)在實際沼氣工程中應用價值。

1.材料與方法

(1)試驗材料

表1 物料基本性質

餐廚垃圾取自遼寧省沈陽市沈陽航空航天大學北生活區(qū)食堂，活性污泥取自遼寧省沈陽市北部污水處理廠污泥濃縮池，餐廚垃圾與馴化污泥基本參數(shù)如表1所示。

(2)試驗裝置

試驗設計基于實際的太陽能沼氣工程項目，太陽能系統(tǒng)包括四個部分：太陽輻射系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)，循環(huán)恒溫水箱和厭氧消化系統(tǒng)。太陽能裝置和恒溫水箱用于維持消厭氧消化系統(tǒng)溫度環(huán)境。當溫度高于或低于設定溫度時，自動添加冷水和熱水維持發(fā)酵水溫在37±0.5℃。

厭氧消化系統(tǒng)采用自制的完全混合式厭氧消化反應器，材質為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），容積12L，有效容積8L，反應器頂部采用U型水封結構封蓋，確保試驗期間裝置氣密性良好。齒輪電動機（51K40RGN-C）進行間歇式攪拌，轉速設置為80r·min-1，每隔2h攪拌5min，試驗采用下進上出的內部循環(huán)水浴加熱形式，設定循環(huán)水浴鍋（XT5618-GP）出水溫度為37±0.5℃；反應器蓋裝有排氣閥，沼氣通過氣體流量計記錄。

(3)試驗啟動和運行

初始階段，將3kg餐廚垃圾與3L馴化污泥添加到反應器中，并添加去離子水至8L，使用氮氣吹脫5min排除空氣。試驗階段1(1-10d)、2(11-30d)、3(31-45d)和4(45-60d)分別與OLR為2.0kg·m-3·d-1VS、4.0kg·m-3·d-1VS、6.0kg·m-3·d-1VS和7.0kg·m-3·d-1VS相對應。每天上午9點測量反應器內參數(shù)信息。

(4)常規(guī)參數(shù)分析方法

TS，VS，NH4+-N和溶解性化學需氧量（SCOD）通過國際標準方法確定。沼氣測量采用濕氣流量計測量沼氣。總揮發(fā)性脂肪酸（TVFA）按照標準方法測定。

2.結果與討論

(1)OLR調控對甲烷產量影響

OLR在2.0-6.0kg·m-3·d-1VS之間，甲烷產量雖有波動，但反應器能夠穩(wěn)定運行且甲烷產量隨OLR提升而增加。OLR為2.0kg·m-3·d-1VS作為反應器的啟動階段，平均甲烷產量低于4.0L/d，提升OLR至4.0kg·m-3·d-1VS，反應器中甲烷產量變化與前一階段相似，其產量隨餐廚垃圾添加而迅速提升，但在無物料供給時期又發(fā)生驟減現(xiàn)象。繼續(xù)提升OLR至6.0kg·m-3·d-1VS階段實現(xiàn)了最佳甲烷生產效率，甲烷最高產量為39.89L/d（38天）且平均產甲烷產量為34.72L/d并趨于穩(wěn)定。但進一步提升OLR到7.0kg·m-3·d-1VS階段，甲烷產量呈斷崖式下跌，平均甲烷產量僅為13.75L/d。以上結果表明OLR在2.0-4.0kg·m-3·d-1VS雖然可以維持反應器平穩(wěn)運行，但較低的底物濃度導致產甲烷菌利用的營養(yǎng)物質不足，無法滿足自身生長繁殖需求，發(fā)生明顯的“饑餓現(xiàn)象”。而6.0kg·m-3·d-1VS階段作為最佳的產甲烷階段可以實現(xiàn)餐廚垃圾高效利用，此階段反應器運行表現(xiàn)出了穩(wěn)定而高效的生產效率。而過高的OLR沖擊（7.0kg·m-3·d-1VS）會破壞消化液中理化參數(shù)的動態(tài)平衡，最終導致運行失敗。

(2)OLR調控對理化參數(shù)影響

pH作為衡量厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標，研究發(fā)現(xiàn)維持pH在6.5-7.5最有利于甲烷生產，過高或過低都會影響微生物活性。啟動階段初始pH約為6.52，并在第6天開始下降至5.53。而在試驗之前的活性污泥馴化期間，添加餐廚垃圾后的第二天pH便快速下降，與正式試驗現(xiàn)象有所偏差，這可能是污泥馴化在恒溫水浴鍋中進行（37℃），但正式試驗中消化溫度受到太陽能熱輻射影響出現(xiàn)波動現(xiàn)象，一天中溫差甚至高于10℃，而微生物適應了馴化期間穩(wěn)定的溫度環(huán)境，導致在波動溫度環(huán)境中抑制了活性表達，使水解酸化階段出現(xiàn)明顯滯后性。提升OLR到4.0kg·m-3·d-1VS，pH保持在6.94-7.23之間，反應器運行穩(wěn)定，但OLR在6.0kg·m-3·d-1VS階段，反應器內揮發(fā)性脂肪酸（TVFA）平均濃度從前一階段1.7g/L增至4.0g/L，發(fā)生酸化現(xiàn)象導致pH快速下降到6.23。由于pH降至不利產甲烷菌生存范圍，因此添加適中的NaOH溶液對消化液進行人工調控，隨著pH逐步恢復，反應器恢復了水解產酸和甲烷化的動態(tài)平衡，甲烷產量并未受到明顯影響。進一步提升OLR至7.0kg·m-3·d-1VS，酸化現(xiàn)象再次發(fā)生，繼續(xù)進行人工堿液調節(jié)后pH僅維持較短時間便出現(xiàn)二次下降，此階段TVFA平均濃度到達了6.5g/L，反應系統(tǒng)嚴重酸化，說明當OLR超過反應器最大承載力時，消化液內部平衡已經被破壞，形成了不可逆影響，外界人工調節(jié)無法恢復反應器穩(wěn)定。

(3)OLR調控對TS和VS影響

TS和VS代表有機和無機含量的變化，TS和VS去除率代表了厭氧消化系統(tǒng)對有機底物利用效率和產酸菌的代謝能力。隨著OLR從2.0kg·m-3·d-1VS增加到7.0kg·m-3·d-1VS，TS和VS分別由3.53%和2.7%增加到21.48%和19.68%。而TS和VS去除率分別從91.58%降至47.93%及93.45%降至52.23%。在較低的OLR條件下，反應器中TS和VS去除率均保持在75%以上，具有較好的餐廚垃圾降解能力。當OLR進一步提高時，組TS和VS去除率分別降至63.16%和64.66%，但厭氧消化系統(tǒng)仍可持續(xù)運行。當OLR增加到7.0kg·m-3·d-1VS階段，TS和VS的平均去除率均小于60%，達到試驗期間最低水平。

3.結論

（1）6.0kg·m-3·d-1VS作為餐廚垃圾厭氧消化極限OLR實現(xiàn)最佳甲烷生產，此階段反應器內有機酸積累導致pH大幅波動，進行人工堿調節(jié)可以使反應器恢復穩(wěn)定運行。

（2）反應器無法承受7.0kg·m-3·d-1VS的OLR沖擊，有機酸積累和氨抑制現(xiàn)象同時發(fā)生，消化反應進程失衡導致運行失敗。