餐廚廢水和固渣厭氧發(fā)酵試驗(yàn)研究

譚業(yè)琴

（甘肅馳奈生物能源系統(tǒng)有限公司，蘭州 730000）

我國(guó)餐廚垃圾含水率高，一般為80%～90%，伴隨著餐廚垃圾的處理，餐廚廢水和固渣的處理問(wèn)題浮現(xiàn)，成為餐廚垃圾處理工藝的技術(shù)瓶頸。餐廚廢水屬于高濃度有機(jī)廢水，COD保持在80 000～120 000 mg/L，含固率和含油量非常高，目前，國(guó)內(nèi)餐廚垃圾處理企業(yè)大多采用中溫厭氧發(fā)酵工藝，處理效果不太理想，產(chǎn)沼氣性能也不穩(wěn)定[1]。餐廚垃圾處理行業(yè)還未頒布廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，但隨著環(huán)保要求的提高，餐廚廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)將日益嚴(yán)格。對(duì)于餐廚垃圾固液分離的殘?jiān)浜室廊黄撸话銥?0%～70%，含油率為0.5%～0.8%，多呈糊狀，脫水極其困難，目前大多采用好氧堆肥或厭氧堆肥進(jìn)行處理，但堆肥周期長(zhǎng)、占地面積大、易散發(fā)惡臭，所以餐廚廢水和固渣的處理成為大多數(shù)餐廚垃圾處理廠的棘手問(wèn)題[2]。本文通過(guò)3 組小試，重點(diǎn)探究接種物、含固率對(duì)餐廚廢水和固渣厭氧發(fā)酵的影響，旨在為整個(gè)餐廚垃圾處理行業(yè)的發(fā)展提供一定理論支持，為工程運(yùn)行積累一些可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 中溫厭氧發(fā)酵的理論基礎(chǔ)

廢水的厭氧發(fā)酵是指在無(wú)分子氧條件下通過(guò)厭氧微生物（包括兼養(yǎng)微生物）的作用，將廢水中的各種復(fù)雜微生物分解轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳等物質(zhì)。一般將其分為水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷三個(gè)階段[3-4]。根據(jù)含固率的不同，厭氧發(fā)酵分為濕法（含固率8%～10%）和干法（含固率20%～40%）兩種[5]。根據(jù)溫度，厭氧發(fā)酵可分為常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵。常溫發(fā)酵溫度隨環(huán)境溫度改變，產(chǎn)氣性差，沼氣產(chǎn)量不穩(wěn)定，因而實(shí)際工程較少采用；中溫發(fā)酵溫度為30～35 ℃，穩(wěn)定性較高，沼氣產(chǎn)率高，沼氣產(chǎn)量平衡而且穩(wěn)定，目前被廣泛用于中型或者大型沼氣項(xiàng)目中；高溫發(fā)酵溫度為50～55 ℃，容積負(fù)荷高，沼氣產(chǎn)率高，停留時(shí)間短，但因能耗較高而應(yīng)用不廣泛。

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用單相序批式厭氧消化，一次性完成進(jìn)料，消化溫度為35 ℃（±3 ℃）。采用3 套立式發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)行同步試驗(yàn)。按照比例，將接種物厭氧污泥和牛糞加入餐廚垃圾漿液中，然后裝入反應(yīng)器中密封，定期進(jìn)行機(jī)械攪拌并開啟沼液回流系統(tǒng)，進(jìn)行加熱保溫，啟動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行厭氧消化。

1#發(fā)酵罐采用餐廚漿液濕式動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵，含固率為8%～10%，接種厭氧污泥。2#發(fā)酵罐采用餐廚漿液濕式動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵，含固率為8%～10%，接種牛糞。3#發(fā)酵罐采用餐廚垃圾離心機(jī)分離后的殘?jiān)M(jìn)行干式靜態(tài)厭氧發(fā)酵，含固率為17.48%，接種厭氧污泥。

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

一是在相同接種比的情況下，探究接種物種類對(duì)厭氧發(fā)酵效果的影響。二是在相同接種物的前提下，探究不同含固率對(duì)產(chǎn)氣性能的影響。

2.2 含固率的確定

為了便于工程實(shí)際推廣應(yīng)用，處理工序不宜過(guò)于煩瑣，本試驗(yàn)采用臥螺離心機(jī)分離的餐廚廢水進(jìn)行厭氧消化，相比現(xiàn)有的利用廢水發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝，含固率有了較大的提高，但1#發(fā)酵罐、2#發(fā)酵罐仍控制在濕式發(fā)酵的范疇，以便對(duì)發(fā)酵物料進(jìn)行機(jī)械攪拌，保證獲得較高的產(chǎn)氣量[2]，又不會(huì)因過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷率破壞系統(tǒng)的消化穩(wěn)定性和沼液回流效果，本試驗(yàn)1#發(fā)酵罐、2#發(fā)酵罐含固率均為8%～10%，3#發(fā)酵罐含固率為20%左右。

2.3 接種物及接種比例的確定

試驗(yàn)所采用的接種物為厭氧污泥和牛糞。有研究認(rèn)為，添加接種物有助于緩解揮發(fā)酸的積累，并加速試驗(yàn)的啟動(dòng)，提高產(chǎn)氣量。接種比例一般為20%～30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以含固率計(jì)，下同）[4-5]，本試驗(yàn)選擇的接種比例為20%～25%。

2.4 主要指標(biāo)測(cè)定周期的確定

本次中溫厭氧消化試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定分為兩組，一組每天測(cè)量，指標(biāo)包括溫度、pH、產(chǎn)氣量和沼氣氣體組分；另一組每3 天進(jìn)行取樣，測(cè)定沼液的COD、氨氮（NH3-N）、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和含固率。含固率與含水率測(cè)定采用烘干法。將垃圾樣品在105 ℃溫度下除去水分，烘至恒重，得到干物質(zhì)（總固體，TS）。含固率（總固體含量）常用百分?jǐn)?shù)表示，其與含水率之和為100%。pH 測(cè)定采用數(shù)字pH 計(jì)。COD 測(cè)定采用重鉻酸鉀滴定法，儀器為5B-3C 型COD 快速測(cè)定儀。VFA 測(cè)定采用滴定法。沼氣產(chǎn)量測(cè)定采用排水集氣法。氣體成分分析（CH4、CO2）采用便攜式沼氣分析儀。

3 試驗(yàn)裝置與材料

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由3 個(gè)立式發(fā)酵反應(yīng)器、3 個(gè)排水集氣桶、3 套沼液收集回流裝置構(gòu)成，立式發(fā)酵反應(yīng)器配有溫控系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)。發(fā)酵反應(yīng)器為鐵制反應(yīng)器，容積約為0.2 m3，反應(yīng)器內(nèi)外層之間填充加熱線、保溫層和溫度探頭進(jìn)行加熱保溫和溫度控制。1#發(fā)酵罐和2#發(fā)酵罐設(shè)置立式攪拌機(jī)，促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)物料溫度的穩(wěn)定，加速發(fā)酵試驗(yàn)啟動(dòng)。

3.2 試驗(yàn)材料

一是餐廚垃圾漿液。其主要成分是臥螺離心機(jī)分離后的餐廚廢水和殘?jiān)蛷N廢水的含固率為11.1%，殘?jiān)搪蕿?5%。二是接種物。一種接種物為取自升流式厭氧污泥床（UASB）發(fā)酵罐的絮狀厭氧污泥，含水率約為94%，另一種接種物為養(yǎng)殖場(chǎng)的牛糞，含水率約為93%。三是調(diào)節(jié)藥劑。其包括備用葡萄糖粉末、FeCl3粉末和片堿。進(jìn)料記錄如表1所示。進(jìn)料包括餐廚廢水（或固渣）、厭氧污泥和牛糞。

表1 發(fā)酵罐進(jìn)料記錄

4 結(jié)果分析

下面從3 個(gè)方面分析餐廚廢水和固渣厭氧消化試驗(yàn)結(jié)果。一是厭氧消化過(guò)程中沼液各指標(biāo)的變化情況，二是厭氧消化每日產(chǎn)氣量，三是沼氣的組分變化情況。

4.1 厭氧消化過(guò)程中沼液各指標(biāo)的變化情況

4.1.1 沼液pH 的變化情況

1#發(fā)酵罐和2#發(fā)酵罐進(jìn)料的pH分別為3.6和3.5，從圖1 可看出，發(fā)酵初始6 d，pH 呈逐漸上升趨勢(shì)，但上升至5.6 左右，出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，為緩解酸抑制，第6 天往1#發(fā)酵罐和2#發(fā)酵罐分別添加15 g NaOH調(diào)節(jié)pH，添加方法為先放出部分沼液，加入NaOH 完全溶解后，再將其加入發(fā)酵罐內(nèi)，然后開啟攪拌使罐內(nèi)物料混合均勻。在第7天，2 個(gè)發(fā)酵罐pH 分別上升至6.37 和5.89，調(diào)節(jié)作用不太明顯，故選擇在第8天，往1#發(fā)酵罐和2#發(fā)酵罐分別添加400 g NaOH 進(jìn)一步調(diào)節(jié)pH，2 個(gè)發(fā)酵罐pH 分別上升至8.22 和7.25，但第10天，發(fā)酵罐pH 分別回落至6.01 和6.14，隨后1#發(fā)酵罐pH 逐漸上升，成功度過(guò)產(chǎn)酸階段，而2#發(fā)酵罐pH 一直處于5.5～6.1，一直未實(shí)現(xiàn)正常產(chǎn)沼氣，發(fā)酵至35 d 左右，pH 均出現(xiàn)回落。隨后，1#發(fā)酵罐pH 回歸正常水平，且能穩(wěn)定在7.0 左右，而2#發(fā)酵罐pH 一直處于7.0 以下，未能正常進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。

圖1 1#發(fā)酵罐與2#發(fā)酵罐沼液的pH 變化趨勢(shì)

4.1.2 沼液COD 的變化情況

厭氧消化過(guò)程中，每個(gè)發(fā)酵罐沼液的COD 變化情況如圖2 所示。從圖2 可以看出，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，1#發(fā)酵罐和2#發(fā)酵罐沼液中的COD 都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因?yàn)樗猱a(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷過(guò)程的進(jìn)行，有機(jī)物被大幅度降解，1#發(fā)酵罐順利度過(guò)了產(chǎn)酸階段，所以COD 下降得更快，最后出水COD 穩(wěn)定在10 000～20 000 mg/L，而2#發(fā)酵罐因停滯在產(chǎn)酸階段，COD 降解幅度較小，由此可知，酸抑制對(duì)有機(jī)物降解過(guò)程有較大的影響。

圖2 1#發(fā)酵罐和2#發(fā)酵罐沼液中的COD 變化趨勢(shì)

4.1.3 沼液VFA 的變化情況

從圖3 可以看出，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，1#發(fā)酵罐和2#發(fā)酵罐沼液中的VFA 從開始階段的2 000～3 000 mg/L 逐漸上升，這是因?yàn)樵谒馑峄A段，餐廚廢水中的蛋白質(zhì)、脂類等長(zhǎng)鏈大分子有機(jī)物分解產(chǎn)生大量的VFA，在發(fā)酵進(jìn)行15 d 以后，2 個(gè)罐中的VFA 均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，標(biāo)志著發(fā)酵罐已順利進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，VFA 已被產(chǎn)甲烷菌用來(lái)產(chǎn)甲烷。

圖3 1#發(fā)酵罐和2#發(fā)酵罐沼液中的VFA 變化趨勢(shì)

4.2 厭氧消化每日產(chǎn)氣量

因?yàn)?#發(fā)酵罐出現(xiàn)酸抑制現(xiàn)象，未能實(shí)現(xiàn)正常產(chǎn)氣，所以主要對(duì)1#發(fā)酵罐和3#發(fā)酵罐的產(chǎn)氣情況進(jìn)行分析，如圖4 所示。從圖4 可得，1#發(fā)酵罐和3#發(fā)酵罐在發(fā)酵初始，產(chǎn)氣量較小，隨著水解酸化的進(jìn)行，系統(tǒng)產(chǎn)生大量的H2和CO2，而后進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)氣量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但3#發(fā)酵罐產(chǎn)氣量高于1#發(fā)酵罐，這是由于3#發(fā)酵罐含固率較高，有機(jī)物濃度高。發(fā)酵至25 d 和42 d 左右，3#發(fā)酵罐均出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，原因是3#發(fā)酵罐添加了葡萄糖粉末和FeCl3，葡萄糖為厭氧菌提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而FeCl3為菌類生長(zhǎng)補(bǔ)充了營(yíng)養(yǎng)元素。

圖4 1#發(fā)酵罐和3#發(fā)酵罐的產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)

4.3 沼氣的組分變化情況

從圖5 可知，1#發(fā)酵罐和3#發(fā)酵罐沼氣中的CH4在發(fā)酵初始，含量較低，這是因?yàn)榍捌跒樗馑峄A段，產(chǎn)生大量的H2和CO2，隨著產(chǎn)甲烷過(guò)程的進(jìn)行，CH4含量逐漸升高，但3#發(fā)酵罐始終高于1#發(fā)酵罐，發(fā)酵至25 d 和42 d 左右，CH4含量明顯升高，這是由于3#發(fā)酵罐含固率較高，且添加葡萄糖粉末和FeCl3，為產(chǎn)甲烷菌提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，3#發(fā)酵罐甲烷含量漸漸趨于穩(wěn)定，最后穩(wěn)定在50%～65%。

圖5 1#發(fā)酵罐和3#發(fā)酵罐的沼氣組分變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

2 個(gè)多月的試驗(yàn)表明，在相同接種比的前提下，選擇厭氧污泥作為餐廚廢水接種物的效果較好，不宜單獨(dú)采用牛糞。在接種厭氧污泥的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比餐廚廢水濕法厭氧發(fā)酵，固渣干法厭氧發(fā)酵啟動(dòng)較快，產(chǎn)沼氣量較大，且沼氣中甲烷含量較高。厭氧發(fā)酵期間，適當(dāng)添加FeCl3和葡萄糖，有助于產(chǎn)氣量的增加，且沼氣中甲烷含量也有一定升高。雖然固渣干法厭氧發(fā)酵的產(chǎn)沼氣量較大，但是考慮實(shí)際進(jìn)出料的方便，含固率不宜太高，建議控制在30%以下，實(shí)際工程運(yùn)行中，進(jìn)出料困難是目前固渣干法厭氧發(fā)酵需要解決的主要問(wèn)題。