发酵液回流对餐厨垃圾厌氧消化的影响.pdf

固 废 处 理 发酵液回流对餐厨垃圾厌氧消化的影响 * 王馨仪 1 郭建斌 1 吴树彪 1 王飞 3 董仁杰 2 陈理 2 庞昌乐 2 1． 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083;2． 中国农业大学工学院，北京 100083; 3． 北京市水文总站，北京 100089 摘要 针对厌氧发酵液回流可提高厌氧系统性能， 而不适的回流比例又会造成系统酸化的现象， 采用单相连续反应器 研究了发酵液回流及不同回流比对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响。结果表明 在1 gVS/L的有机负荷下进行三种比例 10 、 30 、 50 的发酵液回流使系统日平均产气量比不回流阶段分别提高 0. 7 、 13. 0 、 4. 9 ， 且对气体甲烷含 量无显著影响。回流使 VFA 降解更充分， 也使系统缓冲能力得到调节， 但在较高的回流比 50 下会造成 Na 积累 从而抑制系统产气性能。 关键词 餐厨垃圾;沼液回流;厌氧消化;沼气;高回流比 THE EFFECT OF SLURRY RECIRCULATION ON ANAEROBIC DIGESTION PERANCE OF KITCHEN WASTE Wang Xinyi1Guo Jianbin1Wu Shubiao1Wang Fei3Dong Renjie2Chen Li2Pang Changle2 1． College of Water Resources ＆ Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China; 2． College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China; 3． Beijing Hydrological Center，Beijing 100089，China AbstractFor slurry recirculation can improve the perance of anaerobic digestion system while inadaptable recirculation rate may lead to acidification，an anaerobic digestion experiment was carried out on kitchen waste to analyze the effect of slurry recirculation． Results showed that the average daily biogas production was increased by 0. 7 ，13. 0 and 4. 9 than its non-recirculation period when the recirculation rate was 10 ，30 and 50 ，respectively． Slurry recirculation had no harm to the methane percentage． With an increased recirculation rate，systems buffer capacity reduction pered better，but high recirculation rate 50 would lead to sodium ion accumulation． Keywordskitchen waste;slurry recirculation;anaerobic digestion;biogas;high recirculation rate * 十 二 五 科 技 支 撑 计 划 2011BAD15B04 ; 十 二 五 863 重 点 项 目 2012AA101803 ; 公益性行业 环保 科研专项 201009017- 05 。 0引言 餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分， 在北 京、 上海、 深圳等众多大中型城市的生活垃圾中均占 有 50 ～ 60 的比例 ［1］。如何有效安全地处理如此 大量的餐厨垃圾， 已成为现在面临的重要问题。 城市生活垃圾的无害化处理方式主要包括填埋、 焚烧、 堆肥和厌氧消化等 ［1］。但潘丽爱等人研究称， 餐厨垃圾水分含量约为 73 ， 糖类、 脂肪、 蛋白质等 有机质含量约为 23 ［2］。通用的城市生活垃圾处理 方式填埋、 焚烧和堆肥在应用到餐厨垃圾的处理上时 都有一定局限性 ［2- 4］。厌氧消化法是一种环境友好型 的餐厨垃圾处理方式， 可以使垃圾经厌氧消化后产生 清洁能源沼气， 但在发酵过程中会产生大量含氮磷养 分、 微生物和未降解有机物的发酵液， 直接外排同样 会造成污染， 而沼气工程周边农田消纳沼液也有一定 限量。杨历军 ［5］等研究发现， 将厌氧发酵产生发酵 液回流可以提高反应器内生物量， 提高设备有机负荷 率和处理效率。发酵液回流工艺也可减轻沼气工程 周边农田消纳沼液的压力。但是由于发酵液本身还 含有一定量的未降解有机物和原料带入的 Na ， 一方 面回流可以使发酵液中的有机组分重新得到利用， 另 一方面过量回流也可能会引发酸化， 抑制产甲烷过 程 ［6］。本文拟采用连续单相反应器， 研究回流作用 以及不同的回流比例对餐厨垃圾厌氧发酵甲烷产量、 77 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 有机物降解速度、 系统缓冲能力和典型抑制物积累程 度的影响， 为回流工艺在餐厨垃圾处理中的应用提供 参考。 1实验部分 1. 1装置 实验所用反应器为有机玻璃外壳的圆柱体， 见 图 1。其总容积为3. 7 L， 有效容积为3 L。反应器上 端开有出气口， 进料口开在反应器中部， 外接进料管， 管口末端高于内部液面， 以液封的方式达到反应器内 部隔氧的状态。装置置于保温柜内， 采用温控仪控制 加热以维持中温条件 37 ℃ 。实验过程中每24 h进 出料一次， 进料时和进料12 h后分别用胶塞封住进料 管口， 将反应器抬起晃动以达到搅拌混匀内部料液的 目的。每日产生的气体以集气袋收集， 出料由反应器 底部的出料口收集。 图 1实验装置示意 1. 2原料与操作方法 餐厨垃圾取自中国农业大学某学生食堂。其主 要成分包括米饭、 肉类、 蔬菜等。自餐具收集处取较 均匀的样品， 剔除大的硬骨、 木筷子和塑料袋， 用小型 榨汁机榨成浆状， 放入 － 18 ℃ 的冰柜中冷冻。其主 要特性指标见表 1。 为了加速甲烷菌增殖， 使厌氧系统可以更快启动， 除餐厨原料外还需接种一些厌氧污泥。接种物采用北 京市小红门污水处理厂中温厌氧消化池内的活性污 泥。其性质为灰黑色液体， 主要特性指标见表 1。 表 1原料与接种物性质 项目TS/VS/ TKN / mg L － 1 C /NpH Na / 餐厨垃圾21. 4619. 96393524. 054. 690. 45 接种物1. 490. 849574. 136. 910. 20 本实验主要考察发酵液回流比对餐厨垃圾厌氧 消化过程中各项指标的影响。实验处理见表 2。设 置水力停留时间 HRT 为25 d， 反应器内有机负荷为 1 gVS/L。反应器启动时接种3 L消化污泥， 每天中午 11 时晃动反应器， 将内部料液混匀后按 HRT 对应的 进料体积出料。随后按有机负荷取相应量的餐厨垃 圾， 加自来水稀释至出料体积， 从进料口加入。加料 后再次晃动使原料分布均匀。1 ～ 25 d为不回流阶 段， 从26 d开始， 三个反应器分别以不同的回流比运 行。具体操作方法为以当日反应器出料发酵液部分 替代原料稀释用水， 与餐厨垃圾原料混合后从进料口 加入。三个反应器的具体发酵液回流体积按照设置 的回流比计算。为保证系统启动期与回流之前相同 的碱度与 pH 值水平， 实验中分别在启动时和回流开 始之前加碱调节 pH 值 调至 7. 5 左右 。为避免额 外带入 Na 对甲烷化反应产生抑制， 特采用 KHCO3 作为调节剂。实验运行的50 d内， 每日测定发酵液 pH 值， 每 3 d 测定发酵液挥发性脂肪酸 VFA 、 碱 度、 氨氮、 Na ; 每日测定集气袋内当日产气的含量与 成分。 表 2各个反应器不同阶段回流比* 设置 项目不回流阶段 1 ～ 25 d回流阶段 26 ～ 50 d R1010 R2030 R3050 *回流比 每日回流发酵液体积 /每日出料发酵液体积。 1. 3测试项目及方法 总固体 TS 采用 105 ℃ 烘干法测定; 挥发性固 体 VS 采用马弗炉550 ℃ 测定; pH 值采用 Orion 3- Star pH 计测定; C /N 中的 C 以挥发性固体 VS 来估 算 C 0. 47VS ， 总 N 以凯氏定氮法测定;VFA 与碱 度以滴定法 ［7］测定 VFA 以乙酸计， 碱度以碳酸氢盐 碱度计 ; 氨氮采用水杨酸 － 次氯酸盐光度法测定; Na 以 Sherwood M410 火焰光度计测定; 日产气量用 湿式气体流量计测定; 甲烷含量采用气体成分分析仪 Visit 03， Eheim 测定。 2结果与讨论 2. 1回流比对总产气量及甲烷含量的影响 图 2a 显示了系统日产气量在不同回流比反应器 中的变化趋势。在系统启动初期 R1、 R2、 R3 的产气 量较低， 这可能是因为本实验接种的污泥是污水处理 厂的活性污泥而非成熟的餐厨垃圾反应器出料发酵 液， 在系统启动初期该污泥尚不能完全利用餐厨垃圾 这一新底物。在 5 ～ 25 d的反应期内， 三个反应器的 日产气量平均值依次为 2 080 180mL/d、 2 380 87 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 250mL/d、 2 200 260mL/d， 可认为从第5 天开始 系统进入正常的厌氧发酵产气过程。从第26 天开始 进入回流阶段后， R1 10 、 R2 30 、 R3 50 的 日产气量平均值依次为 2 090 200 mL/d、 2 690 150mL/d、 2 310 240mL/d， 比不回流阶段分别 提高了 0. 7 、 13. 0 和 4. 9 ， 由此可知回流比为 30 时系统产气性能达到最佳。回流对系统产气的 有利影响可能有两方面 一方面， 用于回流的发酵液 呈现微碱性 见 2. 2 ， 而餐厨垃圾原料显现微酸性， 通过回流发酵液与餐厨原料的混合， 进料 pH 值得到 了提高， 减少了进料对系统局部的冲击; 另一方面， 回 流发酵液中含有一定的生物量， 加快了反应器内部的 菌种繁殖过程。 a日产气量; b甲烷含量 图 2日产气量与甲烷含量的变化 图 2b 显示了甲烷含量在不同回流比反应器中的 变化趋势。在系统启动第 1 天， 三个反应器的产气甲 烷含量都偏低， 这可能是由于发酵液和反应器中尚含 有一定浓度的氧， 甲烷菌也未增殖完全。由于氧被产 酸菌迅速消耗， 从第 2 天开始三个反应器气体的甲烷 含量升至 60 以上， 并且在 1 ～ 50 d的反应期内均保 持稳定。回流阶段的甲烷含量与不回流阶段相比无 显著差异， 不同回流比下的各个反应器产气甲烷含量 也无显著差异。 2. 2回流比对 VFA 浓度、 系统缓冲能力与 pH 值的 影响 挥发性脂肪酸 VFA 是厌氧发酵过程中的重要 中间产物， 是甲烷化反应的基础。图 3a 显示了 VFA 在不同回流比反应器中的变化趋势。在反应器启动 初期 VFA 略有下降， 这可能是因为污泥接种率高， 污 泥内残留的 VFA 在温度适宜和搅拌恢复的状态下被 迅速消化。而接下来 VFA 迅速上升， 这可能是因为 餐厨垃圾中的米饭、 肉类和蔬菜等组分经过切碎和蒸 煮， 极易水解产酸， 而此时甲烷菌尚未增殖完全， 甲烷 产生的速率低于 VFA 产生速率。由于 VFA 积累可 能会对甲烷菌产生抑制， 在厌氧消化反应一般要求 VFA 浓度 以乙酸计 低于3 000 mg/L［8］， 由此可见 在三个反应器 VFA 浓度达到峰值的时候未产生 VFA 抑制。经历峰值之后 VFA 浓度开始下降， 反应第 17 天后三个反应器 VFA 值均已恢复平稳， 并且在回流 阶段后 15 d 中三个反应器的 VFA 平均值略低于不回 流阶段 稳 定 后 的 VFA 平 均 值。由 此 可 知 回 流 在 1 gVS/L的有机负荷下并未造成 VFA 积累， 并且回流 的生物量加快了系统内 VFA 的降解。 由相关报道可知， 厌氧体系的碱度可反映其对酸 性 物 质 的 缓 冲 能 力， 其 在 一 般 情 况 下 应 维 持 在 2 000 ～ 3 000 mg/L之间 ［9］。图 3b 显示了碱度在不 同回流比反应器中的变化趋势。在反应器启动初期 碱度逐渐下降， 不回流阶段后期碱度值在4 000 mg/L 上下波动。在回流阶段开始前， 由于添加 HCO － 3 进 行了人工 pH 值调节， 系统碱度均回升至系统初始水 平。进入回流阶段后， 三个反应器碱度均出现与不回 流阶段相似的下降趋势， 但各个反应器碱度达到稳定 的时间不同， R1 10 、 R2 30 于第 47 天达到稳 定， R3 50 在第 38 天即已达到稳定。反应第 50 天时 三 个 反 应 器 的 碱 度 值 依 次 为 3 050， 3 875， 4 225 mg/L。 由此可见回流比的增大可以提高系统的 碱度， 也可以使系统更快达到碱度的稳定期， 系统的 缓冲能力也会随之得到提升。这可能是因为回流发 酵液使得系统内部的氨态氮含量有所上升， 氨态氮是 厌氧缓冲体系的一种致碱物质， 从而提高了厌氧缓冲 体系的碱度。 97 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 aVFA 变化; b碱度变化 图 3 VFA 与碱度的变化 pH 值是厌氧发酵过程的重要影响因素。在 1 ～ 25 d的不回流阶段， 三个反应器的 pH 值在 7. 3 ～ 7. 6 之间波动。一般认为， 中温条件下产甲烷菌最适 pH 值在 6. 8 ～ 7. 2 之间， 实际上在 pH 值 6. 5 ～ 7. 5 的范 围内产甲烷菌都具有较强的生化反应能力。1 ～ 25 d 系统 pH 值处在产甲烷菌适宜范围内， 系统运行正 常。在不回流阶段后期系统 pH 值略低， 为了使回流 阶段与不回流阶段的初始系统 pH 值更接近， 在回流 开始前通过加碱对三个反应器进行 pH 值调节。在 26 ～ 50 d 的 回 流 阶 段，R1 10 、 R2 30 、 R3 50 的 pH 平均值依次为 7. 3 0. 1、 7. 4 0. 1、 7. 5 0. 1。 2. 3回流比对厌氧发酵中氨氮和 Na 浓度的影响 图 4a 显示了发酵液内氨氮含量在不同回流比反 应器中的变化趋势。在不回流阶段初期氨氮含量逐 渐降低， 这可能是因为系统内菌群依然处在增殖过程 中， 需要不断消耗氮源。从反应第 17 天开始， 氨氮逐 渐趋于平衡。从第 26 天开始三个反应器均进入回流 阶段， 在此阶段内， R2 30 和 R3 50 的氨氮含 量逐渐上升， 而 R1 10 的氨氮值仍与不回流阶段 后期的氨氮值在同一范围内波动， 基本保持平衡。在 整个反应期内， 三个反应器内氨氮含量的最高值为 467. 6 mg/L。 一 般 认 为 氨 氮 浓 度 在 1 500 ～ 3 000 mg/L时， 开始产生一定的抑制 ［10- 11］， 由此可知 在整个反应过程中氨氮未对厌氧发酵产生抑制。 a氨氮变化; bNa 变化 图 4氨氮与 Na含量变化 由于烹饪过程中食用盐的添加， 餐厨垃圾是一类 Na 较高的有机垃圾。图 4b 显示了发酵液内 Na 含 量在不同回流比反应器中的变化趋势。在不回流阶 段， 系统内 Na 含量在 2. 2 ～ 3. 9 g/L的范围内波动， 此时系统产气正常。回流阶段后期 Na 含量水平 R3 50 ＞ R2 30 ＞ R1 10 ， 由此可知回流比越 大， 越容易造成 Na 积累。R3 50 的 Na 含量在 第 41 天达到峰值5. 2 g/L， 据 Kimis 等人的研究， 当反 应器内 Na 含量超过5 g/L时即会对系统甲烷产量有 不良影响 ［12］， 因此 R3 50 在此时可能已受到 Na 抑制， 与此对应的是 R3 50 的产气量也从第 41 天 开始逐渐下降。回流阶段后期 R2 30 的 Na 含量 在 4. 3 ～ 4. 4 g/L之间波动， 此浓度接近文献报道的 08 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 Na 离子抑制限， R2 30 的产气量在此时有下降 趋势， 但依然维持在较高的产气水平上， 证明此时 R2 30 虽受到了轻微的 Na 抑制， 但不至于危害到 系统稳 定 性。R1 10 的 Na 浓 度 值 一 直 低 于 4 g/L， 产气量也未受到影响。关于解除 Na 抑制的 方法， 王星等人发现可以通过置换反应器上清液的方 式消除 Na 的毒害作用 ［13］。Li 等人研究称在高 Na 浓度原料的厌氧消化中添加微量元素可以通过与 Na 产生拮抗来消除抑制 ［14］。 3结论 1在 1 gVS/L 的 有 机 负 荷 下 进 行 三 种 比 例 10 ，30 ，50 的发酵液回流使系统日平均产 气量比不回流阶段分别提高 0. 7 ，13. 0 ，4. 9 。 但回流对气体甲烷含量无显著影响。 2 在 1 gVS/L 的有机负荷下进行发酵液回流不 会造成系统内 VFA 等有机质的积累， 回流的生物量 可加快系统内 VFA 的降解， 降低系统内 VFA 水平。 随着回流比的增大， 氨态氮等致碱物质的返回量增多， 因此系统碱度水平随回流比增大而不断提高， 缓冲能 力也随之逐步增强。各反应器在回流阶段 pH 值波动 范围为 7. 2 ～7. 5， 处在厌氧发酵适宜 pH 值范围内， 并 且各个反应器平均 pH 值随回流比增大而略有提高。 3 系统的氨氮含量随回流比的增大而上升， 但 在氨氮初始浓度较低的情况下实验全程的氨氮值均 未达到抑制限， 未发生氨氮抑制现象。Na 浓度同样 随回流比增大而提高， 回流比 50 时系统受到 Na 抑制， 对应此时进行 50 回流的反应器产气量也有 所下降， 而回流比 30 时系统受到轻微抑制， 但不严 重影响产气和系统稳定性。 参考文献 ［1］宋建利，石伟勇． 城市生活垃圾现状与资源化处理技术研究 ［J］． 河北农业科学，2009，13 7 58- 61． ［2］潘丽爱，张贵林． 餐厨垃圾特性的试验研究［J］． 粮油加工， 2009 9 154- 156． ［3］耿土锁． 食物性有机垃圾资源化方法［J］． 贵州环境保护， 2002 12 15- 18． ［4］汪群慧，马鸿志． 厨余垃圾的资源化技术［J］． 现代化工， 2004，24 7 56- 59． ［5］杨历军． 消化液回流对高浓度有机废水厌氧生物处理影响的 研究［D］． 郑州河南农业大学，2004． ［6］Ledakowicz S，Kaczarek K．Laboratory simulation of anaerobic digestion of municipal solid waste［J］． Solid Waste Management and Technologies for Developing Country，2002，6 2 39- 46． ［7］Rieger C，Weiland P． Prozessstrungen frhzeitig erkennen［J］． Biogas Journal，2006 4 18- 20． ［8］吴婉娥，葛红光，张克峰． 废水生物处理技术［M］． 北京化 学工业出版社，2003． ［9］蒋展朋． 环境工程学［M］． 北京高等教育出版社，1991． ［ 10］Walter J，Wujcik． Anaerobic dry fermentation［J］． Biotechnology ＆ Bioengineering Symposium，1980 10 43- 65． ［ 11］Gallert C， WinterJ．Mesophilicandthermophilicanaerobic digestion of source-sorted organic wasteeffect of ammonia on glucosedegradationandmethaneproduction ［J］．Applied Microbiology and Biotechnology，1997，48 3 405- 410． ［ 12］Kimis． Effect of particle size and sodium ion concentration on anaerobic thermophilic food waste digestion［J］．Water Science and Technology，2000，41 3 67- 73． ［ 13］王星，王德汉． 消化液回流比与有机负荷率对餐厨垃圾厌氧 消化的影响［J］． 环境污染与防治，2006，28 10 748- 752． ［ 14］Li X X． Stimulate effect of trace metals on anaerobic digestion of high sodium content substrate［J］． Water Treatment，1995 10 145- 154． 作者通信处庞昌乐100083北京市海淀区中国农业大学东校区 工学院 310 E- mailpangcl cau． edu． cn 2012 － 03 － 16 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 57 页 了极大地改善， 由原来的无组织排放实现了现在的达 标排放， 同时也解决了铁水飞溅的问题， 使区域的安 全生产得到了很大提高。由于该除尘系统运行后， 铸 铁频繁时， 每天能收集1 ～ 2 t石墨粉尘， 外卖以后还 产生了一定的经济效益。 参考文献 ［1］中国冶金建设协会， 中国冶金工业部建设协调司． 钢铁企业采 暖通风设计手册［M］． 北京 冶金工业出版社， 1996． ［2］张国玲， 陈金宝． 铸造车间砂处理工部的通风除尘［J］． 环境工 程， 2003， 21 3 34- 36． 作者通信处韩志强100088北京海淀区西土城路 33 号中冶建研 工程技术有限公司 电话 010 82228740 E- mailhb7604 126． com 2012 － 03 － 28 收稿 18 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期