菜市场垃圾预处理浆料的减量化试验研究.pdf

菜市场垃圾预处理浆料的减量化试验研究 * 史东晓1屈阳2潘天高2钱超2李晨彬2 1． 常州市生活废弃物处理中心， 江苏 常州 213171; 2． 江苏维尔利环保科技股份有限公司， 江苏 常州 213125 摘要 利用机械生物反应器 JSＲ 处理菜市场垃圾预处理产生的浆料， 并对处理效果进行考察。试验结果表明 在 30 ～35 ℃条件下， 使用餐厨垃圾处理厌氧出水对 JSＲ 内部浆料进行淋洗及浸泡接种， 在 3 天的反应时间里， 浆料不断 进行水解酸化并溶入淋滤液中。COD 从58 000 mg/L 降低到31 000 mg/L， VFA 从4 368 mg/L 升高到12 500 mg/L， 后 降低到 4 950 mg/L， TS 从 4. 57降低到 3. 10， TN 从 2 100 mg/L 降低到 1 000 mg/L， 而 NH4－N 变化不明显， pH 从 5. 59 增加到 6. 06。JSＲ 设备对浆料的减量化效果较好， 干重减量率达到 73. 4， 出渣烘干后的热值达到 15018 J/g。 因此， 3 天的淋洗及浸泡处理可以使浆料快速减量， 出渣烘干后可以焚烧， 淋滤液可以通过后续厌氧消化完成处理。 关键词 浆料; 水解酸化; 淋滤; 减量化 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406022 STUDY ON DECＲEMENT OF FＲAGMENTED FOOD FＲOM A PＲETＲEATMENT SYSTEM FOＲ VEGETABLE MAＲKET WASTE Shi Dongxiao1Qu Yang2Pan Tiangao2Qian Chao2Li Chenbin2 1． Changzhou Domestic Waste Treatment Center，Changzhou 213171， China; 2． Jiangsu WELLE Environmental Co． ，Ltd，Changzhou 213125， China AbstractUsing a mechanical bio- reactor JSＲto treat fragmented food separated from vegetable market pretreatment system and its treatment effect was studied． The results showed that under the condition of ambient，temperature of 30 ～35 ℃，after the eluviation and soaking inoculating by anaerobic treatment drainage，the fragmented food went on hydrolytic acidification and dissolving in leaching solution during the reaction stage of three days． COD decreased from 58 000 mg/L to 31 000 mg/L， VFA from 4 368 mg/L to 12 500 mg/L and then to 4 950 mg/L，TS from 4. 57 to 3. 10，TN from 2 100 mg/L to 1 000 mg/L， and pH from 5. 59 to 6. 06，but NH4－ N changed unapparently． JSＲ had a good decrement effect for the fragmented food separated from food waste pretreatment system and the dry weight decrease by 73. 4 from the original weight． Thermal value of the dried dreg reaches 15018 J/g． Therefore，fragmented food has a rapid decrement stage during a three- day eluviation and soaking inoculating， and JSＲ dregs is feasible for incineration treatment after the oven dry． After that， and the leachate can be treated by subsequent anaerobic process． Keywordsfragmented food;hydrolytic acidification;eluviation;decrement * 住房和城乡建设部 2013 年科学技术项目计划研究开发项目 2013- K7- 13， K7201333 。 收稿日期 2013 －12 －10 0引言 随着人民生活水平的大幅提高， 蔬菜和水果等居 民生活必需品的需求量逐年递增。与此同时， 废菜 叶、 废果皮等菜市场垃圾的产生量也迅速增长。与生 活垃圾相比， 菜市场垃圾具有高含水率＞ 80 和 高生物降解性等特征， 其成分复杂。就农产品废弃物 而言， 不仅包括蔬菜的枯败叶， 还包括水产品的头、 内 脏等不可食用部分和变质水产品。而城市生活垃圾 中的有机成分正以每年 7 左右的比例递增 ［1 ］。此 外， 大型蔬菜批发市场所产生的菜市场垃圾具有实行 分类收集的可行性 ［2- 3 ］。近年来， 有机垃圾的厌氧消 化处理技术也越来越得到关注［4 ］。 鉴于菜市场垃圾的成分和性质， 厌氧消化处理在 理论上具有可行性 ［5 ］。厌氧方法处理菜市场垃圾， 首先要对其进行机械预处理， 使进料颗粒的粒径变 39 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 小， 总表面积提高， 这有助于后续生物反应的进行。 粉碎能显著提高沼气产量和有机物的降解率， 并缩短 消化反应的时间 ［6- 7 ］。更为重要的是粉碎使得原来不 均匀的固体废物混合均匀， 减少了消化反应器的体 积。对于预处理后菜市场垃圾的水解效果， 国内鲜有 报道。Chen 等 ［8 ］的研究证明， 甲烷化出水循环至水 解反应器不仅提高水解效率， 而且对发酵产物的组成 也产生了影响。但针对菜市场垃圾经预处理产生的 浆料减量化的中试规模的研究则鲜有报道。 本研究使用由机械生物反应器 以下简称 JSＲ 和转鼓格栅组合成的浆料处理系统， 设计每批次处理 能力为 1 t。本试验旨在探索预处理阶段产生浆料的 减量化效果， 并对出渣的性质进行探索。 1试验部分 1. 1试验材料 1. 1. 1浆料和接种污水 浆料是菜市场垃圾经预处理工艺后产生的有机 物料。在预处理工艺中， 塑料、 编织袋、 麻绳和木竹等 被分离出来， 得到了粒径在 5 mm 以下的浆料。该浆 料介于块状和浆糊状之间， 物料较均匀， 由于分选前 预处理包括脱水工艺， 浆料含水率相对较低， 具体指 标见表 1。 表 1浆料的基本性质 Table 1Characteristic of the fragmented food TS/VS/pHC/N热值/ kJ g－1 36. 4273. 314. 812. 512. 82 注 VS、 C/N 均以干基计;热值为浆料烘干后的测试值。 浆料的接种污水为厌氧出水 由常州某餐厨垃 圾中试工艺浆液处理阶段厌氧反应器出水和自来水 等体积混合而成 ， 其水质见表 2。 表 2接种污水的基本性质 Table 2Characteristic of inoculated sewage pH ρ COD / mg L－1 碱度 ρ CaCO3 / mg L－1 VFA / mg L－1 ρ NH3－N / mg L－1 ρ TN / mg L－1 温度/ ℃ 7. 762307 500995851 20035. 3 1. 1. 2试验装置 图 1 为本试验的工艺流程， 试验系统的主要装置 为 JSＲ、 格栅机、 出渣机。 JSＲ 是一台带有水平搅拌叶片的卧式装置。浆 料中的有机组分在机械搅拌和接种污水的淋洗及浸 泡作用下水解酸化并溶入淋滤液中。由于淋滤液中 含有较多有机碎屑及纤维等， SS 含量较高， 需要再次 图 1工艺流程 Fig．1Flow chart of the process 过滤。本试验在 JSＲ 后设置了一台格栅机， 经过 0. 5 mm间隙筛条的过滤， 筛上物被输送到出渣储存 罐中， 重新倒入 JSＲ 中继续反应， 而过滤后出水则进 入后续厌氧处理单元。 浆料通过提升装置进入 JSＲ， 水解酸化时间为 3 d， JSＲ 搅拌速度控制为 1 r/min。 由于夏季环境温度较高， 试验期间的反应温度为 30 ～35 ℃， 属中温反应。 1. 2试验设计 浆料进料量为670 kg， 通过提升装置倒入 JSＲ 中。 此时， 开启 JSＲ 并控制搅拌速度为设定值 1 r/min 。 通过水泵将接种厌氧水缓慢泵入 JSＲ 内的浆料表面 进行淋洗。郝丽萍 ［7 ］等针对蔬菜花卉类废物两相厌 氧消化过程中， 利用甲烷化出水循环至水解反应器以 调控厌氧水解过程， 加速了固相有机物的水解。本试 验中通过控制 JSＲ 进出水流量， 使 JSＲ 中浆料处于浸 泡状态， 物料和微生物接触时间较长， 有利于浆料的 水解酸化反应， 厌氧进水总量为 2. 01 m3。3 d 反应 期内， JSＲ 出渣不断被重新倒回 JSＲ 中。经过 3 d 的 反应后开启 JSＲ 出渣装置， 将反应残渣自动输送出来 进行称重预计量。 取样方式 反应期内， 用特制长把取样勺于每天 8 00、 16 00、 24 00 分别取 3 次格栅后的淋滤液出水 水样进行测定。测试指标包括 pH、 TS、 VS、 COD、 VFA、 NH3－N、 TN 和碱度。JSＲ 出渣当天取样， 测试 其 TS、 VS、 C/N 和热值。 2结果与讨论 2. 1淋滤液性质 淋滤液定义为有机浆料经淋洗、 浸泡、 搅拌作用 下在 JSＲ 内产生的液体。淋洗开始 1 h 时， 产生的淋 滤液就开始从排放口流出， 此时的淋滤液较黏稠。随 着反应过程的进行， 淋滤液的黏稠度不断降低。 49 环境工程 Environmental Engineering 2. 1. 1pH 控制 pH 可以提高水解酸化效率。在菜市场垃 圾两相厌氧消化过程中， 通常通过循环使用产甲烷过 程的出水到水解酸化反应器来提高水解酸化过程中 pH 缓冲能力。郝丽萍 ［9 ］的研究中也提到了这一点。 水解酸化阶段的 pH 主要取决于产甲烷相厌氧出水 中的碱度和 pH， 其变化情况见图 2。 图 2淋滤液 pH 的变化 Fig．2Variation of pH with time 尽管原料浆料在30 ～35 ℃下已经部分酸化， 但由 于接种所用厌氧出水 pH 为 7. 7， 碱度为 7 500 mg/L CaCO3 ， 缓冲能力较强。从图 2 可以看出 在淋滤 反应的前 2 d， pH 逐渐升高， 从第 3 天开始， pH 稳定 在 6. 0 ～6. 1。 2. 1. 2TS 和 VS 淋滤液的 TS 和 VS 的变化情况见图 3。试验前 半段在淋洗和浸泡作用下， 浆料内可溶物迅速融入淋 滤液中， 淋滤液较浓稠。从图 3 可以看出 淋滤液的 TS 在 0. 3 d 和 0. 6 d 时分别为 4. 57 和 3. 86。伴 随着进水的不断增加， TS 逐渐降低， 2 d 以后， TS 从 4. 57降低到 3. 10， 淋洗 3 d 后基本稳定在 2. 5 左右。 图 3淋滤液 TS 和 VS 的变化 Fig．3Variation of TS and VS with time 分析图 3 还可发现 随着反应的进行， 淋滤液中 有机物占干重的比例逐渐降低， 3 d 内 VS/TS 从 66. 59逐渐降至 59. 82。格栅后淋滤液取样表现 出的规律更能揭示 JSＲ 内部物料降解情况， 3 d 内 JSＲ 内物料易降解物料逐渐降低， 可以预测， 若继续 淋滤， VS/TS 仍会继续降低。 2. 1. 3COD 和 VFA 淋滤液中 COD 和 VFA 的变化情况见图 4。由图 4 可知 淋滤液的 COD 随着反应时间延长呈逐渐降 低的趋势。原因可能是浆料的物料颗粒较小， 且混合 较为均匀， 大部分有机物在不断的淋洗过程中较快地 被分离出来， 这一点从 TS 的变化规律也可以得到印 证。淋滤液 VFA 在试验开始为 4 368 mg/L， 浆料还 没有充分酸化， 随着反应时间的增加， 淋滤液的 VFA 逐渐升高， JSＲ 内物料酸化程度增强， 第 1. 8 天达到 12 500 mg/L， 第 3 天降低到 4 950 mg/L。原因在于 以下两个方面的综合作用 浆料在接种厌氧水的作用 下加速浆料水解酸化， 生成大量 VFA; 新鲜厌氧水不 断稀释淋滤液。2 d 前水解酸化作用大于 VFA 稀释 作用， 2 d 后则相反。 图 4淋滤液 VFA 和 COD 的变化 Fig．4Variation of VFA and COD with time 2. 1. 4NH3－N 和 TN TN 的变化规律与 TS 和 COD 类似， 见图 5。前 2 天可溶性的含氮有机物被大量淋洗出来， TN 最高可 达到2 100 mg/L， 随着反应的进行， 2 d 后浆料不断被 新鲜的厌氧出水淋洗和浸泡， 溶出物逐渐减少。最后 为 1 000 mg/L 左右， 偏低于厌氧出水的 1 200 mg/L。 图 5淋滤液 TN 和 NH 4－N 的变化 Fig．5Variation of TN and NH 4－N with time 59 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 氨的产生主要有以下几个来源 甲胺的甲烷化、 氨基酸和蛋白质的发酵、 其他含氮有机物的厌氧降 解等 ［10 ］。 厌氧出水中 NH 4 －N 为 585 mg/L， 而淋滤液在 0. 3 d 时测试数据为 660 mg/L， 这可能是由于浆料中 有机氮在厌氧出水淋洗条件下分解生成 NH 4 －N。随 着反应进行， 蛋白质等含氮有机物不断进行降解， 因 此 NH 4 －N 含量不断增加。当 NH 4 －N 产生量大于微 生物同化作用消耗量时， 淋滤液 NH 4 －N 增加 0.3 ～ 1.3 d ， 如果相反， 则 NH 4 －N 降低 1.3 ～3 d ， 总体上 NH 4 －N 变化不大。 2. 2JSＲ 出渣性质 JSＲ 出渣的基本性质见表 3。 表 3 JSＲ 出渣的基本性质 Table 3Characteristic of JSＲ dregs 项目TS/VS/C/N热值/ J g －1 数值31. 4964. 8613. 215 018 由于水解酸化作用， 浆料和 JSＲ 出渣中的 VS 分 别为 73. 31和 64. 86， 降低了 8. 45。由于淋洗 和浸泡作用， 出渣含水率比原始浆料高 4. 93。比 较表 1 和表 3 可以发现 出渣干基热值比浆料高 2 197 J/g， 这可能由于热值较高的纤维素含量明显增 加所致， 出渣干化后可以焚烧处置。 2. 3减量化分析 670 kg 浆料经过 3 d 的反应， 最后的出渣总质量 为 206 kg。经过淋洗和水解酸化后， 剩余固相物料的 脱水幅度比原始浆料有所提高， 所以， 通过比较原始 浆料和淋滤反应后残渣的干重损失可以计算出减量 化程度。另外， 表 4 也列出了湿重的减量率。建议在 今后的工程应用中考虑采用脱水设备提高剩余固相 物料的固含量以减少体积， 从而降低运输费用和后续 的处理难度。 表 4浆料减量率分析表 Table 4Analysis sheet of fragmented food weight loss ratio 物料名称 质量/ kg TS/ 干重/ kg 干重减 量率/ 湿重减 量率/ 浆料67036. 42244 JSＲ 出渣206 31. 4965 73. 469. 3 从表 4 可以看出 经过 3 d 的淋滤反应， 浆料中 易溶性有机物可以通过淋洗进入液相; 而通过浸泡过 程中微生物的作用， 可以将浆料中难溶性的有机物水 解出一部分， 减少了剩余固相物料中的有机物含量， 提高了减量化程度。干重减量率和湿重减量率分别 为 73. 4和 69. 3。同时发现， 浆料水解后的残渣 热值较高， 适于焚烧处置。 3结论 1 采用厌氧出水淋洗菜市场垃圾预处理得到的 浆料， 可以有效缓冲水解初期 pH 的剧烈变化， 避免 pH 过低对反应系统的破坏。随着厌氧水的不断淋 滤， pH 逐渐上升。 2 在 3 d 的淋洗和浸泡后， 浆料水解产生的淋滤 液中的 COD、 VS 和 TS 逐渐降低， VFA 先升高后降 低， 整个淋滤过程中， NH 4 －N 浓度基本上没有变化。 3 原始浆料通过 3 d 的淋洗及浸泡后减量化明 显， 干重的减量率达 73. 4。 4浆料水解后的残渣热值较高， 适于焚烧处置。 参考文献 ［1］孙英杰， 肖学斌， 巩新炜． 城市生活垃圾资源化技术探讨［J］． 青岛建筑工程学院学报， 2000， 21 1 57- 61. ［2］Gunaseelan V N．Anaerobic digestion of biomass for methane productiona review［J］． Biomass and Bioenergy， 1997， 13 1/2 83- 114． ［3］王远远． 蔬菜废弃物沼气发酵工艺条件及沼气发酵残余物综合 利用技术的研究［ D］ ． 上海 上海交通大学， 2008. ［4］蒋建国， 吴时要， 隋继超， 等． 易腐有机垃圾单级高固体厌氧消 化实验研究［ J］ ． 环境科学， 2008， 29 4 1104- 1108. ［5］青岛市菜市场垃圾的高温厌氧消化研究［J］ ． 环境污染与防 治， 2011， 33 11 39- 43. ［6］Zhang Ｒ H，Zhang Z Q． Biogasification of rice straw with an anaerobic- phased solids digester system［ J］ ． Bioresource Technology， 1999， 68 3 235- 245. ［7］Palmowski L M，Muller J J． Influence of the size reduction organic iste ontheiranaerobicdigestion ［J］ ．WaterScienceand Technology， 2000， 36 3 155- 162. ［8］Chen L， 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