有機負荷對餐廚垃圾厭氧消化性能影響及動力學分析

趙婉情, 陽 紅, 劉海鑫, 黃 飚, 孫春江, 易衛華, 劉 軍

(中船重工環境工程有限公司, 湖北 武漢 430000)

在碳減排、碳中和的背景下,固體廢物的減量化、資源化和無害化已成為未來垃圾處理的首要原則。我國生活垃圾清運量逐年增加,2020年增至2.35億噸[1],其中餐廚垃圾占比達50%甚至更高[2-3]。若不對餐廚垃圾進行妥善處理,會造成資源浪費甚至是污染周圍環境。與堆肥等工藝相比,厭氧消化具有適應性強、對環境的影響較小、處理基質范圍廣等優勢[4],生產的沼渣可用作生物肥料且具有高能量回收潛力,是處理餐廚垃圾重要途徑之一。

餐廚垃圾與污泥和動物糞便的共消化已成為普遍方式,但單獨處理餐廚垃圾往往是比較困難的[5],主要原因是餐廚垃圾中含有的高蛋白導致氨抑制,進而導致揮發性脂肪酸(VFA)的積累影響反應[6]。為了實現厭氧消化穩定運行,有機負荷通常較低,Banks[7]等研究的最適負荷為2.25 kgVS·m-3d-1,曹秀芹[8]等研究餐廚垃圾濕式厭氧消化最佳有機負荷為2.94 kgVS·m-3d-1。因此,需調控系統參數,在系統穩定運行的前提下提高最佳有機負荷。

本研究在混合式厭氧消化反應器(CSTR)中進行有機負荷的梯度實驗,通過分析反應器日產氣量、噸VS產氣量、VFA、堿度等性能參數,探討不同負荷對消化系統運行的影響并確定最佳有機負荷;開展批次生化產甲烷潛力(BMP)試驗研究不同負荷的產甲烷動力學特性,以期能促進中小型餐廚垃圾厭氧消化工程的快速推廣。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾取自食堂餐廳,進行人工篩選,手工分揀出骨頭、魚刺,放入粉碎機粉碎,調整含固率至18%左右。粉碎后的餐廚垃圾密封保存于4℃條件下。使用時,提前從冰箱中取出,放置室溫下自然解凍。消化液取自余江鷹潭餐廚垃圾處理廠的餐廚垃圾消化液,基本性質為VFA濃度為800 mg·L-1,pH值為7.8。

1.2 試驗裝置

本試驗裝置如圖1所示,裝置為容積50 L的CSTR,其中有效厭氧消化容積為40 L,高徑比為1∶1,材質為有機玻璃。裝置外側設有水浴層夾層,通過與水浴鍋連接,控制消化溫度38 ℃左右,內部設置潛水攪拌器。由于餐廚垃圾漿料比較粘稠,采用進料筒進行定量進料,同時設置電動推桿,實現自動定時定量進料。

圖1 反應器裝置和進料裝置圖

1.3 試驗方法

本試驗厭氧反應器持續運行145 d,運行階段期間有機負荷從0.72 kgVS·m-3d-1逐步提高至3.86 kgVS·m-3d-1,其負荷提高過程為0.72、0.88、1.32、1.83、2.67、3.15、3.39、3.86 kgVS·m-3d-1,各負荷運行時間不等。期間檢測消化液pH值、總堿度(以CaCO3計)、氨氮、VFA,并通過流量計和沼氣分析儀監測沼氣產量和沼氣成分,所有指標都實時匯總到高效厭氧消化工藝失穩預警和穩定調節系統內。

1.4 分析方法

試驗過程涉及到的檢測項目與分析方法見表1。

表1 檢測項目與分析方法

1.5 厭氧消化產甲烷動力學特性研究

本試驗使用Modified Gompertz(MG)產甲烷模型探究厭氧消化過程中有機物降解和產甲烷機制。模型的方程式如公式(1)所示,不同有機負荷的最大產甲烷潛力、最大產甲烷日產量和遲滯期等三項動力學參數可以通過生化產甲烷潛力(BMP)實驗數據結合origin軟件擬合計算出來。

式中:p為累計甲烷產量,mL·g-1VS;Pmax為最大產甲烷潛力,mL·g-1VS;Rmax為最大甲烷日產量,mL·g-1VSd-1;λ為產甲烷遲滯期,d;t為發酵時間,d;e為歐拉常數,2.718。

研究1、2、3、4、5 kgVS·m-3d-1負荷下餐廚垃圾厭氧消化產甲烷動力學特性。BMP實驗是指通過測試獲取單位原料在特定的厭氧消化條件下最大可能產生的甲烷產量。BMP厭氧消化裝置由厭氧消化瓶、NaOH溶液瓶和量筒組成,將400 mL消化液裝入500 mL的厭氧消化瓶和不同量原料后充分搖勻,用氮氣吹掃5 min置換頂部空氣,隨即密封后浸置于數顯恒溫水浴鍋中進行中溫(36±1)℃批式厭氧消化。甲烷氣體的收集采用NaOH溶液(濃度5%)排水集氣法,保證厭氧消化過程中產生的CO2、H2S 等酸性氣體能被NaOH溶液吸收,排出的NaOH溶液體積即產甲烷量。在BMP 實驗只檢測甲烷產量以及厭氧消化反應前后的樣品的理化性質,如pH值、VFA、氨氮、堿度等理化指標。

2 結果與討論

2.1 產氣量變化與分析

日產氣量和甲烷含量隨時間和有機負荷變化如圖2所示。在整個厭氧消化期間,兩者均波動變化,變化趨勢為隨有機負荷的提高日產氣量波動上升,而甲烷含量隨有機負荷的提高波動下降。有機負荷從0.72 kgVS·m-3d-1升至1.83 kgVS·m-3d-1階段日產氣量變化較大,從6.18 L升至70 L左右;而有機負荷從3.15升至3.86 kgVS·m-3d-1運行階段日產氣量變化較小,在80～110 L波動變化,第121天日產氣量達到峰值120.86 L。

圖2 不同有機負荷下日產氣量和甲烷含量變化圖

甲烷含量除去第1天68.6%外,其余均在53%～63%內小幅度變化。甲烷含量隨有機負荷每一階段的提高而小幅度下降,但會出現突然上升5%左右的情況,例如第47天、99天、127天甲烷含量增加,同時日產氣量下降,可能是由于周末期間進料略微減少導致的。有機負荷從0.72升至1.83 kgVS·m-3d-1階段的平均甲烷含量比3.15升至3.86 kgVS·m-3d-1階段的高4%,2.67 kgVS·m-3d-1階段的平均甲烷含量與整個厭氧消化運行的持平?？赡苁菂捬跸挟a酸菌和產甲烷菌維持平衡時系統運行良好,而繼續提高負荷時,水解酸化階段快而產甲烷階段慢,兩類菌群平衡被打破,造成二氧化碳含量升高而甲烷含量降低。

2.2 容積產氣率與噸VS產氣量變化與分析

噸VS產氣量和容積產氣率隨時間和有機負荷變化如圖3所示。有機負荷從0.72升至1.83 kgVS·m-3d-1階段噸VS產氣量和容積產氣率均隨著負荷的提高而波動上升,負荷提高至2.67 kgVS·m-3d-1后,容積產氣率總體仍波動上升,但噸VS產氣量波動下降。因為噸VS產氣量不僅與產氣量有關,也與進料量有關,當負荷從1.83升至2.67 kgVS·m-3d-1時進料量從400 g增加至600 g,提高了50%,但平均產氣量從59 L提高至69 L左右,僅提高了17%。因此噸VS產氣量隨有機負荷的提高而降低。

圖3 不同有機負荷下噸VS產氣量和容積產氣率變化圖

噸VS產氣量在負荷0.72 kgVS·m-3d-1升至1.83 kgVS·m-3d-1階段在800 m3·t-1VS上下波動,2.67升至3.86 kgVS·m-3d-1階段在650 m3·t-1VS上下波動。容積產氣率在負荷0.72升至0.88 kgVS·m-3d-1階段低于1 L·L-1,在負荷1.32升至2.67 kgVS·m-3d-1階段處于1～2 L·L-1,與郭曉慧[9]等反應器在負荷2.5 kgVS·m-3d-1下容積甲烷產率為1.0 L·L-1的研究結果相似;在負荷升至3.15 kgVS·m-3d-1后的階段處于2～2.5 L·L-1,這比史緒川[10]等在負荷3.7 kgVS·m-3d-1時最高容積產氣率3.51 L·L-1的研究結果低,可能是后期反應器出現VFA積累,系統變得不太穩定,產氣并沒隨著負荷增加而增多。

2.3 VFA和堿度變化與分析

VFA是厭氧消化過程生成甲烷的中間產物,它們的積累是對整個系統性能有顯著影響的參數之一[11]。VFA和堿度隨時間和有機負荷變化如圖4所示,兩者變化趨勢相反,VFA隨負荷的提高波動上升,堿度隨負荷的提高波動下降,且VFA上升幅度比堿度下降幅度大。VFA在負荷0.72升至1.32 kgVS·m-3d-1階段低于1000 mg·L-1,在負荷1.83升至3.15 kgVS·m-3d-1階段處于1000～2000 mg·L-1,在負荷3.39 kgVS·m-3d-1后的階段逐漸升至4000 mg·L-1。堿度在13000～15000 mg·L-1波動,負荷2.67 kgVS·m-3d-1前在14500 mg·L-1上下波動,而負荷升至2.67 kgVS·m-3d-1后的階段堿度明顯下降,降至13500 mg·L-1左右。

圖4 不同有機負荷下VFA和堿度變化圖

當進料負荷超過3.15 kgVS·m-3d-1之后,堿度隨之出現較大波動下降的變化,系統內堿度的緩沖作用下降,導致系統消化運行不穩定,VFA持續上升。LI[12]等認為VFA小于3000 mg·L-1且酸堿比在0.10～0.35范圍內時系統運行穩定。在負荷3.15 kgVS·m-3d-1階段,系統內VFA在2000 mg·L-1左右波動,酸堿比在0.1～0.15,說明此負荷是最佳運行負荷。

2.4 不同負荷單位累積甲烷產量的動力學分析

將各負荷累計產甲烷曲線采用 Origin 2019進行非線性曲線擬合,擬合結果如圖5,所得參數見表2,其中系列1、2、3、4、5代表負荷1、2、3、4、5 kgVS·m-3d-1。由圖5可知,5個負荷下厭氧消化SMP 累積產量隨著負荷的升高而提高并且未出現酸化抑制現象,有機負荷從1 kgVS·m-3d-1增加至5 kgVS·m-3d-1時,最大產甲烷量升高59.87%。反應初期不同負荷的甲烷產量累積量相對較小且差距不大,在第6天后產甲烷量開始有較大的區別,反應第15天后產甲烷能力均下降,日產甲烷量下降?？衫^續增加有機負荷研究厭氧消化系統不致酸化的最優有機負荷。

圖5 不同有機負荷下產甲烷數據及GM模型擬合效果

表2 不同有機負荷下擬合參數

由表2可知修正后的R2均大于0.994,說明MG模型可以很好描述不同負荷下餐廚垃圾厭氧消化產甲烷過程。表2可知隨負荷的增加,最大產甲烷量和最高產甲烷率均增加,與周慧敏[13]等最高產甲烷率先減少后增加的結論不同,可能是因為周慧敏等的研究所選定的負荷較大,最低負荷達到8.93 kgVS·m-3d-1,本試驗中選取的5個負荷均小于其研究的最低值;而與Dinh[14]等的結論相同,可能是因為Dinh等的研究負荷與本試驗均較小,說明不同的負荷范圍下系統的動力學參數變化規律不同。5個負荷均存在不同程度的延滯期,負荷為5 kgVS·m-3d-1延滯期最高,為2.3天。

3 結論

(1)50 L厭氧消化系統的進料負荷逐步增加至3.86 kgVS·m-3d-1仍運行正常,日產氣量、容積產氣率和VFA隨著負荷的增加而波動上升,其中容積產氣率最后在2.5 L·L-1左右波動,VFA升至4000 mg·L-1;而噸VS產氣量和堿度下降,其中噸VS產氣量從運行開始的1000降至650 m3·t-1VS。

(2)通過實驗數據分析發現,當有機負荷為 3.15 kgVS·m-3d-1時,餐廚垃圾厭氧消化系統中運行效果最佳,VFA在2000 mg·L-1左右波動,酸堿比在0.1～0.15,日產氣量在80～100 L,容積產氣率在2～2.25 L·L-1,系統達到最優運行狀態。

(3)開展有機負荷1、2、3、4、5 kgVS·m-3d-1的BMP試驗,MG模型適合描述廚垃圾厭氧消化過程,每個負荷均存在延滯期,且最大產甲烷量和最高產甲烷率均隨著負荷的增加而提高。