廚余垃圾中溫干式厭氧發酵系統調試階段工況分析

李陽青，張云霞，于 淼，常寶軍，張 凱

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300000）

1 工程背景概述

根據GB/T 19095—2019 生活垃圾分類標志，本研究所指的廚余垃圾為家庭產生的廚余垃圾。隨著生活垃圾分類體系的完善，廚余垃圾單獨清運量逐年增加，大型廚余垃圾處理設施的建設節奏不斷加快［1］。由于垃圾分類收運體系實施時間較短，目前居民很難做到廚余垃圾完全正確投放，故廚余垃圾成分復雜、雜質多、地域性和季節性差異大、處理難度高。許偉等［2］研究了合肥市廚余垃圾成分，廚余垃圾中易腐類占56.7%、紙張占13.3%、塑料占9.2%，另外還有織物、木竹、玻璃、金屬、陶瓷等。萬鷹瑋等［3］研究了重慶市廚余垃圾成分，廚余垃圾中易腐類僅占40.9%。

厭氧消化、好氧堆肥等是常見的廚余垃圾處理技術［4］。其中厭氧發酵技術能更好地實現廚余垃圾的減量化、資源化和無害化。許多學者對廚余垃圾厭氧發酵系統的接種、調試、運行參數等進行了深入研究。劉曉蘭［5］研究了廚余垃圾干式中溫厭氧發酵的運行工況，發酵罐含固率維持在19.6%左右，系統能維持酸堿平衡狀態，產氣率為111.2～200.6 m3/t。王艷明等［6］研究了廚余垃圾干式厭氧發酵系統接種過程，大接種量、高接種比更有利于縮短系統啟動時間。劉杰等［7］研究了廚余垃圾濕式厭氧發酵穩定運行工況，含固率控制在8%～9%，厭氧發酵系統能夠穩定運行。廚余垃圾的糖分和淀粉含量高且易水解，單獨厭氧消化易發生酸化［8］，廚余垃圾與纖維素含量高的物料協同處理，可調節碳氮比（C/N）至合適范圍，進而提高系統穩定性［9］。初始pH 對廚余垃圾厭氧發酵產酸有明顯的影響，pH 隨著發酵過程先下降再升高，最后趨于穩定［10］。

本研究以重慶市某廚余垃圾處理項目為例，探討廚余垃圾中溫干式厭氧發酵系統調試階段的運行工況，供同類項目參考。

2 工藝流程與設計參數

2.1 項目概況

重慶市某廚余垃圾處理項目建設規模為200 t/d，項目所用廚余垃圾為家庭廚余垃圾經“破碎+篩分+磁選+風選+光電分選”等工藝處理獲得的有機易腐垃圾。家庭廚余垃圾成分如表1 所示。本項目采用中溫干式厭氧發酵工藝，設置兩臺奧地利TTV 隧道窯干式厭氧發酵罐，單臺尺寸為35.00 m×9.62 m×10.25 m，采用縱向單軸機械攪拌，設計參數如表2 所示。

表2 中溫干式厭氧發酵工藝設計參數Table 2 Design parameters of medium temperature dry anaerobic fermentation process

2.2 工藝流程

厭氧發酵系統由進料、厭氧發酵、脫水系統組成，工藝流程如圖1 所示。經預處理后的廚余垃圾首先進入進料系統，進行混合、均質處理后由柱塞泵注入干式厭氧發酵罐；罐內物料在縱向單軸機械攪拌作用下由進料端逐步移動到出料端，同時經發酵產生的沼氣進入沼氣凈化、利用系統；厭氧罐出料由柱塞泵注入脫水系統，脫水系統包括振動脫水、螺旋擠壓脫水及離心脫水；脫水后的沼液進入污水處理系統，沼渣外運。

2.3 調試流程

發酵系統的調試是使細菌從休眠狀態恢復、活化的過程，故干式厭氧發酵系統的調試應循序漸進，不能期望短時間內實現發酵系統穩定運行。受接種物、原料、溫度等影響，啟動調試到滿負荷產氣約需70～150 d。具體調試流程如下（以下數據均以單臺發酵罐為基準）。

1）準備階段：厭氧發酵罐內注入150 m3清水，然后開啟罐底加熱系統，對罐內清水加熱，每日升溫幅度控制在0.5 ℃，最多不能超過1 ℃，直至罐體溫度達到42 ℃。進料后罐體溫度波動幅度應控制在＜0.5 ℃范圍內，避免菌種在較大溫差時反應活性降低。

2）菌種培養階段：待罐體溫度維持在（42.0±0.5）℃時，方可逐步投加牛糞及沼渣，牛糞和沼渣由進料系統的柱塞泵泵入，直至液位達到1 200 m3。此時啟動厭氧發酵罐攪拌軸，開始對罐內物料攪拌。菌種培養階段需通過取樣口取樣，并對物料及沼氣進行理化分析，發酵罐前、后各設置1座取樣口。菌種培養階段一般持續21 d。

3）廚余垃圾進料階段：菌種培養后期沼氣中甲烷含量達到55% 以上，此時可逐步投加廚余垃圾，進料量如圖2 所示。由于酸化菌群的啟動速度高于產甲烷菌群，為防止揮發性脂肪酸的過度積累，進料初期含固率需控制在較低水平。

4）穩定產氣階段：當物料投加量達到設計能力的75% 以上時，隨著進料量的增加沼氣產量增加緩慢，此時物料的投加增速應更為緩和，若發現酸化趨勢應立即采取相應措施。文中采用的數據截止到進料量100 t/d（90 t 廚余垃圾+5 t 木屑+5 t 沼渣）并穩定運行9 d，之后會逐步減少沼渣、木屑的投加量，相應增加廚余垃圾投加量，使進料量始終維持在100 t/d。

3 測試指標與分析方法

3.1 分析方法

發酵罐持續進料后需通過取樣口取樣，對物料進行理化分析，主要指標分析方法如下：含固率采用烘干法測定，參考CJ/T 313—2009 生活垃圾采樣和分析方法；pH 采用pH 儀測定；揮發性脂肪酸采用氫氧化鈉滴定法測定；氨氮采用中和滴定法測定，參考HJ 537—2009 水質氨氮的測定蒸餾-中和滴定法；總堿度采用硫酸滴定法測定；沼氣濃度由現場沼氣分析儀測定，沼氣流量由現場超聲波流量計測定，溫度由現場溫度計測定。厭氧發酵罐的前、中、后部各設置了1 支長桿溫度計，溫度計受套管保護，保護套管深埋在發酵液中，文中采用的數據為中部溫度計的監測結果。主要理化指標檢測頻率及控制范圍見表3。

表3 主要理化指標檢測頻率及控制范圍Table 3 Detection frequency and control range of main physicochemical indicators

3.2 材料

厭氧發酵后的沼渣包括未分解的固態發酵物質以及微生物群體，是厭氧發酵系統接種的理想材料。本項目選用的菌種為餐廚垃圾高溫濕式厭氧發酵系統的離心脫水沼渣，并采用新鮮牛糞作為接種底物。由于廚余垃圾中含有少量骨頭、瓶蓋等密度大于水的重雜物，在調試初期發酵液黏稠度不足，重雜物易沉積到發酵罐底部、無法外排；故反應罐中需添加少量木屑提高發酵液的黏稠度使重雜物等不易沉積。當系統滿負荷運行時可逐步減少木屑的投加量。沼渣、新鮮牛糞、原木木屑的相關理化特性見表4。

表4 厭氧發酵接種底物及輔料理化特性Table 4 Physicochemical characteristics of substrates and excipients for anaerobic fermentation inoculation

4 運行效果分析

4.1 含固率及溫度控制情況

厭氧發酵罐內含固率及溫度隨調試運行時間的變化規律如圖3 所示。罐內溫度能整體上保持穩定，維持在42～44 ℃。在厭氧發酵微生物菌群的作用下，廚余垃圾投加進入厭氧發酵罐后快速消耗轉換成甲烷、二氧化碳等排出系統。隨著每日廚余垃圾的補充以及罐內厭氧發酵的消耗，含固率處于動態平衡狀態。隨著進料量的增加，發酵罐內含固率呈現逐漸升高的趨勢，并且前端含固率的升高速率明顯大于后端。滿負荷進料時，前端含固率維持在20%～25%，后端含固率維持在16%～20%。從物料流向分析，發酵罐前、后端含固率差值約為4%～5%，說明厭氧發酵系統處理廚余垃圾具有明顯的減量效果。

圖3 厭氧反應罐含固率及溫度變化情況Figure 3 TS and temperature changes of anaerobic reaction tank

4.2 沼氣產量和甲烷含量的變化

沼氣產量及沼氣中甲烷含量隨調試運行時間的變化規律如圖4 所示。厭氧發酵罐啟動初期，即菌種培養階段，甲烷含量隨底料及菌種數量的投加迅速提高，2 周內可上升至60%；甲烷含量達到60% 左右并穩定維持數日后，開始投加廚余垃圾，廚余垃圾進料量根據系統運行情況緩步提升。整體上講，沼氣中甲烷含量能保持穩定，在55%～65% 范圍內小幅波動。進料量達到設計能力的75%左右時厭氧發酵系統的噸產氣量達到最大值，約180 m3/t；之后隨進料量的增加噸產氣量呈現先降低后升高的趨勢，最終穩定在140 m3/t 左右。

圖4 甲烷含量和沼氣噸產氣量變化趨勢Figure 4 Change trends on methane concentration and biogas production per ton

4.3 厭氧發酵系統的酸堿平衡

總堿度和揮發性脂肪酸隨調試運行時間的變化規律如圖5 所示。菌種培養階段第10 天啟動厭氧發酵罐攪拌軸，開始對罐內物料攪拌，并對物料及沼氣進行理化分析，此時揮發性脂肪酸能達到10 000 mg/L，總堿度也在10 000 mg/L 左右。隨著產甲烷菌的種群數量不斷提高，揮發性脂肪酸濃度不斷降低并最終穩定在2 500～3 000 mg/L。進料量低于設計能力的75% 時，總堿度隨物料投加量的增加不斷升高，最高可達14 000 mg/L；之后總堿度先快速下降再逐漸升高，最終穩定在12 000～14 000 mg/L。同時，發酵罐內部隨著物料向后端移動，總堿度呈現逐漸升高的趨勢，揮發性脂肪酸呈現逐漸降低的趨勢。

圖5 總堿度和揮發性脂肪酸變化趨勢Figure 5 Change trends on total alkalinity and volatile fatty acids

氨氮、pH 隨調試運行時間的變化見圖6。進料量低于設計能力的75% 時，氨氮濃度隨物料投加量的增加不斷升高，最高可達3 000 mg/L；之后氨氮先快速下降再逐漸升高，最終穩定在2 500 mg/L 左右。pH 隨物料投加量的增加不斷升高，最終維持在8.0～8.2。發酵罐內部隨物料向后端移動，pH 呈現逐漸升高的趨勢，氨氮無明顯變化趨勢。

4.4 脫水效果

本項目采用的三級脫水系統由振動脫水機、螺旋擠壓脫水機、離心脫水機構成，調試期間對螺旋擠壓脫水機沼渣含固率，離心脫水機沼渣、沼液含固率進行取樣分析，其脫水效果如圖7 所示。結果表明，本項目采用的三級脫水系統性能穩定、脫水效果良好。其中，離心脫水機沼液含固率為0.45%～1.00%，螺旋擠壓脫水機沼渣含固率為31.07%～53.89%，離心脫水機沼渣含固率為34.91%～44.40%。三級脫水系統能有效降低沼液中的固體含量，為沼液生化處理提供了有利條件。

5 存在問題與展望

干式厭氧發酵技術發酵罐內平均含固率一般控制在20% 以上，含水量少，故設備單位容積產氣量大，沼液產生量少，投資、運行費用低。但由于生活垃圾源頭分類不理想，廚余垃圾中可能混入磚頭、瓦塊、包裝袋、衣物等，易造成螺旋輸送機、閥門、彎頭、變徑等部位堵塞，導致項目的設備維護壓力較大，影響系統的持續穩定運行。故建議相關政府部門加大生活垃圾分類體系的建設投入，完善相關法律體系，逐步建立前端分類、中端收運和末端處置的完整閉環系統，從而促進末端廚余垃圾處理設施穩健發展。

6 結論

1）廚余垃圾中溫干式厭氧啟動過程表明，以餐廚垃圾高溫濕式厭氧發酵沼渣作為接種物、以牛糞作為接種底物啟動厭氧發酵時，經過2 周左右沼氣中甲烷含量即可達到55%以上。

2）干式厭氧發酵系統pH 維持在8.0～8.2，堿度維持在12 000～14 000 mg/L，揮發性脂肪酸維持在2 500～3 000 mg/L，氨氮維持在2 500 mg/L 左右，可穩定運行。

3）發酵罐內部隨著物料向后端移動，含固率、揮發性脂肪酸逐漸降低，總堿度、pH 逐漸升高，氨氮無明顯變化趨勢。

4）系統穩定運行后，厭氧發酵罐單位進料量的產氣量在140 m3/t 左右，甲烷含量維持在55%～65%。

5）厭氧發酵罐出料經三級脫水后沼渣含固率能達到30% 以上，沼液含固率達到1% 以下，脫水效果好。