餐廚廢水和固渣厭氧發酵試驗研究

譚業琴

（甘肅馳奈生物能源系統有限公司，蘭州 730000）

我國餐廚垃圾含水率高，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題浮現，成為餐廚垃圾處理工藝的技術瓶頸。餐廚廢水屬于高濃度有機廢水，COD保持在80 000～120 000 mg/L，含固率和含油量非常高，目前，國內餐廚垃圾處理企業大多采用中溫厭氧發酵工藝，處理效果不太理想，產沼氣性能也不穩定[1]。餐廚垃圾處理行業還未頒布廢水排放標準，但隨著環保要求的提高，餐廚廢水的排放標準將日益嚴格。對于餐廚垃圾固液分離的殘渣，其含水率依然偏高，一般為60%～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行處理，但堆肥周期長、占地面積大、易散發惡臭，所以餐廚廢水和固渣的處理成為大多數餐廚垃圾處理廠的棘手問題[2]。本文通過3 組小試，重點探究接種物、含固率對餐廚廢水和固渣厭氧發酵的影響，旨在為整個餐廚垃圾處理行業的發展提供一定理論支持，為工程運行積累一些可借鑒的經驗。

1 中溫厭氧發酵的理論基礎

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

2 試驗方案

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

1#發酵罐采用餐廚漿液濕式動態厭氧發酵，含固率為8%～10%，接種厭氧污泥。2#發酵罐采用餐廚漿液濕式動態厭氧發酵，含固率為8%～10%，接種牛糞。3#發酵罐采用餐廚垃圾離心機分離后的殘渣進行干式靜態厭氧發酵，含固率為17.48%，接種厭氧污泥。

2.1 試驗目的

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

2.2 含固率的確定

為了便于工程實際推廣應用，處理工序不宜過于煩瑣，本試驗采用臥螺離心機分離的餐廚廢水進行厭氧消化，相比現有的利用廢水發酵產沼氣工藝，含固率有了較大的提高，但1#發酵罐、2#發酵罐仍控制在濕式發酵的范疇，以便對發酵物料進行機械攪拌，保證獲得較高的產氣量[2]，又不會因過高的有機負荷率破壞系統的消化穩定性和沼液回流效果，本試驗1#發酵罐、2#發酵罐含固率均為8%～10%，3#發酵罐含固率為20%左右。

2.3 接種物及接種比例的確定

試驗所采用的接種物為厭氧污泥和牛糞。有研究認為，添加接種物有助于緩解揮發酸的積累，并加速試驗的啟動，提高產氣量。接種比例一般為20%～30%（質量分數，以含固率計，下同）[4-5]，本試驗選擇的接種比例為20%～25%。

2.4 主要指標測定周期的確定

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

3 試驗裝置與材料

3.1 試驗裝置

試驗裝置主要由3 個立式發酵反應器、3 個排水集氣桶、3 套沼液收集回流裝置構成，立式發酵反應器配有溫控系統和攪拌系統。發酵反應器為鐵制反應器，容積約為0.2 m3，反應器內外層之間填充加熱線、保溫層和溫度探頭進行加熱保溫和溫度控制。1#發酵罐和2#發酵罐設置立式攪拌機，促進反應器內物料溫度的穩定，加速發酵試驗啟動。

3.2 試驗材料

一是餐廚垃圾漿液。其主要成分是臥螺離心機分離后的餐廚廢水和殘渣，餐廚廢水的含固率為11.1%，殘渣含固率為25%。二是接種物。一種接種物為取自升流式厭氧污泥床（UASB）發酵罐的絮狀厭氧污泥，含水率約為94%，另一種接種物為養殖場的牛糞，含水率約為93%。三是調節藥劑。其包括備用葡萄糖粉末、FeCl3粉末和片堿。進料記錄如表1所示。進料包括餐廚廢水（或固渣）、厭氧污泥和牛糞。

表1 發酵罐進料記錄

4 結果分析

下面從3 個方面分析餐廚廢水和固渣厭氧消化試驗結果。一是厭氧消化過程中沼液各指標的變化情況，二是厭氧消化每日產氣量，三是沼氣的組分變化情況。

4.1 厭氧消化過程中沼液各指標的變化情況

4.1.1 沼液pH 的變化情況

1#發酵罐和2#發酵罐進料的pH分別為3.6和3.5，從圖1 可看出，發酵初始6 d，pH 呈逐漸上升趨勢，但上升至5.6 左右，出現停滯現象，為緩解酸抑制，第6 天往1#發酵罐和2#發酵罐分別添加15 g NaOH調節pH，添加方法為先放出部分沼液，加入NaOH 完全溶解后，再將其加入發酵罐內，然后開啟攪拌使罐內物料混合均勻。在第7天，2 個發酵罐pH 分別上升至6.37 和5.89，調節作用不太明顯，故選擇在第8天，往1#發酵罐和2#發酵罐分別添加400 g NaOH 進一步調節pH，2 個發酵罐pH 分別上升至8.22 和7.25，但第10天，發酵罐pH 分別回落至6.01 和6.14，隨后1#發酵罐pH 逐漸上升，成功度過產酸階段，而2#發酵罐pH 一直處于5.5～6.1，一直未實現正常產沼氣，發酵至35 d 左右，pH 均出現回落。隨后，1#發酵罐pH 回歸正常水平，且能穩定在7.0 左右，而2#發酵罐pH 一直處于7.0 以下，未能正常進入產甲烷階段。

圖1 1#發酵罐與2#發酵罐沼液的pH 變化趨勢

4.1.2 沼液COD 的變化情況

厭氧消化過程中，每個發酵罐沼液的COD 變化情況如圖2 所示。從圖2 可以看出，隨著發酵的進行，1#發酵罐和2#發酵罐沼液中的COD 都呈現下降趨勢，因為水解產酸菌和產甲烷過程的進行，有機物被大幅度降解，1#發酵罐順利度過了產酸階段，所以COD 下降得更快，最后出水COD 穩定在10 000～20 000 mg/L，而2#發酵罐因停滯在產酸階段，COD 降解幅度較小，由此可知，酸抑制對有機物降解過程有較大的影響。

圖2 1#發酵罐和2#發酵罐沼液中的COD 變化趨勢

4.1.3 沼液VFA 的變化情況

從圖3 可以看出，隨著發酵的進行，1#發酵罐和2#發酵罐沼液中的VFA 從開始階段的2 000～3 000 mg/L 逐漸上升，這是因為在水解酸化階段，餐廚廢水中的蛋白質、脂類等長鏈大分子有機物分解產生大量的VFA，在發酵進行15 d 以后，2 個罐中的VFA 均出現下降趨勢，標志著發酵罐已順利進入產甲烷階段，VFA 已被產甲烷菌用來產甲烷。

圖3 1#發酵罐和2#發酵罐沼液中的VFA 變化趨勢

4.2 厭氧消化每日產氣量

因為2#發酵罐出現酸抑制現象，未能實現正常產氣，所以主要對1#發酵罐和3#發酵罐的產氣情況進行分析，如圖4 所示。從圖4 可得，1#發酵罐和3#發酵罐在發酵初始，產氣量較小，隨著水解酸化的進行，系統產生大量的H2和CO2，而后進入產甲烷階段，產氣量總體呈現上升趨勢，但3#發酵罐產氣量高于1#發酵罐，這是由于3#發酵罐含固率較高，有機物濃度高。發酵至25 d 和42 d 左右，3#發酵罐均出現產氣高峰，原因是3#發酵罐添加了葡萄糖粉末和FeCl3，葡萄糖為厭氧菌提供了營養物質，而FeCl3為菌類生長補充了營養元素。

圖4 1#發酵罐和3#發酵罐的產氣量變化趨勢

4.3 沼氣的組分變化情況

從圖5 可知，1#發酵罐和3#發酵罐沼氣中的CH4在發酵初始，含量較低，這是因為前期為水解酸化階段，產生大量的H2和CO2，隨著產甲烷過程的進行，CH4含量逐漸升高，但3#發酵罐始終高于1#發酵罐，發酵至25 d 和42 d 左右，CH4含量明顯升高，這是由于3#發酵罐含固率較高，且添加葡萄糖粉末和FeCl3，為產甲烷菌提供豐富的營養物質。隨著發酵的進行，3#發酵罐甲烷含量漸漸趨于穩定，最后穩定在50%～65%。

圖5 1#發酵罐和3#發酵罐的沼氣組分變化趨勢

5 結論

2 個多月的試驗表明，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，不宜單獨采用牛糞。在接種厭氧污泥的基礎上進行試驗，結果發現，相比餐廚廢水濕法厭氧發酵，固渣干法厭氧發酵啟動較快，產沼氣量較大，且沼氣中甲烷含量較高。厭氧發酵期間，適當添加FeCl3和葡萄糖，有助于產氣量的增加，且沼氣中甲烷含量也有一定升高。雖然固渣干法厭氧發酵的產沼氣量較大，但是考慮實際進出料的方便，含固率不宜太高，建議控制在30%以下，實際工程運行中，進出料困難是目前固渣干法厭氧發酵需要解決的主要問題。