不同運行工藝下大型生物水解反應器處理廚余垃圾試驗研究＊

趙 磊，李 科，王亞東，吳 元，邵 軍，王立倫

（維爾利環?？萍技瘓F股份有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引言

廚余垃圾一般指居民日常生活中產生的垃圾，包括剩菜、剩飯、菜葉、碎骨、果殼瓜皮等易腐有機垃圾［1］。隨著垃圾分類的逐步推廣實施，廚余垃圾已逐步實現與生活垃圾分離處理，廚余垃圾在生活垃圾中占比高達50%～65%［2］。目前常用的廚余垃圾處理技術有：①衛生填埋［3］，其優點是處理成本低、技術簡單、對垃圾分類要求不高，缺點是二次污染嚴重、占地面積大；②粉碎直排［4］，其優點是價格便宜、使用方便，缺點是增加城市污水處理負荷；③焚燒發電［5］，該方式處理量大，對垃圾分類要求不高，可發電、供熱，缺點是添加輔料增加成本，易造成大氣污染；④好氧堆肥［6］，該技術簡單，產品可用作肥料，但占地大、臭氣控制難度大、周期長、產品出路受限；⑤飼料化［7］，該技術產品可用作畜禽飼料，營養價值高，但原料及操作要求高，具有同源性，產品出路受限；⑥厭氧消化［8］，產品多樣化、自動化程度高、具有較高經濟價值、可產出沼氣和肥料等，但處理周期長、技術較復雜；⑦碳源替代利用，既處理了生活垃圾，又降低了污水處理成本［9］。綜上所述，厭氧消化和碳源替代利用是目前廚余垃圾資源化利用的較佳選擇，而對廚余垃圾進行預處理，可提升其資源化利用率。生物水解反應器作為該工藝路線的關鍵技術節點之一，可以將廚余垃圾高效轉化為富含脂肪酸、可生化性極佳的酸化水解液，對廚余垃圾減量化以及后續資源化利用起著至關重要的作用。

傳統生物水解反應器采用淋洗工藝運行，即將厭氧水（或厭氧水與水解液混合物）按質量比（水∶物料）1∶1～2∶1 噴淋于反應器內物料中。趙磊等［10］添加進料量7%～8% 的厭氧水作為淋洗液，開展中試研究（垃圾量1 t），停留時間2 d，廚余垃圾減量化率可達64%，COD 轉化總量達到247 kg/t 以上。李英等［11］以厭氧出水和水解液按4∶1混合成淋洗液進行生物淋洗（垃圾量5 t），控制淋洗液與廚余垃圾質量比2∶1，出水COD 為75 105 mg/L、揮發性脂肪酸（VFA）濃度為19 815 mg/L。王風慶等［12］將厭氧出水與餐廚漿液混合作為淋洗液（垃圾量2 t），較直接將厭氧出水作為淋洗液，處理效果更顯著，出水COD 提高14%，VFA 提高13%。彭明國等［13］采用機械淋濾工藝對有機生活垃圾進行中試研究，當淋洗水量為3 m3/d 時（垃圾量4 t），出水COD、VFA 濃度分別為41 000 mg/L和2 000 mg/L。錢超等［14］以厭氧水與生活垃圾質量比為2∶1 添加淋洗液（垃圾量2 t），反應溫度35 ℃時，垃圾濕質量減量率為51.40%、TS 減量率為27.10%、VS 減量率為30.65%。屈陽等［15］以淋洗液與生活垃圾質量比2∶1（垃圾量2 t）、停留時間1.2～1.4 d 為反應條件，獲得的生活垃圾減量率為49.7%，出水COD 可達32 939 mg/L。

針對碳源替代利用，姚鳳根等［16］將廚余垃圾產生的酸化液投加到MBR 中處理垃圾滲濾液，大幅提高了TN 的去除率；張莉等［17］將廚余垃圾添加到城市污泥后，VFA 累積量可達17.62 g/L；孟冰茹等［18］將廚余厭氧發酵液作為碳源加入到校園生活污水處理系統中，TN 的出水濃度降低59.35%，TP 的出水濃度降低50%。針對水解酸化反應條件，學者們也進行了一系列研究。He 等［19］的研究表明，水解速率與溫度的升高成正比，35 ℃下的水解和酸化產物主要是乙醇和乙酸。Li等［20］研究了熱預處理（55～160 ℃）對廚余垃圾酸化的影響，熱預處理促進了厭氧降解和沼氣產生，將厭氧酸化所需的停留時間縮短了5 d，在90 ℃和120 ℃下沼氣產量和有機物去除效果最佳。呂凡等［21］的研究表明，前5 d 蔬菜類廢物易水解的顆粒物迅速水解，第5 天后，難水解顆粒物質緩慢水解。

在“雙碳戰略”背景及需求下，如何高效資源化利用產生量巨大的廚余垃圾是我們將面臨的重大考驗，傳統破碎、填埋、焚燒處理技術已不再適應發展需要，以厭氧消化、碳源替代利用等技術為代表的高效資源化回收利用技術必將成為主流。而水解酸化技術又是制約其資源化利用效率的重要條件，因此如何提升廚余垃圾水解酸化效果將是相關企業和學者研究的熱點。

基于“破袋篩分（預處理）+生物水解+濕法厭氧消化”處理工藝路線，本研究的高值化利用工藝流程如圖1 所示。成分復雜的廚余垃圾通過預處理實現高、低熱值組分的有效分離，有機液體通過厭氧消化產沼，沼氣可作為清潔能源用于發電，固相物料可替代部分煤燃料能源利用，實現減量化和資源化。本項目廚余垃圾來料中，料倉瀝水占比15%～18%，篩上物和篩下物分別占比25%～30%和55%～60%；生物水解后固相（擠壓固渣）占比40%～50%，液相（水解液和擠壓水）占比50%～60%。

圖1 廚余垃圾高值化利用工藝流程示意Figure 1 Schematic of high-value utilization process of kitchen waste

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料來自浙江某地級市集中收運處置的廚余垃圾，垃圾經破袋滾筒篩（篩網孔徑120 mm）分離大塑料等雜質（篩上物）后得到篩下物，篩下物再經磁選機除去易拉罐等金屬，剩余物作為原料（含水率70%～80%）進入生物水解反應器中，其主要成分及占比如表1 所示。其中易降解有機質（剩余有機質、水果蔬菜及其皮殼）合計占比79.37%，塑料、織物合計占比6.12%，玻璃、陶瓷、石頭、金屬、橡膠等雜質合計占比1.03%。

表1 試驗原料組成及占比Table 1 Composition and proportion of experimental materials

1.2 試驗裝置和方法

1）生物水解反應器淋濾工藝原理：進料后，按一定比例加入淋洗液，物料在中間軸作用下緩慢機械攪拌、混合，發生水力淋洗和生化反應，持續水解、酸化；淋洗液中微生物可促進大分子有機物向小分子有機物、胞內水向游離水的轉化，加速物料間傳質、水解酸化；高濃度的有機漿液經反應器地板格柵過濾進入底部輸送螺旋。該工藝噴淋大量淋洗液（物料∶淋洗液=1∶1～1∶2），能耗較高，且反應器設置有瀝水地板及集液漏斗，反應器體積較大，整體建造、運行、維護成本較高。而采用非淋濾工藝，可以優化反應器設計、減小反應器體積、縮小占地面積，節省建造運行成本。

2）試驗裝置與周期：以大型廚余垃圾生產線作為試驗平臺，該生產線處理能力可達200 t/d，配置有兩臺處理能力為100 t/d 的生物水解反應器，反應器有效容積540 m3，反應器內部如圖2 所示。其中1 臺帶有瀝水功能的反應器作為對照組，另外1 臺無瀝水功能的反應器作為試驗組，對比了兩種工藝下反應器的水解性能。淋濾工藝與非淋濾工藝試驗周期為20 d、停留時間試驗周期為50 d、溫度試驗周期為60 d，各期間試驗結果數據取平均值。

3）運行工藝：分為淋濾工藝和非淋濾工藝兩種。淋濾工藝，以厭氧出水作為淋洗液，由于本項目處理廚余垃圾，經滾筒篩處理后有機質占比79.37%，含水率70%～80%，本身含水率較高，因此按厭氧水與物料質量比為0.2∶1.0 進行噴淋，噴淋時間為7：00—15：00（反應器進料時間段），大部分水解液和淋洗液由反應器底部流出，剩余部分水解液由擠壓脫水機分離得到，最終合并為水解液；非淋濾工藝，不噴淋厭氧水，水解液不從反應器底部流出，全部經擠壓脫水機分離得到水解液。

4）評價指標：以反應器出水指標，如pH、COD、VFA、TN、NH3-N 等，以及固相減量率（反應器出水量/反應器進料量）、擠壓固渣含水率等作為評價反應器性能的依據。

1.3 測試方法

TS、VS 采用減重法測定，樣品置于烘箱中105 ℃干燥12 h 后稱量計算TS，樣品置于馬弗爐中600 ℃灼燒3 h 后稱量計算VS；COD 采用快速消解法（分光光度法）測定；TN 采用凱氏定氮法測定（KDN-2C 型凱氏定氮儀）；NH3-N 采用納氏試劑光度法測定；VFA 采用比色法測定（設備型號Hach DR 3900）。

2 結果與討論

2.1 淋濾與非淋濾工藝對比

為解決淋濾工藝存在的問題，以項目現場1臺反應器作為試驗線，采用非淋濾工藝運行，另外1 臺反應器按原淋濾工藝運行作為對照，對比兩種工藝條件下廚余垃圾的水解效果。

2.1.1 水解液指標

廚余垃圾水解液與厭氧水指標如表2 所示。由試驗結果可知，非淋濾工藝相比淋濾工藝在COD、VFA 等關鍵指標上有所提升，其中COD 提升7.49%，VFA 提升19.30%。淋濾工藝中氨氮占優勢，占TN 的50.36%，非淋濾工藝中氨氮僅占比26.20%，且根據相關研究［22］，氨氮濃度達到2 000 mg/L 時，厭氧顆粒污泥的產甲烷活性下降20%，說明氨氮濃度過高不利于產生甲烷；非淋濾工藝相比淋濾工藝氨氮更低，更有利于后續產甲烷。

表2 廚余垃圾水解液與厭氧水指標Table 2 Index of kitchen waste hydrolysate and anaerobic water

2.1.2 含水率、減量率

兩種工藝、不同擠壓壓力下（分別為0.1 MPa和0.5 MPa）擠壓固渣含水率、反應器減量率如圖3 和圖4 所示。相比0.1 MPa，0.5 MPa 時固渣含水率降低7.70 個百分點，減量率提升8.00 個百分點；非淋濾相比淋濾工藝，反應器減量率提升4.17 個百分點，擠壓固渣含水率也有所提升，但仍在60%以下。

圖3 兩種工藝下固渣含水率及垃圾減量率對比（0.1 MPa）Figure 3 Comparison of solid slag moisture content and waste reduction rate under two different processes（0.1 MPa）

圖4 兩種工藝下固渣含水率及垃圾減量率對比（0.5 MPa）Figure 4 Comparison of solid slag moisture content and waste reduction rate under two different processes（0.5 MPa）

2.1.3 與已有試驗研究對比

以往研究中多以生活垃圾作為原料進行反應，其含水率低，因而多采用淋洗工藝運行，但本試驗原料主要為廚余垃圾（混有部分生活垃圾），含水率為70%～80%，因而采用非淋濾工藝也可穩定運行，且反應效果有所提高。

2.2 停留時間對反應器性能的影響

在非淋濾工藝下，探究不同停留時間對水解液各項指標的影響，試驗結果如表3 所示。停留時間3 d 內水解液pH 變化不大，為4.72～4.83，停留時間3 d 以上（4～7 d），水解液pH 顯著提升，說明反應體系內堿性物質顯著增加，這與水解液堿度變化基本一致。氨氮在總氮中占比前3 d 為32.54%～35.46%，3 d 后其占比為46.25%，說明氨氮在停留時間超過3 d 時會顯著增長；同時綜合考慮項目來料情況、反應器有效容積、反應器減量率以及生產線運行成本等因素，將停留時間控制在3 d 內較為適宜。

表3 不同停留時間下廚余垃圾水解液指標Table 3 Index of kitchen waste hydrolysate under different residence times

COD、VFA 隨停留時間增加而逐步提升（圖5），說明延長停留時間可以促進廚余垃圾中可降解部分由大分子（蛋白質、糖類、脂肪）向小分子（氨基酸、糖、脂肪酸、中間產物）轉化，提升物料水解酸化效果。相比停留時間1 d，停留時間2 d 時，COD 提升8.73%、VFA 提升2.88%；停留時間3 d 時，COD 提升6.72%、VFA 提升14.58%；停留時間大于3 d 時，COD 提升12.31%、VFA 提升32.74%。這與呂凡等［21］的研究結果基本一致，但COD 在停留時間大于3 d 后變化不大，說明物料中易降解大分子有機物已基本由固相轉化至液相中，繼續延長停留時間意義不大，VFA隨停留時間延長會逐漸積累，但這一進程可在厭氧罐中繼續進行（考慮運行成本，且大型生物反應器也無法長期不出料運行），因而本試驗未對其最終變化（拐點）進行測試。

圖5 廚余垃圾水解液COD、VFA 隨停留時間變化Figure 5 Changes on COD and VFA of kitchen waste hydrolysate with residence time

2.3 反應溫度對反應器性能的影響

在非淋濾工藝下，控制停留時間為2 d，探究反應溫度對水解液的影響，結果如表4 所示。在16～35 ℃內，反應溫度對水解液pH 影響不大，pH為4.76～4.87；總氮逐步提升，氨氮在總氮中占比基本穩定，為32.32%～35.46%。

表4 不同反應溫度下廚余垃圾水解液指標Table 4 Index of kitchen waste hydrolysate under different reaction temperatures

廚余垃圾水解液COD、VFA 隨反應溫度的變化情況如圖6 所示。隨反應溫度提升，在16～26 ℃范圍內COD、VFA 變化不大，說明此溫度區間生物活性較低；當反應溫度提升至35 ℃時，COD、VFA 明顯提升，相比26 ℃，COD 提升25.76%、VFA 提升22.09%，說明在35 ℃時生物活性較高，可促進廚余垃圾水解酸化。因此，反應器運行時，應盡量將反應溫度控制在35 ℃左右，以提高反應器降解效果和資源化利用率。這與He等［19］的研究結果基本一致，溫度升高有利于水解速率升高，提高水解酸化效果。但由于大型生物反應器加熱到高溫反應能耗巨大，且35 ℃已足夠其水解酸化反應（主要在冬季氣溫低才會對其加熱，一般20～30 ℃不用加熱），提升至高溫反應意義不大，因而本試驗未對繼續升高溫度后的反應拐點進行研究。

3 結論

1）以本項目作為試驗平臺，進行廚余垃圾生物水解試驗。采用非淋濾工藝運行，相比淋濾工藝，反應器減量率提升4.17 個百分點，水解液COD 提升7.49%、VFA 提升19.30%，且更低的氨氮濃度有利于后續產甲烷；非淋濾工藝下，停留時間2 d，反應溫度35 ℃，水解液COD 濃度可達129 200 mg/L、VFA 濃度可達23 691 mg/L。

2）試驗結果表明，非淋濾模式可穩定運行。因此可根據需要優化反應器設計，降低其建造運行成本、增加經濟效益；結合各地垃圾分類及廚余垃圾來料情況，合理采用淋濾或非淋濾工藝，充分提升其資源化利用率。延長停留時間、增加反應溫度都能促進廚余垃圾水解酸化，提升水解液COD、VFA 等關鍵指標濃度；但同時也會增加氨氮濃度，抑制后續產甲烷，需要合理控制停留時間和反應溫度。