城市餐厨垃圾的厌氧消化处理研究*

马 磊，刘 肃

（北京中京实华新能源科技有限公司，北京 100088）

城市餐厨垃圾的厌氧消化处理研究*

马 磊，刘 肃

（北京中京实华新能源科技有限公司，北京 100088）

研究了不同处理量下，系统反应温度对餐厨垃圾厌氧消化过程中产气量的影响，分析了餐厨垃圾厌氧消化处理过程中，产气量与进料TS浓度的关系以及气体成分的差异。结果表明：在相同处理量下，与中温35℃的反应温度相比，高温55℃下系统产气速率较快，产气高峰较早到达；系统日产气量与进料TS的变化基本一致，平均产气能力达到0．45 m3/kg，气体成分中甲烷含量均高于55%。

餐厨垃圾；厌氧消化；厌氧反应器；温度

目前，餐厨垃圾的处理技术主要以资源化为导向，饲料化、好氧堆肥和厌氧消化都是具有代表性的生物处理技术。然而，餐厨垃圾中存在许多微量的有毒有害物质，具有很强的环境稳定性和生物累积效应，从而限制其直接用作动物的饲料。好氧堆肥虽然可以得到优质的有机肥料，但是单一餐厨堆肥存在较大的技术难点，含水率高等导致堆肥升温慢、容积效率较低，而且易腐、颗粒机械稳定性差，需要特殊的填充物提高空隙率、大量的填充剂调理含水率，此外餐厨垃圾中含有大量油脂和盐分会进一步影响微生物对有机物的分解速率。相比之下，厌氧消化处理技术更受青睐，一方面因为厌氧消化技术与传统的卫生填埋相比，将厌氧消化的过程由几年缩短到30 d以内，与好氧堆肥相比，改变了占地大和管理复杂的问题；另一方面，厌氧微生物能强化餐厨中油类的分解，耐盐毒性较强，此外，不需要供氧，节省能耗［1］。因此，从技术上分析，餐厨垃圾的厌氧消化处理具有节能、高效、资源回收的优势，更加适合城市餐厨垃圾的资源化处理要求。笔者在不同温度及进料量下，研究了餐厨垃圾厌氧消化过程中产气能力的差异，以期为城市餐厨垃圾的资源化处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 餐厨垃圾

餐厨垃圾为餐厨垃圾专用车从固定区域的餐馆、食堂收集来的，经过初步分选，除去碗筷、塑料袋、玻璃瓶等杂物，成分包括米饭、面食、蔬菜、肉类、骨头、菜汤等。餐厨垃圾的密度约为1．0 kg/L。新取来的餐厨垃圾经过机械打浆，打浆后的餐厨垃圾主要理化性质见表1，其形态变化如图1所示。总固体含量约为23．28%，其中挥发性固体占93．75%，表明厨泥中有机组分含量较高。此外，餐厨垃圾还富含氮、磷、钾，具有营养元素齐全的特点。餐厨垃圾C/N质量比约为25．38，接近有机垃圾厌氧消化产沼气的最佳比值30。

表1 餐厨垃圾的理化性质

图1 餐厨垃圾打浆处理前后的外观对比

1.1.2 接种物

接种物为驯化后的养猪场沼气池厌氧污泥，总质量约1 000 kg。为了增加菌液浓度，培养餐厨垃圾厌氧消化优势菌种，前期过程采用餐厨垃圾进行低负荷驯化培养，采用沼液回流与原料混合的方式进料，同时用碱液调节进料pH为8～9，从而维持系统内合适的反应pH［2-3］。厌氧污泥的主要性质见表2。驯化后污泥TS浓度达到10%，VS浓度4．8%。

表2 厌氧污泥的主要性质

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置及工艺流程

试验装置包括预处理系统、厌氧发酵系统、增温保温系统和沼气储存利用。厌氧反应器设计参数如表3所示。

表3 厌氧反应器设计参数

工艺流程如图2所示，经过分选后的餐厨垃圾在预处理单元经过除油去盐，然后打浆调质后由厌氧反应器进料口进料。厌氧反应器顶部固定搅拌器，罐外增夹套层，热水循环控温35±（2～3）℃，岩棉保温。沼渣沼液溢流至沼渣沼液池暂存。沼气经过除杂脱硫后储存于沼气储存袋。

1.2.2 试验设计

本试验设计加工1套试验装置，为了保证试验结果的可比性，试验过程中进料来源基本固定，厌氧反应的温度由增温保温系统自动控制恒温，因此不做重复试验。试验设计如表4所示。

图2 试验工艺流程

表4 试验设计

1.3 测定指标及方法

有机质：重铬酸钾氧化法；总氮：H2SO4-H2O2消煮，蒸馏滴定法；总磷：H2SO4-H2O2消煮，分光光度法；总钾：H2SO4-H2O2消煮，火焰光度法。具体操作参考有机肥成分分析方法。

总固体（TS） 和挥发性固体物（VS）：烘干法；挥发性有机酸（VFA）：3 500 r/min离心10 min，取上清液，蒸馏滴定法，结果以乙酸计。具体操作参照厌氧实验室研究和分析方法。

总磷（TP）：过硫酸钾消解钼蓝比色法；化学需氧量（CODCr）：催化消解密封法［4］。

细菌总数、霉菌、大肠菌群、痢疾杆菌、沙门氏菌的分析方法主要参照食品卫生微生物学检验国家标准分析方法；芽孢杆菌的测定方法参考常见细菌系统鉴定手册；放线菌的分析测定方法参考NY 227—1994。

沼气产气量由湿式流量计在线读取，沼气成分由奥氏气体分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 不同温度条件下餐厨垃圾产气能力的差异

中温（30～40℃） 和高温（50～60℃） 是厌氧消化反应过程中生化速率最高和产气率最大的温度区间。大多数工业化的厌氧消化反应器是在中温或常温下操作，仅当反应器的大小相对于能耗的增加和操作的稳定性而言是考虑的主要因素时，高温消化才加以采用。同时，高温消化比中温消化时间短，产气率稍高，对寄生虫卵的杀灭率在数小时内就可达到90%，而中温消化对寄生虫卵的杀灭率在这么短的时间里相对较低。

本试验过程中，在日处理量不变的情况下，高温55℃与中温35℃相比，能在较短的时间达到最大产气量，在试验第16天前，产气量明显较高（图3和图4）。日处理量10 kg/d、反应温度55℃的处理（T2），产气量均维持在0．75 m3/d以上，于试验开始第8天达到最大日产气量0．92 m3/d（图3）。同样，日处理量20 kg/d、反应温度55℃的处理（T4），产气量均维持在1．45 m3/d以上，于试验开始第12天达到最大日产气量1．9 m3/d，相对于35℃，产气高峰提前（图4）。

图3 温度对日处理量10 kg/d餐厨垃圾厌氧消化过程产气量的影响

图4 温度对日处理量20 kg/d餐厨垃圾厌氧消化过程产气量的影响

2.2 餐厨垃圾产气量与进料TS的关系

在反应器系统相对稳定的情况下，以处理T4（日处理餐厨垃圾20 kg/d、反应温度55℃）为研究对象。结果表明，系统产气量均维持在1．50 m3/d以上。系统日产气量随着每天添加TS量的波动而变化，趋势基本一致，表明菌种已处于活跃期，处理效率明显提高。在1个反应周期中（30 d），系统平均日产气量1．77 m3/d，平均产气能力达到0．45 m3/kg（图5）。试验过程中对系统所产气体成分分析发现甲烷含量均高于55%（图6），气体能源价值较显著。

图5 餐厨垃圾高温厌氧消化（55℃）过程中产气量与TS添加量的关系

图6 餐厨垃圾厌氧消化处理产气成分

3 结论

1）厌氧消化处理餐厨垃圾不仅可以避免餐厨垃圾对环境的污染，而且实现了其资源化利用，产生能源价值显著的清洁能源沼气。

2）在厌氧系统负荷能力内，系统日产气量和累积产气量均随着处理量的增加而增加。相对于中温厌氧消化，高温厌氧消化具有产气速率快、消化时间短等优势。在充分考虑技术适用性和经济可行性的情况下，选择高温厌氧消化处理餐厨垃圾是可行的。

［1］徐文龙，卢英方，Walder R，等．城市生活垃圾管理与处理技术［M］．北京：中国建筑工业出版社，2006．

［2］马磊，王德汉，杨文杰，等．餐厨垃圾高温厌氧消化接种物的驯化研究［J］．农业工程学报，2007，23（6）：203-207．

［3］马磊，王德汉，谢锡龙，等．接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响［J］．农业工程学报，2008，24 （12）：178-182．

［4］贺延龄．废水的厌氧生物处理［M］．北京：中国轻工业出版社，1998．

Anaerobic Digestion Treatment of Food Waste

Ma Lei，Liu Su
（Beijing Zhongjing Shihua New Energy Technology Co．，Ltd，Beijing 100088）

In the process of food waste anaerobic digestion,the effects of temperature on biogas production under different treating capacities were studied．The relation between biogas production and total solid concentration of food waste were analyzed,as well as the components of the biogas．The results showed that under the same treating capacity,thermophilic anaerobic digestion (55℃)had a higher biogas production rate and the highest production day came earlier compared with mesophilic anaerobic digestion (35℃)．Moreover,the variation of the daily biogas production was nearly the same as the variation of total solid．The average biogas production rate was 0．45 m3/kg and the percentage of methane was more than 55 percent．

food waste；anaerobic digestion；anaerobic reactor；temperature

X705

A

1005-8206（2012）04-0012-03

北京市市政科技发展计划项目（10-19）

2012-04-18

马磊（1983—），工程师，主要从事城市固体废物的厌氧消化处理研究。

E-mail：malei1006@139．com。

（责任编辑：刘冬梅）