餐厨垃圾市政污泥联合厌氧消化处理技术

邓国平，任玉森，李杰伟，孙业政

东江环保股份有限公司，广东 深圳 518104

餐厨垃圾市政污泥联合厌氧消化处理技术

邓国平，任玉森，李杰伟，孙业政

东江环保股份有限公司，广东 深圳 518104

餐厨垃圾有机质浓度高，在厌氧消化处理过程中容易致系统酸化而导致消化系统中止。采用餐厨垃圾与市政污泥联合厌氧消化技术解决餐厨垃圾消化条件难控制的问题。结果表明，系统稳定运行时，在进料总固体(TS)浓度为10％左右，水力停留时间(HRT)为20 d，碱度控制在6 000～8 000 mgL时，餐厨垃圾与市政污泥联合厌氧消化能稳定运行，且有机负荷达到5.29 g(L·d)，沼气产量达1.03 Lg〔以挥发性固体(VS)计〕，沼气中的甲烷浓度在59％以上。

餐厨垃圾；市政污泥；联合厌氧消化

据统计，餐厨垃圾占城市生活垃圾总量的50％以上[1]。餐厨垃圾的主要成分为水分、糖类、蛋白质、脂类和盐分等，易腐败、变臭，直接影响城市的市容卫生，导致虫害、鼠害甚至疾病传播；更为严重的是，部分餐厨垃圾未经处理成为廉价饲料而流向养猪场，威胁民众的生命健康[2]。另外，城镇市政污泥含水率较高，产量巨大，处理难度高，给环保工作带来巨大的挑战[3]。目前深圳市城市市政污泥主要采用固化卫生填埋处理处置，该方法通过添加固化剂不仅增加了填埋废物量，同时也占用着日趋紧张的土地资源[4]。餐厨垃圾与市政污泥具有有机质浓度高、含水量大(近80％)的特点，因此，该类废物具有很高的生物质价值利用潜力，目前国内外普遍采用厌氧消化技术对该类废物进行资源化处理[5]。厌氧消化生成的沼气燃烧产生电能和热能，电能可并网供居民使用，热能可用于沼渣烘干脱水，提高沼渣的商品有机肥价值，真正实现了有机废物的资源化、减量化和无害化。

厌氧消化技术的应用发展历史较长，但在处理高固体浓度、高有机质浓度废物(如餐厨垃圾)的过程中仍存在很多问题[6]，如餐厨垃圾单独消化处理时极易出现酸化现象，处理效率低(负荷低)等，集中表现为：1)餐厨垃圾固体浓度高，流动性差，因此进料、搅拌和出料等工艺步骤执行较困难；2)反应器中单位体积的有机物浓度远高于有机废水，即单位体积中需要降解的物质多，从而使料液的酸性升高，导致酸化，又称“酸中毒”，酸化将使厌氧反应过程停止；3)反应器内的料液与微生物充分、均一接触的难度远大于有机废水[7-9]。这些因素影响了餐厨垃圾处理的产业化发展[10]，导致市政有机固体废物厌氧发酵的装置成本较高，设计难度较大，发酵工艺相对复杂。笔者拟采用餐厨垃圾与市政污泥联合厌氧消化技术解决餐厨垃圾消化难控制的问题。

1 材料与方法

1.1 材料

餐厨垃圾来自深圳市某垃圾填埋场，其各项理化指标如表1所示；市政污泥来自深圳市某污水处理厂，其主要理化指标如表2所示。其中污染物指标均满足GB 4284—84《农用污泥中污染物控制标准》要求。

表1 餐厨垃圾理化指标

注：总氮浓度约为蛋白质浓度的16％。

表2 滨河污水处理厂市政污泥主要理化指标

1.2 试验方法

将厌氧消化处理进料基质的含水量均调整为(10±2)％。厌氧消化反应器容积50 L，搅拌强度、温度(35 ℃)、pH由智能控制系统控制，试验过程中的各指标分析均由深圳市华保科技有限公司承担。试验中，厌氧系统经驯化培养运行6个月后，采取分阶段逐步提高餐厨垃圾有机负荷和提高市政污泥比例的方法，进行餐厨垃圾联合市政污泥厌氧消化试验。试验分4个阶段(表3)：第1阶段为单一消化餐厨垃圾，有机负荷为2.34 g(L·d)条件下稳定运行约30 d后提高有机负荷至3.50 g(L·d)运行约10 d，因有机负荷提高后系统不能正常运行而中止第1阶段试验。为解决该问题采取了添加市政污泥的方案，在系统恢复正常后进行了餐厨垃圾与市政污泥的配比试验。将餐厨垃圾与市政污泥按质量比为2∶1混合后进行第2阶段试验，此时有机负荷为3.79 g(L·d)，HRT为25 d；运行后期由于氨氮浓度过高重新进行了配比调整，将餐厨垃圾与市政污泥质量比调整为1∶1进行第3阶段试验，有机负荷为3.77 g(L·d)，HRT为25 d；第4阶段餐厨垃圾与市政污泥配比不变(1∶1)，提高有机负荷至5.29 g(L·d)，HRT为20 d。

表3 厌氧消化试验设计

2 结果与分析

2.1 pH与挥发性脂肪酸(VFA)浓度变化

试验过程中每天监测pH，每3～4 d监测一次VFA浓度，结果如图1所示。由图1可知，第1阶段在低有机负荷〔2.34 g(L·d)〕时，餐厨垃圾单独厌氧消化的pH和VFA浓度均较稳定；当提高餐厨垃圾有机负荷〔3.50 g(L·d)〕时，pH低于系统正常控制范围出现酸化，VFA浓度也急剧升高到近5 000 mgL，说明当有机负荷提高时，酸化现象影响发酵系统不能正常运行。而在添加市政污泥后的第2、第3和第4阶段(40 d以后)试验中，pH(6.80～7.60)与VFA浓度(2 000～3 000 mgL)基本保持在系统正常运行的范围。

图1 联合厌氧消化系统pH和VFA浓度变化Fig.1 pH and VFA of anaerobic digestion system

为了保证反应器内有足够浓度的厌氧菌，pH通常应维持在7.0～7.5，以满足厌氧菌的最佳生长代谢环境[11]，通常稳定的厌氧反应体系中pH可通过厌氧反应中的产酸反应和产甲烷反应平衡。但当产酸反应速率大于产甲烷化速率，则出现有机酸的积累，pH降低，而低pH抑制了甲烷化反应，加剧了有机酸的积累，形成有机酸浓度增加的恶性循环[12]。为维持系统稳定的pH，在应急情况下可采用加碱中和等手段。

2.2 氨氮浓度及碱度变化

餐厨垃圾市政污泥联合消化系统每3～4 d监测一次氨氮浓度及碱度，其变化如图2所示。由图2可知，随着厌氧消化系统有机质停留时间的缩短(有机负荷提高)，在第2阶段(40～60 d)明显检测到氨氮浓度有积累升高的趋势，从约1 500 mgL升高到约2 500 mgL，最终导致系统运行不正常。分析认为是由于氨氮浓度过高对厌氧菌的生物活性有抑制的作用，但抑制浓度的阈值和抑制的程度均没有一定的标准，通常认为氨氮浓度在2 000 mgL时就会产生明显的抑制效果[13]。第3和第4阶段(65～110 d)在同样的有机负荷条件下，通过增加市政污泥的添加比例，氨氮浓度能有效地降低至正常的范围。

图2 氨氮浓度和碱度变化Fig.2 The comcentraion of ammonia and alkalinity in anaerobic digestion system

根据任南琪等[11]的研究可知，正常运行的厌氧反应器碱度为小于5 000 mgL，而在该试验中，厌氧消化系统的碱度从开始的7 729 mgL降到最后的6 758 mgL，比正常碱度值要高出30％左右。随着有机负荷的提高，整个过程的碱度略有降低，但均比较稳定。

2.3 厌氧消化沼气变化

餐厨垃圾和市政污泥通过厌氧消化反应，其中的大部分有机碳在微生物的作用下转化成沼气(主要含二氧化碳和甲烷，占99％)，沼气中常含有少量硫化氢，是由厌氧消化蛋白质(蛋白质中含二硫键)产生的，沼气的产率以及沼气中甲烷浓度直接反应厌氧消化体系进程[14]。沼气产率通过湿式流量计检测，沼气中的甲烷用碱吸收法测定，试验结果如表4和图3所示。由表4和图3可知，餐厨垃圾与市政污泥联合消化沼气产气量随有机负荷的增加而增加，而沼气中的甲烷浓度有所降低。

表4 厌氧系统沼气产量统计

图3 厌氧系统沼气产率变化Fig.3 The productivity of biogas from anaerobic digestion

2.4 TS浓度变化

厌氧消化基质进料和出料的固体浓度不但是厌氧反应的重要控制因素，其变化值也是厌氧消化效率高低的重要衡量指标[15]，该试验4个阶段平均TS浓度变化如表5所示。

由表5可知，餐厨垃圾和市政污泥中的有机质浓度较高〔VS(挥发性固体)TS达到80％以上〕，单独消化处理餐厨垃圾TS去除率可达71.70％，与市政污泥联合消化去除率约60％。通过联合消化技术，可使有机负荷从单独消化的2.34 g(L·d)提高到5.29 g(L·d)；沼气产率也可从0.78 Lg提高到1.03 Lg，提高了32.05％。

表5 餐厨垃圾市政污泥厌氧消化固体物料统计分析

1)VS为挥发性固体；TS为总固体。

3 结论

(1)利用餐厨垃圾与市政污泥联合消化不仅能起到以废治废的目的，更重要的是能解决餐厨垃圾单独消化出现的酸化现象，使厌氧消化系统的pH维持在6.80～7.60；当餐厨垃圾与市政污泥质量比为1∶1时，氨氮浓度维持在1 500～2 000 mgL，系统可正常运行。

(2)餐厨垃圾与市政污泥联合消化有效地提高了厌氧消化系统的有机负荷率，有机负荷从单独消化的2.34 g(L·d)提高到联合消化的5.29 g(L·d)。有机负荷的提高缩短了反应停留时间(20 d)，极大地提高了设备设施的利用效率，可为产业化生产处理提供参考。

(3)联合消化同时提高了系统的沼气产气量，单位TS产气量从单独消化的0.78 Lg提高到联合消化的1.03 Lg，提高了32.05％。

[1]陶渊,黄兴华.城市生活垃圾综合处理导论[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2]梁政,杨勇华,樊洪,等.厨余垃圾处理技术及综合利用研究[J].中国资源综合利用,2004,8(4):36-38.

[3]许晓萍.我国市政污泥处理现状与发展探析[J].江西化工,2010(4):24-31.

[4]冯明谦,罗万申,蒋岭,等.深圳特区的污泥处置规划[J].中国给排水,2003(6):15-16.

[5]石磊.微生物发酵技术处理食品废弃物研究[D].上海:华东理工大学工程系,2003.

[6]王星,王德汉,李俊费,等.餐厨垃圾的厌氧消化技术现状分析[J].中国沼气,2006,24(2):35-40.

[7]蒋建国,吴时要,隋继超,等.易腐有机垃圾单级高固体厌氧消化实验研究[J].环境科学,2008,29(4):1103-1107.

[8]蒲红艳.餐厨垃圾生物降解若干问题实验研究[D].长春:吉林大学,2006:15-25.

[9]DEARMAN B,BENTHAM R H.Anaerobic digestion of food waste: comparing leachate exchange rates in sequential batch systems digesting food waste and biosolids[J].Waste Management,2007,27:1792-1799.

[10]LIM S-J,KIM B J,JEONG C-M.Anaerobic organic acid production of food waste in once-a-day feeding and drawing-off bioreactor[J].Bioresource Technology,2008,99:7866-7874.

[11]任南琪,王爱杰.厌氧生物技术原理与应用[M].北京:化学工业出版社,2004:30.

[12]STABNIKOVA O,LIU X-Y,WANG J-Y.Anaerobic digestion of food waste in a hybrid anaerobic solid-liquid system with leachate recirculation in an acidogenic reactor[J].Biochemical Engineering J,2008,41(2):198-201.

[13]张波,徐剑波,蔡伟民.有机废物厌氧消化过程中氨氮的抑制性影响[J].中国沼气,2003,21(1):46-48.

[14]WILKIE A C,SMITH P H,BORDEAUX F M.An economical bioreactor for evaluating biogas potential of particulate biomass[J].Bioresource Technology,2004,92:103-109.

[15]ZHANG R-H, EL-MASHAD H M, HARTMAN K,et al.Characterization of food waste as feed stock for anaerobic digestion[J].Bioresource Technology , 2007,98(4):929-935. ○

ResearchonAnaerobicCo-digestionofFoodWasteandSewageSludge

DENG Guo-ping, REN Yu-sen, LI Jie-wei, SUN Ye-zheng

Dongjiang Environment Co., Ltd., Shenzhen 518104, China

The organic matter content of food waste is high and can easily cause system acidification and suspension in the process of anaerobic digestion. The anaerobic co-digestion technology to jointly treat food waste and sewage sludge was studied, which could well solve the difficulty of controlling the food waste digestion conditions. The results showed that the anaerobic co-digestion of food waste and sewage sludge could run steadily when the total solid(TS) content of the feeding waste was about 10％, hydraulic retention time(HRT) being 20 d, and alkalinity controlled between 6 000-8 000 mgL. And under these conditions, the organic loading rate reached 5.29 g(L·d), the biogas production rate reached 1.03 Lg (calculated by volatile solid(VS)) and the methane content in biogas was more than 59％.

food waste; sewage sludge; anaerobic co-digestion

1674-991X(2013)02-0179-04

2012-09-06

深圳市科技计划项目(JSA200903201352A)

邓国平(1981—)，男，工程师，硕士研究生，主要从事环境生物应用技术研究，dgp@dongjiang.com.cn

X53

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.029