IC厌氧反应器处理蔬菜垃圾的试验研究

陈婕 田兴 兰风岗 尹文娟 马三剑

摘要 [目的] 探索处理蔬菜垃圾的厌氧发酵新方法。[方法] 通过IC厌氧反应器处理白菜叶子榨汁废水，测定进出水COD、pH等指标以及反应器的产沼气效率。[結果] IC反应器稳定运行后，COD去除率达到85%左右，负荷可以达到15.9 kg COD/（m3·d），其中每kg COD可以产生约0.5 m3的沼气。[结论] IC厌氧反应器处理蔬菜垃圾产生了能源，有效解决了蔬菜垃圾的处理，同时简化了处理设施。

关键词 蔬菜垃圾;IC反应器;沼气

中图分类号 S181.3;X703.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）33-11829-03

Experimental Study on Vegetable Waste Treated by IC Anaerobic Reactor

CHEN Jie1， TIAN Xing1， LAN Feng-gang2 et al

（1. Department of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215011; 2. Suzhou Kete Environmental Limited Company， Suzhou， Jiangsu 215011）

Abstract [Objective] The research aimed to study the new method of anaerobic reaction for the treatment of vegetable waste.[Method] Taken Chinese cabbage leaves as materials， the anaerobic reaction was undergone with IC anaerobic reactor. During the reaction， parameters such as pH and COD of inlet and outlet， as well as the methane production efficiency were determined.[Result] The results showed that， after the stable operation of IC reactor， COD removal efficiency could reach 85%， organic loads could reach 15.9 kg COD/（m3·d）， and per kg COD could produce approximately 0.5 m3 methane.[Conclusion] This study proved that the treatment of vegetable waste with IC anaerobic reactor not only could produce energy， but also could simplify treatment facilities.

Key words Vegetables garbage; IC reactor; Methane

作者简介 陈婕（1989- ），女，江苏苏州人，硕士研究生，研究方向：水污染控制工程。

收稿日期 2014-10-20

目前，我国的城市垃圾大量增加，其中约有50%的城市垃圾为蔬菜垃圾。蔬菜垃圾含水率较高，约为75%到85%[1]。若采用填埋的处置方式，可能导致渗滤液的增加，给填埋场的后续处理增加压力。若采用焚烧的方式，由于含水率高，技术不可行，而在蔬菜垃圾中添加大量辅助燃料[2]，经济上均不合理。

因此，目前对于蔬菜垃圾的处理，常见的处理工艺包括好氧堆肥、自然堆沤和厌氧消化等。好氧堆肥主要是利用蔬菜垃圾中N、P、K等营养元素，用作农田的肥料。接种微生物自然堆沤处理主要为通过添加微生物菌剂，加快蔬菜垃圾的分解，最后产品也是用于农田[3]。好氧堆肥和自然堆沤法都是将蔬菜垃圾变为肥料，但是在密集型的城市里，这些方法并不实用[4]。

而利用蔬菜垃圾进行厌氧硝化产沼气是较为合理的。蔬菜垃圾中含水率高，固体含量低，使得厌氧处理蔬菜垃圾便于操作。但是用厌氧消化处理固态的蔬菜垃圾对于设备以及操作的要求还是比较高的。所以该研究采用厌氧技术处理液态的蔬菜垃圾，产生沼气，变废为宝。

1 材料与方法

1.1 试验材料

为了试验方便，保证进水的稳定，试验采用白菜叶子作为蔬菜垃圾。

称取10.605 g的白菜叶子，置于105 ℃的恒温箱中6 h，然后取出称量为1.723 g，继续置于恒温箱中1 h，再次称量为1.682 g，继续置于恒温箱1 h，如此反复，直至最终2次数据相差不超0.01 g，最终测得烘干后的白菜叶子为1.678 g，可以得出，白菜叶子的含水率为84.2%。

取白菜叶子11.398 g，通过螺旋榨汁机榨汁，最后剩下的渣为3.832 g，将渣置于恒温箱中，最终测得为1.879 g，可得用螺旋榨汁机后，渣的含水率只有50%。

将白菜叶子用榨汁机进行榨汁，测得所得汁液的COD为75 000 mg/L，氨氮为783 mg/L，总磷为356 mg/L。

1.2 分析仪器

COD在线监测仪、氨氮在线检测仪、总磷在线监测仪、pH-8型笔式pH计、JY3002型电子天平、蠕动泵、水浴箱、温度计、加热器、搅动棒、自控仪、榨汁机。

1.3 试验方法

以白菜叶子榨汁后的水为模拟废水，用生活污水将废水稀释至一定浓度，用蠕动泵通入IC反应器中，IC反应器置于水浴箱中，保持水浴箱的温度在（37±2） ℃[5]左右。為了保证白菜叶子能够得到良好的处理，按照COD∶N∶P=200～350∶5∶1[6]比例补充氮磷元素，同时添加微量元素。在反应器启动初期，微生物需要驯化，在配水过程中加入50 ml啤酒[7]，可以使得微生物能够迅速成长，加速反应器的启动。为了使小试更具有工程实际价值，在试验过程中，慢慢增加厌氧出水回流，减少生活污水的参与，最终使得进水为厌氧回流液和原水。观察IC反应器的启动、负荷提升以及稳定运行的负荷，COD的去除率，观察垃圾废水的可生化性，每1 kg白菜叶子可以产生多少的沼气量，为将来的工程实例提供数据、经验参考。

2 结果与分析

IC反应器由相似的2层UASB反应器串联而成[8]。按功能划分，反应器由下而上共分为5个区：混合区、第一厌氧区、第二厌氧区、沉淀区和气液分离区。IC构造图如图1所示。

图1 IC反应器构造示意

2.1 IC反应器的启动

该试验采用颗粒污泥进行反应器的启动，接种厌氧颗粒污泥来自于某柠檬酸厂的IC反应器，由于原来的颗粒污泥是处理柠檬酸废水的，此处处理的是白菜叶子的废水，两种水质有很大的差别，同时试验构造、水力条件等也有不同，所以在IC反应器的启动初期，需要对微生物进行驯化，在此阶段保持进水浓度不变，进水量不变，水力停留时间为24 h[9]，待反应器出水污泥较少，且反应器形成内循环，则表示IC反应器启动完成[10]。在调试过程中，主要对进出水的COD、氨氮、总磷、pH、温度、沼气量等指标进行监测，若是发现去除率下降时，则需要测量VFA，以确定去除率下降的原因。

结合图2和图3可以看出，IC反应器启动总计15 d，在启动过程中，保持进水量为3 L/d，水力停留时间为24 h。从图中分析得出，启动的曲线可以分为3个阶段，第一阶段时期，即第1天至第5天，出水的COD极低，主要是反应器启动前，加入自来水至排液口，刚开始的出水，主要都是自来水。第二阶段时期，即第6天到第11天，这阶段出水COD开始上升，在这阶段，自来水基本排完了，而微生物还没有完全适应新的环境，不能很好地去除蔬菜废水中的有机物质。最后一阶段，即第12天到第15天，这阶段曲线开始稳定，微生物基本驯化完毕。

由图2、3可以看出，COD去除率基本保持在85%以上，有机负荷保持在1.8 kg COD/（m3·d）[11]，接种的颗粒污泥对于蔬菜废水同样适用。通过观察，第3天开始可测得沼气产生，随着反应器的稳定运行，第8天，反应器形成内循环。

图2 进、出水COD及去除率随时间变化曲线

图3 有机负荷及去除率随时间变化曲线

2.2 IC反应器负荷提升

对于负荷的提升，主要有两种方法：①进水量不变，增加进水的浓度;②进水浓度不变，通过增加进水量，进而提高进水负荷[12]。该次小试，保持水力停留时间为24 h[13]，所以，通过增加进水浓度的方法，提高进水负荷。

在负荷提升阶段，计划每次提高1.25 kg COD/（m3·d）[14]的负荷，当COD的去除率能够保持在80%以上时，每过3～4 d，提升一次负荷，同时在提升的过程中，添加营养元素。若反应器的去除率出现明显的下降，出水VFA升高或者跑泥时，则说明反应条件出现了一定异常，保持进水量不变，可以适当降低进水负荷，待反应器恢复正常，去除率重新稳定在85%的时候，再次提升进水负荷。

由图4和图5可以看出，在整个厌氧负荷提升阶段，保持进水量不变，每过3～4 d，提高一次进水浓度，进水COD从2 220 mg/L提升至17 220 mg/L，有机负荷从2.2 kg COD/（m3·d）提升至17.2 kg COD/（m3·d）[15]，此时，COD去除率开始呈现下降趋势，这表示厌氧负荷提升完毕。

图4 进、出水COD及去除率随时间变化曲线

图5 容积负荷及去除率随时间变化曲线

从图中可看出第23天至第26天，出水COD出现明显恶化，经过检查发现，温控设备出现问题，水浴箱温度上升至55 ℃[16]，导致颗粒污泥中的微生物活性降低，去除率迅速下降。在水浴箱中加水，迅速降温，保持进水负荷不变，运行4 d后，去除率变为85.6%，系统恢复正常。在第40天至第43天，发现厌氧出水的固体物质增多，出水COD也明显增高，经检查发现是由于沼气将水带到了水封罐，使得水封罐内的水满了，从而导致三相分离器的作用变差，出水中泥量增加。经过调整，反应器恢复正常。

在负荷提升阶段，对于进出水的COD以及pH每日测量。出水氨氮、总磷、VFA每5 d测定一次。负荷提升阶段共历时50 d，在此阶段COD去除率基本可以达到85%，沼气产生量稳定，系统运行良好。

2.3 IC反应器稳定运行

稳定运行时间持续20 d。保持反应器进水量3 L不变，同时保证进水负荷为15.9 kg COD/（m3·d）[17]，在每日的配水过程中按照COD∶N∶P=200～350∶5∶1添加氮磷以及微量元素。每天测量进出水COD以及pH。反应器运行状况如图6所示。

图6 进、出水COD及去除率随时间变化曲线

图7 容积负荷及去除率随时间变化曲线

由图6和图7可以看出，IC反应器运行稳定，COD去除率可以长期保持在85%以上，每日产生的沼气量稳定，约为7.2 m3[18]。可见用IC反应器可以很好地处理蔬菜废水，同时能够变废为宝产生沼气能源。

3 结论

（1）IC反应器可以很好地处理蔬菜废水，COD去除率基本稳定在85%以上，蔬菜废水的可生化性很高。

（2）运用IC反应器处理蔬菜废水，负荷可以达到15.9 kg COD/（m3·d），沼气产生量稳定，每日约可产生7.2 m3，即每1 kg COD可以产生0.5 m2沼气量。

（3）将蔬菜垃圾榨汁处理，可以获得高浓度的废水，同时不必配备固体厌氧反应器，降低了对反应器以及操作的要求，降低了反应器出现问题的可能性。同时榨汁剩下来的残渣，可以进行堆肥，作为肥料使用。

（4）蔬菜垃圾含水率高，榨汁方便，使得处理蔬菜榨汁液成为可能，有工程实际意义，将蔬菜垃圾减量化，同时产生能源。

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