进料浓度和水力停留时间对分类有机垃圾厌氧消化性能的影响

李蕴洁， 常燕青， 袁海荣， 李秀金

（1.北京化工大学 环境科学与工程系， 北京 100029； 2.维尔利环保科技集团股份有限公司， 江苏 常州 213100）

0 引言

随着中国城镇化水平的不断提高，城镇人口越来越多，生活垃圾的产生量也随之升高。 2020年，全国城市生活垃圾清运量达到了23 511.7 万t[1]。在实施生活垃圾分类政策后，厨余垃圾的产生量大大超过预期。 上海市2019 年9 月的湿垃圾日均产生量约为9 200 t， 较2018 年12 月的4 400 t翻了一倍多[2]。 很多地区的厨余垃圾产生量可占生活垃圾总量的60%～70%[3]。 分类后的厨余垃圾主要包括菜叶菜茎、剩菜剩饭、果皮果核、树叶等易腐败的物质，其含有大量的有机质，也可以称为分类有机垃圾。 这些垃圾需要及时有效地进行处理，否则将会对人类健康和环境生态造成潜在威胁，分类有机垃圾的处理问题已经成为我国目前面临的重要环境问题之一。

目前，国外多采用厌氧消化的方法对分类有机垃圾进行处理。 作为一种减量化、资源化的生物质废弃物处理技术，厌氧消化可将分类有机垃圾中的大部分有机质转化为富含甲烷的气体，在处理垃圾的同时产生能源，有很大的应用潜力[4]。在厌氧消化技术中，有机负荷率（OLR）是指单位体积反应器每天消化的有机物量，其与进料浓度成正比，与水力停留时间（HRT）成反比[5]。 分类有机垃圾的含固率为15%～30%， 含固率随地区和季节差异较大。 一般而言，夏季的分类有机垃圾中含有大量果皮，含固率较低，而冬季的分类有机垃圾中含有较多的枯枝落叶，含固率较高[6]。 如果以较高的含固率直接进料， 会使厌氧消化系统的有机负荷率大大增加， 可能会造成厌氧消化系统的有机酸过度积累，产生酸化现象，从而导致厌氧消化失败[7]，[8]。 目前，实际工程中主要通过加水稀释的方法来降低进料浓度和OLR，这种方法会消耗大量的水资源并产生大量的沼液， 进而增加后续处理的难度[9]。因此，通过调节HRT 来控制有机负荷率并研究相关参数是具有实际工程意义的。

本文研究了在进料浓度不断提升的情况下，能否利用延长HRT 的方法使分类有机垃圾厌氧消化系统保持稳定运行， 并分析了厌氧消化系统在不同情况下的产气效能、 物质降解率和系统稳定性， 以期为分类有机垃圾厌氧消化的实际应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用分类有机垃圾取自北京化工大学附近居民区分类后的厨余垃圾箱。 分拣剔除其中的骨头、塑料、玻璃等不能厌氧消化的组分，其余有机组分利用厨余垃圾粉碎机进行粉碎，并放置于-20 ℃冰箱中保存备用。 试验所用接种物取自北京市某生活垃圾综合处理站的厌氧消化出料，取回后密封保存备用。 试验所用原料和接种物的基本性质如表1 所示。

表1 分类有机垃圾和接种物的基本性质Table 1 Characteristics of sorted organic waste and inoculum

1.2 试验装置

如图1 所示，试验装置主要由完全混合式反应器 （Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR），恒温水箱和气体流量计组成。 CSTR 的总体积为10 L，有效容积为8 L。 反应器带有循环水夹层，通过管路与恒温水箱连接，以保持反应器内温度在要求的范围内。 反应器内部设置了上、中、下3 层搅拌桨，通过程序设定实现自动搅拌，使物料达到充分混合的状态。 反应器顶部与气体流量计相连，以收集每天产生的沼气。

图1 半连续厌氧发酵试验装置Fig.1 Test device of semi-continuous anaerobic fermentation

1.3 试验方法

设置4 个CSTR， 分别编号为C1，C2，C3，C4。由于试验原料的TS 含量为20.3%，故只能以20%及以下的含固率作为进料浓度， 因此，4 个CSTR的进料浓度分别设置为12%，16%，18%和20%，相应的HRT 分别为30，40，45，50 d， 使有机负荷率（以VS 计，下同）保持在3.6 g/（L·d）。 试验在接种比（接种物与原料的VS 含量比）为1∶1，TS 含量为12%的条件下启动，温度设置为35 ℃。各试验组的参数如表2 所示。

表2 厌氧消化系统的参数Table 2 Parameters of anaerobic digestion system

试验过程中，当沼气中的甲烷含量达到60%并稳定时，开始进出料，进料频率为每天1 次，每天将准备好的物料按量投入反应器中， 同时在出料口排出等量的物料。 试验期间每天测量产气量和甲烷含量， 每隔5 d 测量出料的TS 和VS 含量、pH值、氨氮浓度、碱度（TAC）和挥发性脂肪酸（VFAs）浓度。 记录产气量的同时，记录环境温度和压强，通过理想状态方程换算成标准状况下的体积。

1.4 分析方法

气体组分使用SP-2100 气相色谱仪进行测定；TS 和VS 含量采用重量法进行测定；pH 值使用pH 计（Thermo-868，USA）进行测定；氨氮浓度使用HI83206 型多参数浓度测定仪进行测定；TAC采用电位滴定法进行测定；VFAs 浓度使用岛津GC-2014 型气相色谱仪进行测定；TC 和TN 含量采用Vario EL cube 型元素分析仪进行测定。 利用IBM SPSS Statistics 19 软件对试验过程中得到的数据进行差异显著性分析， 判断不同试验组之间是否存在显著差异。

2 结果与讨论

2.1 日产气量和甲烷含量

在不同进料浓度和HRT 组合条件下，分类有机垃圾厌氧消化时日产气量和甲烷含量的变化情况如图2 所示。

图2 分类有机垃圾厌氧消化时的日产气量和甲烷含量变化情况Fig.2 Change of daily gas production and methane content in anaerobic digestion of sorted organic waste

从图2（a）可以看出：在厌氧消化的前5 d，4个试验组的产气量均逐渐升高，随后趋于稳定在16～20 L；在一个HRT内，各试验组的日均产气量分别为16.8，15.6，16.6，15.7 L；各试验组的日均产气量相差不大， 其中C1 组的日均产气量略高于其他试验组， 分别比其他试验组提升了7.6%，1.1%，6.4%，差距均在10%以内。

从图2（b）可以看出：在进出料后的3 d 内，各个试验组的甲烷含量均明显下降，降低到50%以下， 随后又逐渐上升并保持稳定在50%～60%；试验期间，各试验组的平均甲烷含量均非常接近，分别为55.9%，55.5%，55.3%，56.3%。

利用IBM SPSS Statistics 19 软件对各试验组的产气数据进行差异显著性分析， 结果如表3 所示。

表3 分类有机垃圾厌氧消化时的产气和产甲烷性能Table 3 Gas and methane production performance of anaerobic digestion of sorted organic waste

由表3 可以看出，各试验组间的日均产气量、日均产甲烷量和平均甲烷含量数据均无显著差异。 这说明在进料浓度提高的情况下延长HRT，可使分类有机垃圾厌氧消化的产气效果没有显著差异，均可以正常进行。

从表3 还可以看出： 各试验组的单位VS 产气率均为540～590 mL/（g·d）， 单位VS 产甲烷率均为300～330 mL/（g·d）；C1 组的产气性能略好于另外3 个试验组， 单位VS 产甲烷率分别比其他试验组提升了9.1%，2.3%，6.1%， 差距均在10%以内。 以上数据表明，在不同进料浓度和HRT 组合条件下， 分类有机垃圾厌氧消化时的产气和产甲烷性能均能达到较好水平，可以利用延长HRT的方法使厌氧消化系统保持稳定高效运行。

2.2 物质降解率

在分类有机垃圾厌氧消化过程中，TS 和VS的去除率可用来衡量有机物的降解率。 在不同进料浓度和HRT 组合条件下，分类有机垃圾厌氧消化时的TS 和VS 平均去除率如图3 所示。 从图3可以看出， 厌氧消化过程中各试验组的平均TS去除率分别为58.1%，54.7%，59.4%和57.5%，平均VS 去除率分别为74.8%，73.6%，75.5%和74.3%，均处于较高的水平， 说明分类有机垃圾可通过厌氧消化使大部分的有机物得到降解。此外，各试验组的TS 和VS 平均去除率非常接近，没有明显的差异，这与各组的产气结果相一致。

图3 厌氧消化过程的TS 和VS 平均去除率Fig.3 Average removal rate of TS and VS during anaerobic digestion

2.3 系统稳定性

系统稳定性是评价厌氧消化效果的重要指标，可表征厌氧消化系统运行期间，系统的各项参数是否处于适宜范围内。一般情况下，这些参数包括pH 值、氨氮浓度、碱度、VFAs 浓度等，只有这些参数处于适宜的范围内， 厌氧消化系统才能够稳定运行。 本文对厌氧消化系统运行期间的各项参数进行定期测定，分析不同进料浓度和HRT 组合对厌氧消化系统稳定性的影响。

2.3.1 pH 值

在分类有机垃圾厌氧消化过程中，pH 值的变化情况如图4 所示。从图4 可以看出，随着厌氧消化的进行，4 个试验组的pH 值均有上升的趋势，从7.3 上升至7.8 左右，并一直保持稳定。 在厌氧消化过程中，产甲烷菌对酸碱度的变化十分敏感，其适宜的pH 值为7.3～8.0[10]。本试验中，厌氧消化系统的pH 值始终维持在最适范围内， 没有出现酸化现象，说明厌氧消化系统稳定性较好。

图4 厌氧消化过程中pH 值的变化情况Fig.4 Variation of pH during anaerobic digestion

2.3.2 氨氮浓度

在分类有机垃圾厌氧消化过程中， 氨氮浓度的变化情况如图5 所示。

图5 厌氧消化过程中氨氮浓度的变化情况Fig.5 Variation of ammonia nitrogen concentration during anaerobic digestion

在厌氧消化过程中， 当系统的氨氮浓度高于3 000 mg/L 时，就会产生抑制作用[11]。 从图5 可以看出，在厌氧消化期间，4 个试验组的氨氮浓度均维持在1 500～2 500 mg/L， 虽然浓度偏高但未超过抑制阈值，说明厌氧消化系统可以稳定运行。各试验组中，C1，C2 组的氨氮浓度呈现出逐渐降低的趋势，从初期的2 500 mg/L 左右一直下降到1 500 mg/L 左右，而C3，C4 组的氨氮浓度基本保持稳定在2 000～2 500 mg/L。 在一个HRT之后，C1 组的氨氮浓度最低，C4 组的氨氮浓度最高，即厌氧消化出料的氨氮浓度随进料浓度的提升而提高。

2.3.3 TAC 和VFAs 浓度

在厌氧消化过程中，TAC 对维持系统的缓冲能力有着重要作用。 有研究表明，当厌氧消化系统的TAC大于2 000 mg/L 时，系统具有较强的缓冲能力，能够抵抗一定的酸碱变化冲击[12]。 VFAs主要包括乙酸、丙酸、丁酸等，此类有机酸的积累会抑制产甲烷菌的生长。 有研究表明，当厌氧消化系统的VFAs 浓度超过13 000 mg/L 时，产甲烷菌的活性会受到明显抑制[13]。 厌氧消化稳定期间，系统的VFAs 浓度，TAC 以及TVFA/TAC 如表4 所示。

表4 厌氧消化稳定期间的VFAs 浓度和TACTable 4 Variation of VFAs concentrations and TAC during stable anaerobic digestion

由表4 可知：各试验组的TAC一直保持在9 000～12 000 mg/L，远高于2 000 mg/L，说明厌氧消化系统稳定性良好；随着进料浓度的提升，厌氧消化系统的TAC也有所提升，这也是系统在较高进料浓度下仍能保持稳定运行的重要原因。 在本研究中，VFAs 浓度的变化幅度（2 000～5 000 mg/L）较大，但未超过抑制阈值，没有对厌氧消化产生抑制。各试验组的VFAs 浓度也有所不同，且进料浓度越高，出料的VFAs 浓度也就越高。 一般来说，当系统的TVFAs/TAC 低于0.8 时，厌氧消化系统可以稳定运行。 在本研究中，TVFAs/TAC为0.2～0.5，故厌氧消化系统运行稳定。

总的来说， 系统稳定性的各项指标会随着进料浓度的不同而有所变化， 但都维持在合理的区间内，说明在进料浓度不断提升的情况下，可以通过延长HRT 的方法使分类有机垃圾厌氧消化系统保持稳定运行。

3 结论

在分类有机垃圾厌氧消化过程中， 提升进料浓度的同时延长HRT， 可保持有机负荷率不变，使不同试验组的产气产甲烷性能没有显著差异，均能达到良好的产气效果。 在不同进料浓度和HRT 组合条件下， 各试验组的日均产气量为15～17 L，日均产甲烷量为8～10 L，甲烷含量为56%左右， 单位VS 产甲烷率为300～330 mL/（g·d）；VS 降解率均能达到70%以上，实现了有机物的高效降解；在厌氧消化系统稳定运行期间，系统的pH 值保持在7.8 左右，氨氮浓度、碱度和VFAs 浓度均随着进料浓度的增加而升高， 但各项指标均在合理范围内， 厌氧消化系统能够保持稳定运行。 因此，通过调节HRT，分类有机垃圾可以以不同的含固率直接进料， 厌氧消化系统的各项性能无显著差异，厌氧消化系统能够稳定高效运行。