餐厨废水和固渣厌氧发酵试验研究

谭业琴

（甘肃驰奈生物能源系统有限公司，兰州 730000）

我国餐厨垃圾含水率高，一般为80%～90%，伴随着餐厨垃圾的处理，餐厨废水和固渣的处理问题浮现，成为餐厨垃圾处理工艺的技术瓶颈。餐厨废水属于高浓度有机废水，COD保持在80 000～120 000 mg/L，含固率和含油量非常高，目前，国内餐厨垃圾处理企业大多采用中温厌氧发酵工艺，处理效果不太理想，产沼气性能也不稳定[1]。餐厨垃圾处理行业还未颁布废水排放标准，但随着环保要求的提高，餐厨废水的排放标准将日益严格。对于餐厨垃圾固液分离的残渣，其含水率依然偏高，一般为60%～70%，含油率为0.5%～0.8%，多呈糊状，脱水极其困难，目前大多采用好氧堆肥或厌氧堆肥进行处理，但堆肥周期长、占地面积大、易散发恶臭，所以餐厨废水和固渣的处理成为大多数餐厨垃圾处理厂的棘手问题[2]。本文通过3 组小试，重点探究接种物、含固率对餐厨废水和固渣厌氧发酵的影响，旨在为整个餐厨垃圾处理行业的发展提供一定理论支持，为工程运行积累一些可借鉴的经验。

1 中温厌氧发酵的理论基础

废水的厌氧发酵是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼养微生物）的作用，将废水中的各种复杂微生物分解转化为甲烷和二氧化碳等物质。一般将其分为水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段[3-4]。根据含固率的不同，厌氧发酵分为湿法（含固率8%～10%）和干法（含固率20%～40%）两种[5]。根据温度，厌氧发酵可分为常温发酵、中温发酵和高温发酵。常温发酵温度随环境温度改变，产气性差，沼气产量不稳定，因而实际工程较少采用；中温发酵温度为30～35 ℃，稳定性较高，沼气产率高，沼气产量平衡而且稳定，目前被广泛用于中型或者大型沼气项目中；高温发酵温度为50～55 ℃，容积负荷高，沼气产率高，停留时间短，但因能耗较高而应用不广泛。

2 试验方案

本试验采用单相序批式厌氧消化，一次性完成进料，消化温度为35 ℃（±3 ℃）。采用3 套立式发酵反应器进行同步试验。按照比例，将接种物厌氧污泥和牛粪加入餐厨垃圾浆液中，然后装入反应器中密封，定期进行机械搅拌并开启沼液回流系统，进行加热保温，启动试验进行厌氧消化。

1#发酵罐采用餐厨浆液湿式动态厌氧发酵，含固率为8%～10%，接种厌氧污泥。2#发酵罐采用餐厨浆液湿式动态厌氧发酵，含固率为8%～10%，接种牛粪。3#发酵罐采用餐厨垃圾离心机分离后的残渣进行干式静态厌氧发酵，含固率为17.48%，接种厌氧污泥。

2.1 试验目的

一是在相同接种比的情况下，探究接种物种类对厌氧发酵效果的影响。二是在相同接种物的前提下，探究不同含固率对产气性能的影响。

2.2 含固率的确定

为了便于工程实际推广应用，处理工序不宜过于烦琐，本试验采用卧螺离心机分离的餐厨废水进行厌氧消化，相比现有的利用废水发酵产沼气工艺，含固率有了较大的提高，但1#发酵罐、2#发酵罐仍控制在湿式发酵的范畴，以便对发酵物料进行机械搅拌，保证获得较高的产气量[2]，又不会因过高的有机负荷率破坏系统的消化稳定性和沼液回流效果，本试验1#发酵罐、2#发酵罐含固率均为8%～10%，3#发酵罐含固率为20%左右。

2.3 接种物及接种比例的确定

试验所采用的接种物为厌氧污泥和牛粪。有研究认为，添加接种物有助于缓解挥发酸的积累，并加速试验的启动，提高产气量。接种比例一般为20%～30%（质量分数，以含固率计，下同）[4-5]，本试验选择的接种比例为20%～25%。

2.4 主要指标测定周期的确定

本次中温厌氧消化试验指标的测定分为两组，一组每天测量，指标包括温度、pH、产气量和沼气气体组分；另一组每3 天进行取样，测定沼液的COD、氨氮（NH3-N）、挥发性脂肪酸（VFA）和含固率。含固率与含水率测定采用烘干法。将垃圾样品在105 ℃温度下除去水分，烘至恒重，得到干物质（总固体，TS）。含固率（总固体含量）常用百分数表示，其与含水率之和为100%。pH 测定采用数字pH 计。COD 测定采用重铬酸钾滴定法，仪器为5B-3C 型COD 快速测定仪。VFA 测定采用滴定法。沼气产量测定采用排水集气法。气体成分分析（CH4、CO2）采用便携式沼气分析仪。

3 试验装置与材料

3.1 试验装置

试验装置主要由3 个立式发酵反应器、3 个排水集气桶、3 套沼液收集回流装置构成，立式发酵反应器配有温控系统和搅拌系统。发酵反应器为铁制反应器，容积约为0.2 m3，反应器内外层之间填充加热线、保温层和温度探头进行加热保温和温度控制。1#发酵罐和2#发酵罐设置立式搅拌机，促进反应器内物料温度的稳定，加速发酵试验启动。

3.2 试验材料

一是餐厨垃圾浆液。其主要成分是卧螺离心机分离后的餐厨废水和残渣，餐厨废水的含固率为11.1%，残渣含固率为25%。二是接种物。一种接种物为取自升流式厌氧污泥床（UASB）发酵罐的絮状厌氧污泥，含水率约为94%，另一种接种物为养殖场的牛粪，含水率约为93%。三是调节药剂。其包括备用葡萄糖粉末、FeCl3粉末和片碱。进料记录如表1所示。进料包括餐厨废水（或固渣）、厌氧污泥和牛粪。

表1 发酵罐进料记录

4 结果分析

下面从3 个方面分析餐厨废水和固渣厌氧消化试验结果。一是厌氧消化过程中沼液各指标的变化情况，二是厌氧消化每日产气量，三是沼气的组分变化情况。

4.1 厌氧消化过程中沼液各指标的变化情况

4.1.1 沼液pH 的变化情况

1#发酵罐和2#发酵罐进料的pH分别为3.6和3.5，从图1 可看出，发酵初始6 d，pH 呈逐渐上升趋势，但上升至5.6 左右，出现停滞现象，为缓解酸抑制，第6 天往1#发酵罐和2#发酵罐分别添加15 g NaOH调节pH，添加方法为先放出部分沼液，加入NaOH 完全溶解后，再将其加入发酵罐内，然后开启搅拌使罐内物料混合均匀。在第7天，2 个发酵罐pH 分别上升至6.37 和5.89，调节作用不太明显，故选择在第8天，往1#发酵罐和2#发酵罐分别添加400 g NaOH 进一步调节pH，2 个发酵罐pH 分别上升至8.22 和7.25，但第10天，发酵罐pH 分别回落至6.01 和6.14，随后1#发酵罐pH 逐渐上升，成功度过产酸阶段，而2#发酵罐pH 一直处于5.5～6.1，一直未实现正常产沼气，发酵至35 d 左右，pH 均出现回落。随后，1#发酵罐pH 回归正常水平，且能稳定在7.0 左右，而2#发酵罐pH 一直处于7.0 以下，未能正常进入产甲烷阶段。

图1 1#发酵罐与2#发酵罐沼液的pH 变化趋势

4.1.2 沼液COD 的变化情况

厌氧消化过程中，每个发酵罐沼液的COD 变化情况如图2 所示。从图2 可以看出，随着发酵的进行，1#发酵罐和2#发酵罐沼液中的COD 都呈现下降趋势，因为水解产酸菌和产甲烷过程的进行，有机物被大幅度降解，1#发酵罐顺利度过了产酸阶段，所以COD 下降得更快，最后出水COD 稳定在10 000～20 000 mg/L，而2#发酵罐因停滞在产酸阶段，COD 降解幅度较小，由此可知，酸抑制对有机物降解过程有较大的影响。

图2 1#发酵罐和2#发酵罐沼液中的COD 变化趋势

4.1.3 沼液VFA 的变化情况

从图3 可以看出，随着发酵的进行，1#发酵罐和2#发酵罐沼液中的VFA 从开始阶段的2 000～3 000 mg/L 逐渐上升，这是因为在水解酸化阶段，餐厨废水中的蛋白质、脂类等长链大分子有机物分解产生大量的VFA，在发酵进行15 d 以后，2 个罐中的VFA 均出现下降趋势，标志着发酵罐已顺利进入产甲烷阶段，VFA 已被产甲烷菌用来产甲烷。

图3 1#发酵罐和2#发酵罐沼液中的VFA 变化趋势

4.2 厌氧消化每日产气量

因为2#发酵罐出现酸抑制现象，未能实现正常产气，所以主要对1#发酵罐和3#发酵罐的产气情况进行分析，如图4 所示。从图4 可得，1#发酵罐和3#发酵罐在发酵初始，产气量较小，随着水解酸化的进行，系统产生大量的H2和CO2，而后进入产甲烷阶段，产气量总体呈现上升趋势，但3#发酵罐产气量高于1#发酵罐，这是由于3#发酵罐含固率较高，有机物浓度高。发酵至25 d 和42 d 左右，3#发酵罐均出现产气高峰，原因是3#发酵罐添加了葡萄糖粉末和FeCl3，葡萄糖为厌氧菌提供了营养物质，而FeCl3为菌类生长补充了营养元素。

图4 1#发酵罐和3#发酵罐的产气量变化趋势

4.3 沼气的组分变化情况

从图5 可知，1#发酵罐和3#发酵罐沼气中的CH4在发酵初始，含量较低，这是因为前期为水解酸化阶段，产生大量的H2和CO2，随着产甲烷过程的进行，CH4含量逐渐升高，但3#发酵罐始终高于1#发酵罐，发酵至25 d 和42 d 左右，CH4含量明显升高，这是由于3#发酵罐含固率较高，且添加葡萄糖粉末和FeCl3，为产甲烷菌提供丰富的营养物质。随着发酵的进行，3#发酵罐甲烷含量渐渐趋于稳定，最后稳定在50%～65%。

图5 1#发酵罐和3#发酵罐的沼气组分变化趋势

5 结论

2 个多月的试验表明，在相同接种比的前提下，选择厌氧污泥作为餐厨废水接种物的效果较好，不宜单独采用牛粪。在接种厌氧污泥的基础上进行试验，结果发现，相比餐厨废水湿法厌氧发酵，固渣干法厌氧发酵启动较快，产沼气量较大，且沼气中甲烷含量较高。厌氧发酵期间，适当添加FeCl3和葡萄糖，有助于产气量的增加，且沼气中甲烷含量也有一定升高。虽然固渣干法厌氧发酵的产沼气量较大，但是考虑实际进出料的方便，含固率不宜太高，建议控制在30%以下，实际工程运行中，进出料困难是目前固渣干法厌氧发酵需要解决的主要问题。