VFA 对餐厨垃圾两相厌氧发酵处理效率的影响

史春龙 李焕承 叶亨利

［1. 深圳市综合交通与市政工程设计研究总院有限公司，广东 深圳 618000；2. 地标（深圳）生物科技有限公司，广东 深圳 618000］

1 引言

餐厨垃圾具有含水量高，有机物、蛋白质丰富的特点，采取焚烧或填埋处理的方式将会造成一定程度的环境污染。在当前可持续发展理念指导下，实现餐厨垃圾资源化利用已成为当代社会发展的一项重要任务。目前我国餐厨垃圾资源化利用技术主要有厌氧消化、堆肥处理、饲料化处理等。其中，70%以上餐厨垃圾处理采取厌氧微生物发酵技术，利用中温厌氧微生物发酵技术处理餐厨垃圾废弃物，避免了餐厨垃圾饲料化而引起的动物同源性污染，实现了餐厨垃圾废弃物的无害化、资源化、减量化［1-5］。

厌氧发酵过程主要分为水解酸化、产氢产乙酸、产甲烷3 个阶段，而两相厌氧微生物发酵技术通过不同的控制条件把厌氧发酵分为水解酸化、产甲烷2个阶段［6］。水解酸化阶段是微生物将复杂的有机物质，如淀粉、蛋白质、脂肪等经过一系列的反应过程分解成简单的水溶性脂肪酸和醇类［7-9］，然后在酸化菌的作用下，将其转化为挥发性脂肪酸（VFA）的过程。产甲烷阶段是甲烷菌在合适的条件下将酸化阶段产物中的乙醇、有机酸、H2及CO2等物质分解合成为CH4和CO2［10-11］。

VFA 的控制是保证两相厌氧发酵过程的重要指标［12］，它既可以反映水解酸化、产氢产乙酸过程发酵微生物的反应效果，又可以指示产甲烷过程的发酵微生物以及酶作用的效果和稳定性。因此餐厨垃圾水解酸化是厌氧消化的高负荷、稳定化运行的关键环节，VFA 控制是保证整个厌氧发酵稳定化运行的重要参数。

本文选取深圳市某餐厨垃圾处理企业餐厨垃圾两相厌氧处理系统稳定运行状态下，连续1 个月的原浆液以及后续酸化工序和厌氧发酵工序出口浆料作为对象，探究两相厌氧系统中VFA 浓度与pH、TCOD 浓度以及去除率、总碱度等指标的关系，以期确定最适宜的VFA 浓度范围，为提升两相厌氧处理系统TCOD 去除率提供一定参考。

2 两相厌氧系统设计

2.1 设计工艺

在餐厨垃圾两相厌氧发酵处理系统中，餐厨垃圾经分选、破碎、提油、除砂等预处理后，调制成粒径≤5 mm 的原浆液，原浆液经水解酸化阶段和产甲烷阶段处理即产生沼气、沼液，沼气可进一步资源化利用，沼气用于发电，沼液制作有机肥［13］，油脂制作生物柴油［14］。

原浆液总硫（TS）约12%，TCOD 约130 000 mg/L。将原浆液输送到37 ℃水解酸化罐，水解酸化4 d，进一步去除油脂、杂质、沉砂后，浆液TS 约10%，TCOD约110 000 mg/L。水解酸化后浆液进入37 ℃厌氧罐，厌氧罐浆液（沼液）TS 约1.8%，TCOD 约10 000 mg/L。

2.2 设计参数

罐体设计参数见表1。

表1 罐体设计参数

2.3 检测指标及数据分析

本研究主要检测指标有VFA、pH、TCOD、碱度等，数据分析采用WPS2019 和SPSS17.0 完成。

3 运行结果分析

3.1 VFA 浓度与pH 的对应关系

连续稳定运行下，整个餐厨垃圾两相厌氧处理系统连续31 d 各类物料（浆液）平均VFA 浓度与pH见表2。

表2 稳定状态下物料VFA 浓度与pH

由表2 可知，物料浆液经酸化和厌氧发酵工序后pH 显著上升（P＜0.01）；VFA 浓度有所不同，酸化后VFA 浓度显著增加（P＜0.01），厌氧发酵后则迅速下降，浓度极显著低于原浆液浓度（P＜0.01）。

3.2 VFA 浓度与TCOD 去除率的关系

连续稳定运行下，整个餐厨垃圾两相厌氧处理系统连续31 d 厌氧发酵罐进料VFA 浓度与TCOD去除率见图1。

图1 厌氧发酵罐中进料VFA 浓度与TCOD 去除率变化

由图1 可知，进料VFA浓度稳定在9 033.52±1 033.74 mg/L 时，TCOD 去除率为82.96%以上，最高达90.76%。

厌氧发酵过程中，以连续31 d 进料VFA 浓度为自变量，以厌氧发酵后TCOD 去除率为因变量，通过SPSS17.0 进行线性回归模型分析，得到表3 和线性回归方程式。

表3 厌氧发酵罐去除率与进料VFA 浓度统计

线性回归方程式：TCOD 去除率=0.001VFAin+81.304，调整R2=16.2%，P=0.014。调整R2指原始数据与回归方程的匹配度；进料P=0.014＜0.05，说明自变量能够显著影响因变量。即可说明，进料VFA 浓度可以显著影响厌氧发酵罐TCOD 去除率，但匹配率只有16.2%，进一步说明还有其他因素影响TCOD去除率。

3.3 VFA 浓度和出料总碱度的对应关系

连续稳定运行下，整个餐厨垃圾两相厌氧处理系统连续31 d 厌氧发酵罐进料VFA 浓度与出料总碱度（Total Alkalinity，TAL，以CaCO3计）浓度的变化见图2。

图2 厌氧发酵罐中进料VFA 浓度与出料TAL 浓度变化

由图2 可知，进料VFA 浓度稳定在9 033.52±1 033.74 mg/L 时，出料TAL 浓度稳定在9 616.23±534.90 mg/L。

厌氧发酵过程中，以连续31 d 进料VFA 浓度为自变量，以厌氧发酵后出料TAL 浓度为因变量，通过SPSS17.0 进行线性回归模型分析，得表4 和线性回归方程式。

表4 厌氧发酵罐进料VFA 浓度及出料TAL 浓度统计

线性回归方程式：TALout=-0.221VFAin+11 608.320，调整R2=15.3%，P=0.017。调整R2指原始数据与回归方程的匹配度；P=0.017＜0.05，说明自变量能够显著影响因变量。即可说明，进料VFA 浓度可以显著影响厌氧发酵罐出料TAL 浓度，但匹配率只有15.3%，进一步说明还有其他因素影响厌氧发酵罐出料TAL浓度。

4 结论

利用SPSS 软件对餐厨垃圾工业化稳定运行进行数据分析，结论如下：

（1）VFA 浓度直接影响pH 的变化。原浆液的VFA 浓度在1 229.52±306.44 mg/L，说明餐厨垃圾在运送到处置地已经发生水解酸化。浆液VFA 浓度增加到9 033.52±1 033.74 mg/L，pH 从3.71 直接增加到4.76，数据变化反映酸化微生物菌群的变化。

（2）VFA 浓度对TCOD 降解率有显著影响。水解酸化后浆液进入产甲烷阶段的VFA 浓度显著影响TCOD 去除率，符合产甲烷菌的反应规律。软件SPSS分析还有其他影响因素，推断为餐厨垃圾存在不易降解的有机物影响TCOD 的降解率。

（3）VFA 浓度对TAL 具有冲击负荷。水解酸化后的浆液序批式进料，VFA 对产甲烷阶段具有一定的冲击负荷［15］，影响TAL 的变化。

综合分析，在反应温度、酸化停留时间、厌氧停留时间、搅拌方式等外部条件固定的情况下，VFA 控制基本满足餐厨垃圾两相厌氧发酵系统工业化、稳定化运行控制要求。