有机负荷对餐厨垃圾厌氧消化性能影响及动力学分析

赵婉情, 阳 红, 刘海鑫, 黄 飚, 孙春江, 易卫华, 刘 军

(中船重工环境工程有限公司, 湖北 武汉 430000)

在碳减排、碳中和的背景下,固体废物的减量化、资源化和无害化已成为未来垃圾处理的首要原则。我国生活垃圾清运量逐年增加,2020年增至2.35亿吨[1],其中餐厨垃圾占比达50%甚至更高[2-3]。若不对餐厨垃圾进行妥善处理,会造成资源浪费甚至是污染周围环境。与堆肥等工艺相比,厌氧消化具有适应性强、对环境的影响较小、处理基质范围广等优势[4],生产的沼渣可用作生物肥料且具有高能量回收潜力,是处理餐厨垃圾重要途径之一。

餐厨垃圾与污泥和动物粪便的共消化已成为普遍方式,但单独处理餐厨垃圾往往是比较困难的[5],主要原因是餐厨垃圾中含有的高蛋白导致氨抑制,进而导致挥发性脂肪酸(VFA)的积累影响反应[6]。为了实现厌氧消化稳定运行,有机负荷通常较低,Banks[7]等研究的最适负荷为2.25 kgVS·m-3d-1,曹秀芹[8]等研究餐厨垃圾湿式厌氧消化最佳有机负荷为2.94 kgVS·m-3d-1。因此,需调控系统参数,在系统稳定运行的前提下提高最佳有机负荷。

本研究在混合式厌氧消化反应器(CSTR)中进行有机负荷的梯度实验,通过分析反应器日产气量、吨VS产气量、VFA、碱度等性能参数,探讨不同负荷对消化系统运行的影响并确定最佳有机负荷;开展批次生化产甲烷潜力(BMP)试验研究不同负荷的产甲烷动力学特性,以期能促进中小型餐厨垃圾厌氧消化工程的快速推广。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

餐厨垃圾取自食堂餐厅,进行人工筛选,手工分拣出骨头、鱼刺,放入粉碎机粉碎,调整含固率至18%左右。粉碎后的餐厨垃圾密封保存于4℃条件下。使用时,提前从冰箱中取出,放置室温下自然解冻。消化液取自余江鹰潭餐厨垃圾处理厂的餐厨垃圾消化液,基本性质为VFA浓度为800 mg·L-1,pH值为7.8。

1.2 试验装置

本试验装置如图1所示,装置为容积50 L的CSTR,其中有效厌氧消化容积为40 L,高径比为1∶1,材质为有机玻璃。装置外侧设有水浴层夹层,通过与水浴锅连接,控制消化温度38 ℃左右,内部设置潜水搅拌器。由于餐厨垃圾浆料比较粘稠,采用进料筒进行定量进料,同时设置电动推杆,实现自动定时定量进料。

图1 反应器装置和进料装置图

1.3 试验方法

本试验厌氧反应器持续运行145 d,运行阶段期间有机负荷从0.72 kgVS·m-3d-1逐步提高至3.86 kgVS·m-3d-1,其负荷提高过程为0.72、0.88、1.32、1.83、2.67、3.15、3.39、3.86 kgVS·m-3d-1,各负荷运行时间不等。期间检测消化液pH值、总碱度(以CaCO3计)、氨氮、VFA,并通过流量计和沼气分析仪监测沼气产量和沼气成分,所有指标都实时汇总到高效厌氧消化工艺失稳预警和稳定调节系统内。

1.4 分析方法

试验过程涉及到的检测项目与分析方法见表1。

表1 检测项目与分析方法

1.5 厌氧消化产甲烷动力学特性研究

本试验使用Modified Gompertz(MG)产甲烷模型探究厌氧消化过程中有机物降解和产甲烷机制。模型的方程式如公式(1)所示,不同有机负荷的最大产甲烷潜力、最大产甲烷日产量和迟滞期等三项动力学参数可以通过生化产甲烷潜力(BMP)实验数据结合origin软件拟合计算出来。

式中:p为累计甲烷产量,mL·g-1VS;Pmax为最大产甲烷潜力,mL·g-1VS;Rmax为最大甲烷日产量,mL·g-1VSd-1;λ为产甲烷迟滞期,d;t为发酵时间,d;e为欧拉常数,2.718。

研究1、2、3、4、5 kgVS·m-3d-1负荷下餐厨垃圾厌氧消化产甲烷动力学特性。BMP实验是指通过测试获取单位原料在特定的厌氧消化条件下最大可能产生的甲烷产量。BMP厌氧消化装置由厌氧消化瓶、NaOH溶液瓶和量筒组成,将400 mL消化液装入500 mL的厌氧消化瓶和不同量原料后充分摇匀,用氮气吹扫5 min置换顶部空气,随即密封后浸置于数显恒温水浴锅中进行中温(36±1)℃批式厌氧消化。甲烷气体的收集采用NaOH溶液(浓度5%)排水集气法,保证厌氧消化过程中产生的CO2、H2S 等酸性气体能被NaOH溶液吸收,排出的NaOH溶液体积即产甲烷量。在BMP 实验只检测甲烷产量以及厌氧消化反应前后的样品的理化性质,如pH值、VFA、氨氮、碱度等理化指标。

2 结果与讨论

2.1 产气量变化与分析

日产气量和甲烷含量随时间和有机负荷变化如图2所示。在整个厌氧消化期间,两者均波动变化,变化趋势为随有机负荷的提高日产气量波动上升,而甲烷含量随有机负荷的提高波动下降。有机负荷从0.72 kgVS·m-3d-1升至1.83 kgVS·m-3d-1阶段日产气量变化较大,从6.18 L升至70 L左右;而有机负荷从3.15升至3.86 kgVS·m-3d-1运行阶段日产气量变化较小,在80～110 L波动变化,第121天日产气量达到峰值120.86 L。

图2 不同有机负荷下日产气量和甲烷含量变化图

甲烷含量除去第1天68.6%外,其余均在53%～63%内小幅度变化。甲烷含量随有机负荷每一阶段的提高而小幅度下降,但会出现突然上升5%左右的情况,例如第47天、99天、127天甲烷含量增加,同时日产气量下降,可能是由于周末期间进料略微减少导致的。有机负荷从0.72升至1.83 kgVS·m-3d-1阶段的平均甲烷含量比3.15升至3.86 kgVS·m-3d-1阶段的高4%,2.67 kgVS·m-3d-1阶段的平均甲烷含量与整个厌氧消化运行的持平。可能是厌氧消化中产酸菌和产甲烷菌维持平衡时系统运行良好,而继续提高负荷时,水解酸化阶段快而产甲烷阶段慢,两类菌群平衡被打破,造成二氧化碳含量升高而甲烷含量降低。

2.2 容积产气率与吨VS产气量变化与分析

吨VS产气量和容积产气率随时间和有机负荷变化如图3所示。有机负荷从0.72升至1.83 kgVS·m-3d-1阶段吨VS产气量和容积产气率均随着负荷的提高而波动上升,负荷提高至2.67 kgVS·m-3d-1后,容积产气率总体仍波动上升,但吨VS产气量波动下降。因为吨VS产气量不仅与产气量有关,也与进料量有关,当负荷从1.83升至2.67 kgVS·m-3d-1时进料量从400 g增加至600 g,提高了50%,但平均产气量从59 L提高至69 L左右,仅提高了17%。因此吨VS产气量随有机负荷的提高而降低。

图3 不同有机负荷下吨VS产气量和容积产气率变化图

吨VS产气量在负荷0.72 kgVS·m-3d-1升至1.83 kgVS·m-3d-1阶段在800 m3·t-1VS上下波动,2.67升至3.86 kgVS·m-3d-1阶段在650 m3·t-1VS上下波动。容积产气率在负荷0.72升至0.88 kgVS·m-3d-1阶段低于1 L·L-1,在负荷1.32升至2.67 kgVS·m-3d-1阶段处于1～2 L·L-1,与郭晓慧[9]等反应器在负荷2.5 kgVS·m-3d-1下容积甲烷产率为1.0 L·L-1的研究结果相似;在负荷升至3.15 kgVS·m-3d-1后的阶段处于2～2.5 L·L-1,这比史绪川[10]等在负荷3.7 kgVS·m-3d-1时最高容积产气率3.51 L·L-1的研究结果低,可能是后期反应器出现VFA积累,系统变得不太稳定,产气并没随着负荷增加而增多。

2.3 VFA和碱度变化与分析

VFA是厌氧消化过程生成甲烷的中间产物,它们的积累是对整个系统性能有显着影响的参数之一[11]。VFA和碱度随时间和有机负荷变化如图4所示,两者变化趋势相反,VFA随负荷的提高波动上升,碱度随负荷的提高波动下降,且VFA上升幅度比碱度下降幅度大。VFA在负荷0.72升至1.32 kgVS·m-3d-1阶段低于1000 mg·L-1,在负荷1.83升至3.15 kgVS·m-3d-1阶段处于1000～2000 mg·L-1,在负荷3.39 kgVS·m-3d-1后的阶段逐渐升至4000 mg·L-1。碱度在13000～15000 mg·L-1波动,负荷2.67 kgVS·m-3d-1前在14500 mg·L-1上下波动,而负荷升至2.67 kgVS·m-3d-1后的阶段碱度明显下降,降至13500 mg·L-1左右。

图4 不同有机负荷下VFA和碱度变化图

当进料负荷超过3.15 kgVS·m-3d-1之后,碱度随之出现较大波动下降的变化,系统内碱度的缓冲作用下降,导致系统消化运行不稳定,VFA持续上升。LI[12]等认为VFA小于3000 mg·L-1且酸碱比在0.10～0.35范围内时系统运行稳定。在负荷3.15 kgVS·m-3d-1阶段,系统内VFA在2000 mg·L-1左右波动,酸碱比在0.1～0.15,说明此负荷是最佳运行负荷。

2.4 不同负荷单位累积甲烷产量的动力学分析

将各负荷累计产甲烷曲线采用 Origin 2019进行非线性曲线拟合,拟合结果如图5,所得参数见表2,其中系列1、2、3、4、5代表负荷1、2、3、4、5 kgVS·m-3d-1。由图5可知,5个负荷下厌氧消化SMP 累积产量随着负荷的升高而提高并且未出现酸化抑制现象,有机负荷从1 kgVS·m-3d-1增加至5 kgVS·m-3d-1时,最大产甲烷量升高59.87%。反应初期不同负荷的甲烷产量累积量相对较小且差距不大,在第6天后产甲烷量开始有较大的区别,反应第15天后产甲烷能力均下降,日产甲烷量下降。可继续增加有机负荷研究厌氧消化系统不致酸化的最优有机负荷。

图5 不同有机负荷下产甲烷数据及GM模型拟合效果

表2 不同有机负荷下拟合参数

由表2可知修正后的R2均大于0.994,说明MG模型可以很好描述不同负荷下餐厨垃圾厌氧消化产甲烷过程。表2可知随负荷的增加,最大产甲烷量和最高产甲烷率均增加,与周慧敏[13]等最高产甲烷率先减少后增加的结论不同,可能是因为周慧敏等的研究所选定的负荷较大,最低负荷达到8.93 kgVS·m-3d-1,本试验中选取的5个负荷均小于其研究的最低值;而与Dinh[14]等的结论相同,可能是因为Dinh等的研究负荷与本试验均较小,说明不同的负荷范围下系统的动力学参数变化规律不同。5个负荷均存在不同程度的延滞期,负荷为5 kgVS·m-3d-1延滞期最高,为2.3天。

3 结论

(1)50 L厌氧消化系统的进料负荷逐步增加至3.86 kgVS·m-3d-1仍运行正常,日产气量、容积产气率和VFA随着负荷的增加而波动上升,其中容积产气率最后在2.5 L·L-1左右波动,VFA升至4000 mg·L-1;而吨VS产气量和碱度下降,其中吨VS产气量从运行开始的1000降至650 m3·t-1VS。

(2)通过实验数据分析发现,当有机负荷为 3.15 kgVS·m-3d-1时,餐厨垃圾厌氧消化系统中运行效果最佳,VFA在2000 mg·L-1左右波动,酸碱比在0.1～0.15,日产气量在80～100 L,容积产气率在2～2.25 L·L-1,系统达到最优运行状态。

(3)开展有机负荷1、2、3、4、5 kgVS·m-3d-1的BMP试验,MG模型适合描述厨垃圾厌氧消化过程,每个负荷均存在延滞期,且最大产甲烷量和最高产甲烷率均随着负荷的增加而提高。