餐廚垃圾中高溫厭氧發(fā)酵的產(chǎn)沼動(dòng)力學(xué)模擬及比較研究

施宇森　應(yīng)李廣　黃順寅　俞奔　洪鈺婷　曹玉成

摘 要：通過批式試驗(yàn)研究了中溫和高溫2種工藝溫度下餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)率及其動(dòng)力學(xué)特征。結(jié)果表明：試驗(yàn)第33天，中溫和高溫處理系統(tǒng)比沼氣產(chǎn)率分別達(dá)到706.14L/kg、897.80L/kg。Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型均可以用來模擬餐廚垃圾中高溫發(fā)酵產(chǎn)沼動(dòng)力學(xué)過程，其中Gompertz模型具有更高的擬合度（R2>0.99），預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值之間的吻合程度更高（相對(duì)均方根誤差RRMSE<0.03，模型效率ME>0.99）、擬合求得的中溫和高溫系統(tǒng)最大沼氣產(chǎn)氣潛能分別為0.43m3·d-1、0.64m3·d-1，產(chǎn)氣遲滯期分別為4.65d、3.65d，表明高溫處理系統(tǒng)的產(chǎn)沼性能優(yōu)于中溫處理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾;厭氣發(fā)酵;比沼氣產(chǎn)率;動(dòng)力學(xué)模擬

中圖分類號(hào)? TS201.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）13-0155-04

Abstract： In this study， a batch experiment was conducted to study specific biogas production and kinetic characteristics of the anaerobic digestion of food waste at mesophilic and thermophilic conditions. Three kinetic models including the transference model， the modified gompertz model and the modified logistic model were considered to evaluate the biogas yield potential， the maximum biogas production rate and the duration of lag phase. Values of the specific biogas production were found to be 706.14L/kg for the mesophilic process and 897.80L/kg for the thermophilic process. The three kinetic models were proven to be suitable for predicting the biogas production of the two digstion process systems， and the modified Gompertz model was the best approach to fitting the experimental results （R2>0.99， RRMSE <0.03 and ME >0.99）. According to the modified Gompertz model， the maximum biogas production rate and the duration of lag phase were estimated as 0.43m3/d and 4.65d for the mesophilic process， respectively， and as 897.80 L/kg and 0.64 m3/d for the thermophilic process， respectively. The results indicated that the thermophilic digestion treatment of food waste could be better than the mesophilic digestion treatment in biogas production performance.

Key words： Food waste; Anaerobic digestion; specific biogas production; Kinetic modelling

餐廚垃圾資源化利用一直是國(guó)內(nèi)外環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，也是當(dāng)前我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)推進(jìn)的環(huán)保民生工程之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)餐廚垃圾年產(chǎn)量高達(dá)1.58×108t。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和居民生活水平的提高，餐廚垃圾的產(chǎn)生量必將持續(xù)增加。長(zhǎng)期以來，我國(guó)對(duì)餐廚垃圾的處置主要采用填埋、焚燒和飼料化利用3種方式[1]。填埋占用有限的土地資源，同時(shí)也難以避免向空氣、水體以及土壤環(huán)境中排放污染物。焚燒具有減量化徹底、可完全滅絕有害生物、并可部分回收能源等優(yōu)點(diǎn)，但是，焚燒處置不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量攜帶多種有毒有害物質(zhì)的煙氣，而這些有毒有害物質(zhì)的有效清除和凈化需要大量的設(shè)施投入和較高的運(yùn)行費(fèi)用。飼料化利用可實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的資源化，但具有潛在的食物鏈風(fēng)險(xiǎn)，并容易滋生眾多環(huán)境衛(wèi)生問題。

厭氧消化是一種基于厭氧生物轉(zhuǎn)化機(jī)理的廢棄物穩(wěn)定化、減量化和能源化處理技術(shù)，具有反應(yīng)條件溫和、運(yùn)行成本低、二次污染小等優(yōu)點(diǎn)。通?？蓪U物中近50%的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成沼氣，所生成的沼氣是一種可代替煤、天然氣等化石燃料的清潔能源，產(chǎn)生的沼液和沼渣營(yíng)養(yǎng)成分含量高，可直接或簡(jiǎn)單處理后替代化肥還田利用。因此，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于畜禽糞污、污水處理廠污泥等富含有機(jī)質(zhì)廢物的處理[2-4]。而餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)和水分含量高，蘊(yùn)含著大量生物質(zhì)能，其高含水特性又為這類垃圾的厭氧消化能源轉(zhuǎn)化提供了有利條件。近年來，我國(guó)許多地區(qū)正在掀起的生活垃圾分類工作為餐廚垃圾厭氧消化等能源化利用的產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造了極為有利的市場(chǎng)和政策條件。

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)研究可以獲取產(chǎn)氣速率、最大產(chǎn)氣潛能等特征參數(shù)，對(duì)于工藝優(yōu)化和指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)市政污泥和畜禽糞污厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)開展了比較深入細(xì)致的研究，但對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特征的研究還較為欠缺，特別是對(duì)餐廚垃圾中高溫厭氧發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的比較研究還較少涉及[5]。為此，本試驗(yàn)以餐廚垃圾為供試材料，通過中試規(guī)模的批式試驗(yàn)研究中溫和高溫2種工藝溫度下餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)生量，在此基礎(chǔ)上，利用Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型模擬產(chǎn)沼過程，獲取相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以期為餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料 餐廚垃圾取自浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)食堂，主要組成為米飯、蔬菜、肉類和水產(chǎn)品等。采集后先用大孔篩網(wǎng)篩除骨頭、飲品盒、塑料袋和紙巾等粗雜物，然后置于塑料桶中用強(qiáng)力攪拌機(jī)進(jìn)行破碎均質(zhì)化處理，再采用小孔篩網(wǎng)（孔徑5mm）篩除細(xì)雜質(zhì)后用于試驗(yàn)，并取樣分析基本理化性質(zhì)（pH6.78，TS7.82%，VS68.84g/L，VS/TS95.50%）。接種泥取自杭州臨安正興畜牧有限公司豬場(chǎng)糞污處理站UASB反應(yīng)罐厭氧消化泥（沼渣），接種量10L。

1.2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行 試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2套相同構(gòu)造的CSRT中試反應(yīng)器平臺(tái)，每套CSRT反應(yīng)器容積220L，工作容積180L。各反應(yīng)器平臺(tái)均配有加熱溫控裝置、攪拌器、進(jìn)料孔、出料孔和沼氣及甲烷產(chǎn)量在線計(jì)量系統(tǒng)。試驗(yàn)采用一次投料和出料的批試運(yùn)行方式，投料前先將接種泥分別置于2套試驗(yàn)裝置中（溫度分別控制在35℃和55℃）孵化15d（以去除殘留有機(jī)物），然后將經(jīng)預(yù)處理的餐廚垃圾由經(jīng)進(jìn)料孔投入反應(yīng)器。試驗(yàn)期間每3d記錄1次沼氣和甲烷產(chǎn)量，并換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃、101.325kPa）下的氣體體積。

1.3 動(dòng)力學(xué)模擬分析方法 分別采用Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型對(duì)累積產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[5-7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 比沼氣產(chǎn)率的時(shí)間變化 比沼氣產(chǎn)率表示投入反應(yīng)器的單位有機(jī)質(zhì)（以VS計(jì)）所產(chǎn)生的沼氣量（L/kg）。圖1為餐廚垃圾中溫（35℃）和高溫（55℃）厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)率情況。從圖1可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，2組反應(yīng)器系統(tǒng)比沼氣產(chǎn)率均呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，且高溫處理系統(tǒng)比沼氣產(chǎn)率始終高于中溫系統(tǒng);至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)（第33天），中溫和高溫系統(tǒng)比沼氣產(chǎn)率分別達(dá)到706.14L/kg、897.80L/kg。

2.2 Transference模型模擬與驗(yàn)證 運(yùn)用Transference模型[公式（1）]對(duì)2組厭氧發(fā)酵處理系統(tǒng)批式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，并進(jìn)行模型統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證分析，結(jié)果如圖2和表1所示。表1中相對(duì)均方根誤差（RRMSE）和模型效率（ME）反映模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間的整體偏差，RRMSE傎越?。ㄈ≈捣秶?～∞）或ME越大（取值范圍-∞～1），表明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間越接近。

由表1可知，Transference模型具有較高的擬合度（R2>0.970），模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間吻合程度較好，表明Transference模型可以用來描述厭氧發(fā)酵處理系統(tǒng)在批式運(yùn)行條件下產(chǎn)氣過程。對(duì)比中高溫2套厭氧發(fā)酵處理系統(tǒng)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高溫系統(tǒng)最大沼氣產(chǎn)氣潛能（0.66m3·d-1）明顯高于中溫系統(tǒng)（0.40m3·d-1），其產(chǎn)氣遲滯期（1.57d）略小于中溫系統(tǒng)（1.95d），表明其工藝性能要好于中溫系統(tǒng)。

2.3 修正的Gompertz模型模擬與驗(yàn)證 運(yùn)用修正的Gompertz 模型[公式（2）]對(duì)2組處理系統(tǒng)沼氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并進(jìn)行模型統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證分析，結(jié)果見圖3和表2。由表3可知，修正的Gompertz模型可以很好地模擬餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼動(dòng)力學(xué)過程（R2>0.97，RRMSE<0.03，ME>0.99）。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中溫和高溫處理系統(tǒng)最大沼氣產(chǎn)氣潛能分別為0.43m3·d-1、0.64m3·d-1，兩者產(chǎn)氣遲滯期分別為4.65d、3.65d。

2.4 修正的Logistic模型模擬與驗(yàn)證 圖4為修正的Logistic模型f（C，B，Rb，λ）與反應(yīng)時(shí)間（t）之間的非線性回歸曲線，表3列出了擬合參數(shù)以及模型統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證參數(shù)值。由圖4和表3可知，Logistic模型具有較高的擬合度（R2>0.98），模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間也高度吻合（RRMSE<0.06，ME>0.99）），表明該模型可以用來描述試驗(yàn)條件下厭氧發(fā)酵處理餐廚垃圾的產(chǎn)沼過程。對(duì)比中高溫2套處理系統(tǒng)模擬參數(shù)可以看出，高溫系統(tǒng)的最大沼氣產(chǎn)氣潛能（0.65m3·d-1）明顯高于中溫系統(tǒng)（0.45m3·d-1），其產(chǎn)氣遲滯期為4.25d，小于中溫處理系統(tǒng)接近1.3d。

3 討論

厭氧發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究是指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，也是理解沼氣化過程機(jī)理和工藝優(yōu)化調(diào)控的重要手段。許多動(dòng)力學(xué)模型已用于模擬厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣以及底物降解過程，其中Transference模型、修正的Gompertz模型、修正的Logistic 模型等多參數(shù)非線性模型不僅可以輸出最大產(chǎn)氣潛能（如產(chǎn)氣速率）等工藝性能參數(shù)，還可以獲取用于指標(biāo)反應(yīng)器啟動(dòng)性能的延遲時(shí)間參數(shù)，因而近年來逐漸引起了重視[5-7]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型均適用于模擬餐廚垃圾中溫和高溫發(fā)酵的產(chǎn)沼動(dòng)力學(xué)過程;基于模型驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，相較于Transference模型和修正的Gompertz模，修正的Gompertz模型具有更高的擬合度（R2>0.99），預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值之間的吻合程度更好（相對(duì)均方根誤差RRMSE<0.03，模型效率ME>0.99），表明該模型更適合用來描述餐廚垃圾的發(fā)酵沼氣化過程。

厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率受溫度的影響較大，通常高溫厭氧發(fā)酵（50～57℃）在底物降解率、產(chǎn)氣量等工藝性能方面明顯優(yōu)于中溫厭氧發(fā)酵（50～57℃），但過高的反應(yīng)溫度易出現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)酸積累現(xiàn)象，導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量降低[8]。本研究為期33d批試實(shí)驗(yàn)沼氣產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)觀測(cè)和動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)比沼氣產(chǎn)率始終高于中溫發(fā)酵系統(tǒng)，其最大沼氣產(chǎn)氣潛能（0.64m3·d-1）也明顯高于中溫發(fā)酵系統(tǒng)（0.43m3·d-1）;此外，相較于中溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，采用高溫發(fā)酵處理系統(tǒng)可以縮短產(chǎn)氣遲滯時(shí)間，進(jìn)而減少物料停留時(shí)間或提高物料處理量。

4 結(jié)論

（1）第33天中采用高溫厭氧發(fā)酵餐廚垃圾，試驗(yàn)中溫和高溫系統(tǒng)比沼氣產(chǎn)率分別達(dá)到706.14L/kg、897.80L/kg。

（2）采用動(dòng)力學(xué)模型模擬與驗(yàn)證，Transference模型、修正的Gompertz模型和修正的Logistic模型均可以用來模擬餐廚垃圾中高溫發(fā)酵產(chǎn)沼動(dòng)力學(xué)過程，其中Gompertz模型具有更高的擬合度，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值之間吻合程度更好。

（3）相較于中溫厭氧發(fā)酵，采用高溫厭氧發(fā)酵工藝處理餐廚垃圾在產(chǎn)氣潛能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，并可以縮短產(chǎn)氣延遲時(shí)間。

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（責(zé)編：張宏民）