史春龍 李煥承 葉亨利
[1. 深圳市綜合交通與市政工程設計研究總院有限公司,廣東 深圳 618000;2. 地標(深圳)生物科技有限公司,廣東 深圳 618000]
餐廚垃圾具有含水量高,有機物、蛋白質(zhì)豐富的特點,采取焚燒或填埋處理的方式將會造成一定程度的環(huán)境污染。在當前可持續(xù)發(fā)展理念指導下,實現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用已成為當代社會發(fā)展的一項重要任務。目前我國餐廚垃圾資源化利用技術(shù)主要有厭氧消化、堆肥處理、飼料化處理等。其中,70%以上餐廚垃圾處理采取厭氧微生物發(fā)酵技術(shù),利用中溫厭氧微生物發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃圾廢棄物,避免了餐廚垃圾飼料化而引起的動物同源性污染,實現(xiàn)了餐廚垃圾廢棄物的無害化、資源化、減量化[1-5]。
厭氧發(fā)酵過程主要分為水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷3 個階段,而兩相厭氧微生物發(fā)酵技術(shù)通過不同的控制條件把厭氧發(fā)酵分為水解酸化、產(chǎn)甲烷2個階段[6]。水解酸化階段是微生物將復雜的有機物質(zhì),如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等經(jīng)過一系列的反應過程分解成簡單的水溶性脂肪酸和醇類[7-9],然后在酸化菌的作用下,將其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的過程。產(chǎn)甲烷階段是甲烷菌在合適的條件下將酸化階段產(chǎn)物中的乙醇、有機酸、H2及CO2等物質(zhì)分解合成為CH4和CO2[10-11]。
VFA 的控制是保證兩相厭氧發(fā)酵過程的重要指標[12],它既可以反映水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程發(fā)酵微生物的反應效果,又可以指示產(chǎn)甲烷過程的發(fā)酵微生物以及酶作用的效果和穩(wěn)定性。因此餐廚垃圾水解酸化是厭氧消化的高負荷、穩(wěn)定化運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié),VFA 控制是保證整個厭氧發(fā)酵穩(wěn)定化運行的重要參數(shù)。
本文選取深圳市某餐廚垃圾處理企業(yè)餐廚垃圾兩相厭氧處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)下,連續(xù)1 個月的原漿液以及后續(xù)酸化工序和厭氧發(fā)酵工序出口漿料作為對象,探究兩相厭氧系統(tǒng)中VFA 濃度與pH、TCOD 濃度以及去除率、總堿度等指標的關(guān)系,以期確定最適宜的VFA 濃度范圍,為提升兩相厭氧處理系統(tǒng)TCOD 去除率提供一定參考。
在餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵處理系統(tǒng)中,餐廚垃圾經(jīng)分選、破碎、提油、除砂等預處理后,調(diào)制成粒徑≤5 mm 的原漿液,原漿液經(jīng)水解酸化階段和產(chǎn)甲烷階段處理即產(chǎn)生沼氣、沼液,沼氣可進一步資源化利用,沼氣用于發(fā)電,沼液制作有機肥[13],油脂制作生物柴油[14]。
原漿液總硫(TS)約12%,TCOD 約130 000 mg/L。將原漿液輸送到37 ℃水解酸化罐,水解酸化4 d,進一步去除油脂、雜質(zhì)、沉砂后,漿液TS 約10%,TCOD約110 000 mg/L。水解酸化后漿液進入37 ℃厭氧罐,厭氧罐漿液(沼液)TS 約1.8%,TCOD 約10 000 mg/L。
罐體設計參數(shù)見表1。
表1 罐體設計參數(shù)
本研究主要檢測指標有VFA、pH、TCOD、堿度等,數(shù)據(jù)分析采用WPS2019 和SPSS17.0 完成。
連續(xù)穩(wěn)定運行下,整個餐廚垃圾兩相厭氧處理系統(tǒng)連續(xù)31 d 各類物料(漿液)平均VFA 濃度與pH見表2。
表2 穩(wěn)定狀態(tài)下物料VFA 濃度與pH
由表2 可知,物料漿液經(jīng)酸化和厭氧發(fā)酵工序后pH 顯著上升(P<0.01);VFA 濃度有所不同,酸化后VFA 濃度顯著增加(P<0.01),厭氧發(fā)酵后則迅速下降,濃度極顯著低于原漿液濃度(P<0.01)。
連續(xù)穩(wěn)定運行下,整個餐廚垃圾兩相厭氧處理系統(tǒng)連續(xù)31 d 厭氧發(fā)酵罐進料VFA 濃度與TCOD去除率見圖1。
圖1 厭氧發(fā)酵罐中進料VFA 濃度與TCOD 去除率變化
由圖1 可知,進料VFA濃度穩(wěn)定在9 033.52±1 033.74 mg/L 時,TCOD 去除率為82.96%以上,最高達90.76%。
厭氧發(fā)酵過程中,以連續(xù)31 d 進料VFA 濃度為自變量,以厭氧發(fā)酵后TCOD 去除率為因變量,通過SPSS17.0 進行線性回歸模型分析,得到表3 和線性回歸方程式。
表3 厭氧發(fā)酵罐去除率與進料VFA 濃度統(tǒng)計
線性回歸方程式:TCOD 去除率=0.001VFAin+81.304,調(diào)整R2=16.2%,P=0.014。調(diào)整R2指原始數(shù)據(jù)與回歸方程的匹配度;進料P=0.014<0.05,說明自變量能夠顯著影響因變量。即可說明,進料VFA 濃度可以顯著影響厭氧發(fā)酵罐TCOD 去除率,但匹配率只有16.2%,進一步說明還有其他因素影響TCOD去除率。
連續(xù)穩(wěn)定運行下,整個餐廚垃圾兩相厭氧處理系統(tǒng)連續(xù)31 d 厭氧發(fā)酵罐進料VFA 濃度與出料總堿度(Total Alkalinity,TAL,以CaCO3計)濃度的變化見圖2。
圖2 厭氧發(fā)酵罐中進料VFA 濃度與出料TAL 濃度變化
由圖2 可知,進料VFA 濃度穩(wěn)定在9 033.52±1 033.74 mg/L 時,出料TAL 濃度穩(wěn)定在9 616.23±534.90 mg/L。
厭氧發(fā)酵過程中,以連續(xù)31 d 進料VFA 濃度為自變量,以厭氧發(fā)酵后出料TAL 濃度為因變量,通過SPSS17.0 進行線性回歸模型分析,得表4 和線性回歸方程式。
表4 厭氧發(fā)酵罐進料VFA 濃度及出料TAL 濃度統(tǒng)計
線性回歸方程式:TALout=-0.221VFAin+11 608.320,調(diào)整R2=15.3%,P=0.017。調(diào)整R2指原始數(shù)據(jù)與回歸方程的匹配度;P=0.017<0.05,說明自變量能夠顯著影響因變量。即可說明,進料VFA 濃度可以顯著影響厭氧發(fā)酵罐出料TAL 濃度,但匹配率只有15.3%,進一步說明還有其他因素影響厭氧發(fā)酵罐出料TAL濃度。
利用SPSS 軟件對餐廚垃圾工業(yè)化穩(wěn)定運行進行數(shù)據(jù)分析,結(jié)論如下:
(1)VFA 濃度直接影響pH 的變化。原漿液的VFA 濃度在1 229.52±306.44 mg/L,說明餐廚垃圾在運送到處置地已經(jīng)發(fā)生水解酸化。漿液VFA 濃度增加到9 033.52±1 033.74 mg/L,pH 從3.71 直接增加到4.76,數(shù)據(jù)變化反映酸化微生物菌群的變化。
(2)VFA 濃度對TCOD 降解率有顯著影響。水解酸化后漿液進入產(chǎn)甲烷階段的VFA 濃度顯著影響TCOD 去除率,符合產(chǎn)甲烷菌的反應規(guī)律。軟件SPSS分析還有其他影響因素,推斷為餐廚垃圾存在不易降解的有機物影響TCOD 的降解率。
(3)VFA 濃度對TAL 具有沖擊負荷。水解酸化后的漿液序批式進料,VFA 對產(chǎn)甲烷階段具有一定的沖擊負荷[15],影響TAL 的變化。
綜合分析,在反應溫度、酸化停留時間、厭氧停留時間、攪拌方式等外部條件固定的情況下,VFA 控制基本滿足餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)工業(yè)化、穩(wěn)定化運行控制要求。