不同運(yùn)行工藝下大型生物水解反應(yīng)器處理廚余垃圾試驗(yàn)研究＊

趙 磊，李 科，王亞東，吳 元，邵 軍，王立倫

（維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引言

廚余垃圾一般指居民日常生活中產(chǎn)生的垃圾，包括剩菜、剩飯、菜葉、碎骨、果殼瓜皮等易腐有機(jī)垃圾［1］。隨著垃圾分類的逐步推廣實(shí)施，廚余垃圾已逐步實(shí)現(xiàn)與生活垃圾分離處理，廚余垃圾在生活垃圾中占比高達(dá)50%～65%［2］。目前常用的廚余垃圾處理技術(shù)有：①衛(wèi)生填埋［3］，其優(yōu)點(diǎn)是處理成本低、技術(shù)簡單、對垃圾分類要求不高，缺點(diǎn)是二次污染嚴(yán)重、占地面積大；②粉碎直排［4］，其優(yōu)點(diǎn)是價格便宜、使用方便，缺點(diǎn)是增加城市污水處理負(fù)荷；③焚燒發(fā)電［5］，該方式處理量大，對垃圾分類要求不高，可發(fā)電、供熱，缺點(diǎn)是添加輔料增加成本，易造成大氣污染；④好氧堆肥［6］，該技術(shù)簡單，產(chǎn)品可用作肥料，但占地大、臭氣控制難度大、周期長、產(chǎn)品出路受限；⑤飼料化［7］，該技術(shù)產(chǎn)品可用作畜禽飼料，營養(yǎng)價值高，但原料及操作要求高，具有同源性，產(chǎn)品出路受限；⑥厭氧消化［8］，產(chǎn)品多樣化、自動化程度高、具有較高經(jīng)濟(jì)價值、可產(chǎn)出沼氣和肥料等，但處理周期長、技術(shù)較復(fù)雜；⑦碳源替代利用，既處理了生活垃圾，又降低了污水處理成本［9］。綜上所述，厭氧消化和碳源替代利用是目前廚余垃圾資源化利用的較佳選擇，而對廚余垃圾進(jìn)行預(yù)處理，可提升其資源化利用率。生物水解反應(yīng)器作為該工藝路線的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)之一，可以將廚余垃圾高效轉(zhuǎn)化為富含脂肪酸、可生化性極佳的酸化水解液，對廚余垃圾減量化以及后續(xù)資源化利用起著至關(guān)重要的作用。

傳統(tǒng)生物水解反應(yīng)器采用淋洗工藝運(yùn)行，即將厭氧水（或厭氧水與水解液混合物）按質(zhì)量比（水∶物料）1∶1～2∶1 噴淋于反應(yīng)器內(nèi)物料中。趙磊等［10］添加進(jìn)料量7%～8% 的厭氧水作為淋洗液，開展中試研究（垃圾量1 t），停留時間2 d，廚余垃圾減量化率可達(dá)64%，COD 轉(zhuǎn)化總量達(dá)到247 kg/t 以上。李英等［11］以厭氧出水和水解液按4∶1混合成淋洗液進(jìn)行生物淋洗（垃圾量5 t），控制淋洗液與廚余垃圾質(zhì)量比2∶1，出水COD 為75 105 mg/L、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度為19 815 mg/L。王風(fēng)慶等［12］將厭氧出水與餐廚漿液混合作為淋洗液（垃圾量2 t），較直接將厭氧出水作為淋洗液，處理效果更顯著，出水COD 提高14%，VFA 提高13%。彭明國等［13］采用機(jī)械淋濾工藝對有機(jī)生活垃圾進(jìn)行中試研究，當(dāng)淋洗水量為3 m3/d 時（垃圾量4 t），出水COD、VFA 濃度分別為41 000 mg/L和2 000 mg/L。錢超等［14］以厭氧水與生活垃圾質(zhì)量比為2∶1 添加淋洗液（垃圾量2 t），反應(yīng)溫度35 ℃時，垃圾濕質(zhì)量減量率為51.40%、TS 減量率為27.10%、VS 減量率為30.65%。屈陽等［15］以淋洗液與生活垃圾質(zhì)量比2∶1（垃圾量2 t）、停留時間1.2～1.4 d 為反應(yīng)條件，獲得的生活垃圾減量率為49.7%，出水COD 可達(dá)32 939 mg/L。

針對碳源替代利用，姚鳳根等［16］將廚余垃圾產(chǎn)生的酸化液投加到MBR 中處理垃圾滲濾液，大幅提高了TN 的去除率；張莉等［17］將廚余垃圾添加到城市污泥后，VFA 累積量可達(dá)17.62 g/L；孟冰茹等［18］將廚余厭氧發(fā)酵液作為碳源加入到校園生活污水處理系統(tǒng)中，TN 的出水濃度降低59.35%，TP 的出水濃度降低50%。針對水解酸化反應(yīng)條件，學(xué)者們也進(jìn)行了一系列研究。He 等［19］的研究表明，水解速率與溫度的升高成正比，35 ℃下的水解和酸化產(chǎn)物主要是乙醇和乙酸。Li等［20］研究了熱預(yù)處理（55～160 ℃）對廚余垃圾酸化的影響，熱預(yù)處理促進(jìn)了厭氧降解和沼氣產(chǎn)生，將厭氧酸化所需的停留時間縮短了5 d，在90 ℃和120 ℃下沼氣產(chǎn)量和有機(jī)物去除效果最佳。呂凡等［21］的研究表明，前5 d 蔬菜類廢物易水解的顆粒物迅速水解，第5 天后，難水解顆粒物質(zhì)緩慢水解。

在“雙碳戰(zhàn)略”背景及需求下，如何高效資源化利用產(chǎn)生量巨大的廚余垃圾是我們將面臨的重大考驗(yàn)，傳統(tǒng)破碎、填埋、焚燒處理技術(shù)已不再適應(yīng)發(fā)展需要，以厭氧消化、碳源替代利用等技術(shù)為代表的高效資源化回收利用技術(shù)必將成為主流。而水解酸化技術(shù)又是制約其資源化利用效率的重要條件，因此如何提升廚余垃圾水解酸化效果將是相關(guān)企業(yè)和學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

基于“破袋篩分（預(yù)處理）+生物水解+濕法厭氧消化”處理工藝路線，本研究的高值化利用工藝流程如圖1 所示。成分復(fù)雜的廚余垃圾通過預(yù)處理實(shí)現(xiàn)高、低熱值組分的有效分離，有機(jī)液體通過厭氧消化產(chǎn)沼，沼氣可作為清潔能源用于發(fā)電，固相物料可替代部分煤燃料能源利用，實(shí)現(xiàn)減量化和資源化。本項(xiàng)目廚余垃圾來料中，料倉瀝水占比15%～18%，篩上物和篩下物分別占比25%～30%和55%～60%；生物水解后固相（擠壓固渣）占比40%～50%，液相（水解液和擠壓水）占比50%～60%。

圖1 廚余垃圾高值化利用工藝流程示意Figure 1 Schematic of high-value utilization process of kitchen waste

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料來自浙江某地級市集中收運(yùn)處置的廚余垃圾，垃圾經(jīng)破袋滾筒篩（篩網(wǎng)孔徑120 mm）分離大塑料等雜質(zhì)（篩上物）后得到篩下物，篩下物再經(jīng)磁選機(jī)除去易拉罐等金屬，剩余物作為原料（含水率70%～80%）進(jìn)入生物水解反應(yīng)器中，其主要成分及占比如表1 所示。其中易降解有機(jī)質(zhì)（剩余有機(jī)質(zhì)、水果蔬菜及其皮殼）合計占比79.37%，塑料、織物合計占比6.12%，玻璃、陶瓷、石頭、金屬、橡膠等雜質(zhì)合計占比1.03%。

表1 試驗(yàn)原料組成及占比Table 1 Composition and proportion of experimental materials

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

1）生物水解反應(yīng)器淋濾工藝原理：進(jìn)料后，按一定比例加入淋洗液，物料在中間軸作用下緩慢機(jī)械攪拌、混合，發(fā)生水力淋洗和生化反應(yīng)，持續(xù)水解、酸化；淋洗液中微生物可促進(jìn)大分子有機(jī)物向小分子有機(jī)物、胞內(nèi)水向游離水的轉(zhuǎn)化，加速物料間傳質(zhì)、水解酸化；高濃度的有機(jī)漿液經(jīng)反應(yīng)器地板格柵過濾進(jìn)入底部輸送螺旋。該工藝噴淋大量淋洗液（物料∶淋洗液=1∶1～1∶2），能耗較高，且反應(yīng)器設(shè)置有瀝水地板及集液漏斗，反應(yīng)器體積較大，整體建造、運(yùn)行、維護(hù)成本較高。而采用非淋濾工藝，可以優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計、減小反應(yīng)器體積、縮小占地面積，節(jié)省建造運(yùn)行成本。

2）試驗(yàn)裝置與周期：以大型廚余垃圾生產(chǎn)線作為試驗(yàn)平臺，該生產(chǎn)線處理能力可達(dá)200 t/d，配置有兩臺處理能力為100 t/d 的生物水解反應(yīng)器，反應(yīng)器有效容積540 m3，反應(yīng)器內(nèi)部如圖2 所示。其中1 臺帶有瀝水功能的反應(yīng)器作為對照組，另外1 臺無瀝水功能的反應(yīng)器作為試驗(yàn)組，對比了兩種工藝下反應(yīng)器的水解性能。淋濾工藝與非淋濾工藝試驗(yàn)周期為20 d、停留時間試驗(yàn)周期為50 d、溫度試驗(yàn)周期為60 d，各期間試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)取平均值。

3）運(yùn)行工藝：分為淋濾工藝和非淋濾工藝兩種。淋濾工藝，以厭氧出水作為淋洗液，由于本項(xiàng)目處理廚余垃圾，經(jīng)滾筒篩處理后有機(jī)質(zhì)占比79.37%，含水率70%～80%，本身含水率較高，因此按厭氧水與物料質(zhì)量比為0.2∶1.0 進(jìn)行噴淋，噴淋時間為7：00—15：00（反應(yīng)器進(jìn)料時間段），大部分水解液和淋洗液由反應(yīng)器底部流出，剩余部分水解液由擠壓脫水機(jī)分離得到，最終合并為水解液；非淋濾工藝，不噴淋厭氧水，水解液不從反應(yīng)器底部流出，全部經(jīng)擠壓脫水機(jī)分離得到水解液。

4）評價指標(biāo)：以反應(yīng)器出水指標(biāo)，如pH、COD、VFA、TN、NH3-N 等，以及固相減量率（反應(yīng)器出水量/反應(yīng)器進(jìn)料量）、擠壓固渣含水率等作為評價反應(yīng)器性能的依據(jù)。

1.3 測試方法

TS、VS 采用減重法測定，樣品置于烘箱中105 ℃干燥12 h 后稱量計算TS，樣品置于馬弗爐中600 ℃灼燒3 h 后稱量計算VS；COD 采用快速消解法（分光光度法）測定；TN 采用凱氏定氮法測定（KDN-2C 型凱氏定氮儀）；NH3-N 采用納氏試劑光度法測定；VFA 采用比色法測定（設(shè)備型號Hach DR 3900）。

2 結(jié)果與討論

2.1 淋濾與非淋濾工藝對比

為解決淋濾工藝存在的問題，以項(xiàng)目現(xiàn)場1臺反應(yīng)器作為試驗(yàn)線，采用非淋濾工藝運(yùn)行，另外1 臺反應(yīng)器按原淋濾工藝運(yùn)行作為對照，對比兩種工藝條件下廚余垃圾的水解效果。

2.1.1 水解液指標(biāo)

廚余垃圾水解液與厭氧水指標(biāo)如表2 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，非淋濾工藝相比淋濾工藝在COD、VFA 等關(guān)鍵指標(biāo)上有所提升，其中COD 提升7.49%，VFA 提升19.30%。淋濾工藝中氨氮占優(yōu)勢，占TN 的50.36%，非淋濾工藝中氨氮僅占比26.20%，且根據(jù)相關(guān)研究［22］，氨氮濃度達(dá)到2 000 mg/L 時，厭氧顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性下降20%，說明氨氮濃度過高不利于產(chǎn)生甲烷；非淋濾工藝相比淋濾工藝氨氮更低，更有利于后續(xù)產(chǎn)甲烷。

表2 廚余垃圾水解液與厭氧水指標(biāo)Table 2 Index of kitchen waste hydrolysate and anaerobic water

2.1.2 含水率、減量率

兩種工藝、不同擠壓壓力下（分別為0.1 MPa和0.5 MPa）擠壓固渣含水率、反應(yīng)器減量率如圖3 和圖4 所示。相比0.1 MPa，0.5 MPa 時固渣含水率降低7.70 個百分點(diǎn)，減量率提升8.00 個百分點(diǎn)；非淋濾相比淋濾工藝，反應(yīng)器減量率提升4.17 個百分點(diǎn)，擠壓固渣含水率也有所提升，但仍在60%以下。

圖3 兩種工藝下固渣含水率及垃圾減量率對比（0.1 MPa）Figure 3 Comparison of solid slag moisture content and waste reduction rate under two different processes（0.1 MPa）

圖4 兩種工藝下固渣含水率及垃圾減量率對比（0.5 MPa）Figure 4 Comparison of solid slag moisture content and waste reduction rate under two different processes（0.5 MPa）

2.1.3 與已有試驗(yàn)研究對比

以往研究中多以生活垃圾作為原料進(jìn)行反應(yīng)，其含水率低，因而多采用淋洗工藝運(yùn)行，但本試驗(yàn)原料主要為廚余垃圾（混有部分生活垃圾），含水率為70%～80%，因而采用非淋濾工藝也可穩(wěn)定運(yùn)行，且反應(yīng)效果有所提高。

2.2 停留時間對反應(yīng)器性能的影響

在非淋濾工藝下，探究不同停留時間對水解液各項(xiàng)指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。停留時間3 d 內(nèi)水解液pH 變化不大，為4.72～4.83，停留時間3 d 以上（4～7 d），水解液pH 顯著提升，說明反應(yīng)體系內(nèi)堿性物質(zhì)顯著增加，這與水解液堿度變化基本一致。氨氮在總氮中占比前3 d 為32.54%～35.46%，3 d 后其占比為46.25%，說明氨氮在停留時間超過3 d 時會顯著增長；同時綜合考慮項(xiàng)目來料情況、反應(yīng)器有效容積、反應(yīng)器減量率以及生產(chǎn)線運(yùn)行成本等因素，將停留時間控制在3 d 內(nèi)較為適宜。

表3 不同停留時間下廚余垃圾水解液指標(biāo)Table 3 Index of kitchen waste hydrolysate under different residence times

COD、VFA 隨停留時間增加而逐步提升（圖5），說明延長停留時間可以促進(jìn)廚余垃圾中可降解部分由大分子（蛋白質(zhì)、糖類、脂肪）向小分子（氨基酸、糖、脂肪酸、中間產(chǎn)物）轉(zhuǎn)化，提升物料水解酸化效果。相比停留時間1 d，停留時間2 d 時，COD 提升8.73%、VFA 提升2.88%；停留時間3 d 時，COD 提升6.72%、VFA 提升14.58%；停留時間大于3 d 時，COD 提升12.31%、VFA 提升32.74%。這與呂凡等［21］的研究結(jié)果基本一致，但COD 在停留時間大于3 d 后變化不大，說明物料中易降解大分子有機(jī)物已基本由固相轉(zhuǎn)化至液相中，繼續(xù)延長停留時間意義不大，VFA隨停留時間延長會逐漸積累，但這一進(jìn)程可在厭氧罐中繼續(xù)進(jìn)行（考慮運(yùn)行成本，且大型生物反應(yīng)器也無法長期不出料運(yùn)行），因而本試驗(yàn)未對其最終變化（拐點(diǎn)）進(jìn)行測試。

圖5 廚余垃圾水解液COD、VFA 隨停留時間變化Figure 5 Changes on COD and VFA of kitchen waste hydrolysate with residence time

2.3 反應(yīng)溫度對反應(yīng)器性能的影響

在非淋濾工藝下，控制停留時間為2 d，探究反應(yīng)溫度對水解液的影響，結(jié)果如表4 所示。在16～35 ℃內(nèi)，反應(yīng)溫度對水解液pH 影響不大，pH為4.76～4.87；總氮逐步提升，氨氮在總氮中占比基本穩(wěn)定，為32.32%～35.46%。

表4 不同反應(yīng)溫度下廚余垃圾水解液指標(biāo)Table 4 Index of kitchen waste hydrolysate under different reaction temperatures

廚余垃圾水解液COD、VFA 隨反應(yīng)溫度的變化情況如圖6 所示。隨反應(yīng)溫度提升，在16～26 ℃范圍內(nèi)COD、VFA 變化不大，說明此溫度區(qū)間生物活性較低；當(dāng)反應(yīng)溫度提升至35 ℃時，COD、VFA 明顯提升，相比26 ℃，COD 提升25.76%、VFA 提升22.09%，說明在35 ℃時生物活性較高，可促進(jìn)廚余垃圾水解酸化。因此，反應(yīng)器運(yùn)行時，應(yīng)盡量將反應(yīng)溫度控制在35 ℃左右，以提高反應(yīng)器降解效果和資源化利用率。這與He等［19］的研究結(jié)果基本一致，溫度升高有利于水解速率升高，提高水解酸化效果。但由于大型生物反應(yīng)器加熱到高溫反應(yīng)能耗巨大，且35 ℃已足夠其水解酸化反應(yīng)（主要在冬季氣溫低才會對其加熱，一般20～30 ℃不用加熱），提升至高溫反應(yīng)意義不大，因而本試驗(yàn)未對繼續(xù)升高溫度后的反應(yīng)拐點(diǎn)進(jìn)行研究。

3 結(jié)論

1）以本項(xiàng)目作為試驗(yàn)平臺，進(jìn)行廚余垃圾生物水解試驗(yàn)。采用非淋濾工藝運(yùn)行，相比淋濾工藝，反應(yīng)器減量率提升4.17 個百分點(diǎn)，水解液COD 提升7.49%、VFA 提升19.30%，且更低的氨氮濃度有利于后續(xù)產(chǎn)甲烷；非淋濾工藝下，停留時間2 d，反應(yīng)溫度35 ℃，水解液COD 濃度可達(dá)129 200 mg/L、VFA 濃度可達(dá)23 691 mg/L。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明，非淋濾模式可穩(wěn)定運(yùn)行。因此可根據(jù)需要優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計，降低其建造運(yùn)行成本、增加經(jīng)濟(jì)效益；結(jié)合各地垃圾分類及廚余垃圾來料情況，合理采用淋濾或非淋濾工藝，充分提升其資源化利用率。延長停留時間、增加反應(yīng)溫度都能促進(jìn)廚余垃圾水解酸化，提升水解液COD、VFA 等關(guān)鍵指標(biāo)濃度；但同時也會增加氨氮濃度，抑制后續(xù)產(chǎn)甲烷，需要合理控制停留時間和反應(yīng)溫度。