餐厨垃圾高温好氧生物消化工艺控制条件优化

摘要：为了探索处理餐厨垃圾的高效生物技术(目标减量率80%～90%)，采用高温好氧消化工艺进行了小试规模实验.实验结果表明，控制反应在高温条件下(55～65℃)可以达到最大减量率，满足高温运行的最佳参数范围：pH=6.0～6.8，含水率=45%～55%，水淬碳氮比(w(COD)/w(org.N)为19∶1～22∶1；运行控制措施为风量和物料投加比，泔脚与厨余的投加混合比范围为2∶1～10∶1(干基质量比)；工艺最大处理负荷为0.10kg•kg-1•d-1(每日投加量/反应物料容量).
关键词：餐厨垃圾；厨余；泔脚；高温好氧消化；水淬液
餐厨垃圾泛指产生于餐饮经营与居民生活的食物加工下脚料(厨余)和食用残余(泔脚).餐厨垃圾具有含水率高(70%～90%)和有机质含量高的特点.厨余中的糖类含量比率大，而泔脚则以蛋白质、淀粉和动物脂肪类等为主要成分，且含盐、油脂量高(可达泔脚总量的20%～30%，其中相当部分是游离态的).餐厨垃圾有机质含量高，所以一般采用生物法处理.上海市现有用于处理餐厨垃圾的消化型有机垃圾生化处理机，其基本技术是外加特殊菌种的动态好氧消化，采用间歇或连续方式搅拌，连续进料间歇出料(出料时间间隔长，1～2个月)，反应温度45～50℃，其实质是高消化率的堆肥技术.该技术过去主要用于处理污泥和高浓度废水[1]，而针对餐厨垃圾的有关文献资料则较少.本实验采用不外加特殊菌种的间歇动态高温好氧技术，即在间歇搅拌连续通风的条件下保持高温环境(≥55℃)，促进有机质的降解消化，从而达到高效减量的目的(目标减量率80%～90%).实验旨在探求影响工艺处理效果的因素，以及对这些因素进行有效调控的措施.
1实验材料和方法
1.1实验材料
实验处理对象(厨余、泔脚)来源于同济大学各食堂；实验用木屑用于调节水分含量和孔隙率，取自同济家具厂松木加工下料；加入污泥作为实验启动用的微生物源.实验物料的理化性质见表1.
表1实验物料的理化性质

1)均为水淬值，水淬方法见本文1.4.
1.2实验方法
恒温箱内温度控制在38℃.泔脚、木屑和污泥混合后，实验启动，待反应器内温度达到55℃高温后分别连续每日投加纯厨余、纯泔脚或二者的混合.以每日投加0.5kg开始，连续投加5d后，每日连续投加量增至1.0kg，依次类推，每隔5d每日连续投加量增加0.5kg，直至连续投加量达到最大处理负荷.每日搅拌4次(每次搅拌时间10min).
1.3实验装置和工艺流程
实验装置和工艺流程如图1所示.

1-计量秤；2-电动机；3-风机；4-空气流量计；5-过滤器；6-冷凝器；7-冷凝液接收瓶；8-搅拌桨；9-反应器(<500mm，H=600mm)；10-恒温箱；11-温度探针；12-测氧枪；13-测O2/CO2仪；14-测温仪；15-自动温度控制仪；16-时间控制仪；17-加热装置；18-多孔板
图1实验装置和工艺流程图
1.4实验测试参数和方法
(1)含水率：物料于105℃烘箱中烘干至恒重，减重法测定.
(2)耗氧速率：CYRS-O2/CO2测定仪测定.
(3)水淬w(CODw)：取3g于105℃烘箱中烘干至恒重的干基，用30ml的蒸馏水水淬，在摇床(振荡频率为200r•min-1)中振荡1h后，在离心机2000r•min-1转速下离心10min，最后用0.45μm滤膜过滤，用标准重铬酸钾氧化法测定滤液COD.(4)水淬氨氮w(NH3-N)和水淬有机氮w(org.N)：水淬法同(3)，采用标准蒸馏滴定法和凯氏(Kjeldahl)法测定.
(5)pH值：取物料湿基1g，以1∶2蒸馏水水淬后用精密pH试纸测试水淬液的pH值[2].
(6)油脂：取10g研磨后的干基(过100目筛)和约10g无水硫酸钠混合置于标准油脂抽提器中，用300ml乙醚萃取抽提，萃取温度为80℃，萃取时间16～24h.乙酸与油脂的混合液在105℃烘箱烘至恒重后用减量法求得萃取油脂的重量[3].
(7)元素分析：采用仪器为CHNS-932Determinator.
2结果与讨论
2.1减量和温度的关系

图2减重率-温度关系
工艺的消化效果表观上体现为物料的湿基减重，包括干物料降解和水分损失.考虑到反应器内存留基质量对投料消化量的影响，即大容量的基质可以接纳更多的投料，故采用减重率=减重量/湿基量作图.由图2可以看出，在55℃以下随温度的升高，湿基减重率近似呈线性上升，在55～65℃范围时减重率随温度升高的增长速率加倍，但在63℃达到最大减重率后(0.097(kg湿减重量)•(kg湿基物料)-1)，温度的进一步升高反而导致减重率的减小，但总体减重率仍较高(>0.08(kg湿减重量)•(kg湿基物料)-1).水分减重率(水分减重量/湿基物料)随温度的升高而增加.干物料降解率随温度变化，在45～50℃和60～65℃出现两个峰值，均达到0.022(kg干物料降解量)•(kg湿基物料)-1.
减重是通过热量与水分传递以及热量的平衡过程来实现的.物料温度升高会使热量和水分传递的推动力增加，而热量和水分的传递又会使物料温度降低，热量的平衡必然通过干物料降解消化产生的生物反应能维持，高降解率能保证能量的收支平衡和高水分减重率.干物料降解在45～50℃和60～65℃时存在两个高峰，这是因为消化过程的进行依赖于微生物的活动，而不同微生物菌群所适宜的温度范围是不同的.在中温阶段(45～55℃)嗜温菌激烈活动，有机质降解迅速，故出现第一个降解率峰值；但温度的进一步升高不利于中温微生物的生长，干物料降解率下降.当温度升至60℃以后，嗜热菌活动增强，干物料降解率持续上升，出现第二个降解率峰值，直至温度超过该类微生物的适宜温度范围.