泔脚厌氧发酵中试系统设计及运行研究

初期产气规律可以说明，厌氧接种污泥进入反应器前处于饥饿状态，转移过程中，由于投加一定量的还原剂，保持了较好的厌氧环境，同时在转移过程中用密闭容器盛装，搅动少，当把厌氧污泥加入反应器后，随着反应器不断的机械搅拌和升温过程，厌氧污泥中原有部分夹带的沼气，在第一天逐步散发出来，因此，在第一天，系统的沼气产量相对较高，为267L。第二天，为了恢复污泥的活性，向系统内投加了2kg葡萄糖，葡萄糖是易降解基质，易于被微生物所利用，污泥在缺少基质的情况下，迅速利用葡萄糖进行新陈代谢，产生沼气，当天沼气产量即达到峰点，产气量达到320L。从第三天开始，随着系统可用基质的逐步减少，污泥产气速率陡然下降，第三天的总产气量仅为高峰值的25%左右，然后逐步下降。可以认为，此时，系统内可用基质的量已经很少，厌氧微生物为了维持自身的能量需要，进入内源代谢阶段，微生物分解一部分自身细胞物质，以保持其生命活动。在其后的几天，微生物的生命活动趋弱，每天产气量很少，平均30L•d-1；但相对平稳，此阶段的能量输入仅能维持生物体的基本生命活动。
从启动过程中系统pH的变化也可以看出基本相同的规律。刚启动时，系统的pH值为7.2，然后从总的趋势上看，是一个很平缓的下降过程。在整个过程中，未出现pH值的大幅下降和上升现象。整个产气过程处于基质限制阶段，在微生物的内源代谢阶段，微生物部分分解以维持系统的需要，部分细胞物质分解的大分子的酸性残物在系统中的积累，使得整个系统的pH稍有下降。
系统10天累积产沼气983L，平均每天产沼气的量为98L，设备产气效率为98L•m-3d-1；有机物（VSS）产气率为0.014m•kg。在系统启动10天后，可观察到产气效果很微弱，在此基础上，逐步向系统投加泔脚垃圾，进行生物驯化和变负荷试验。
3.2.2系统的中温运行特性
中温运行试验结果见图4，图5。从试验数据可以看出，随着负荷的提高，沼气产量的绝对量不是相应提高的。在负荷为1.66kg•m-3d-1时，也即每天投加20kg新鲜泔脚时，厌氧发酵产气很稳定，10天沼气产量为2040L，每吨新鲜泔脚的沼气产量达到102m3。随着负荷的提高，当每天投加40kg泔脚时，沼气产生总量有所提高，为2125L，但每吨新鲜泔脚的沼气产量大幅下降，为45m3左右，下降幅度接接近60%；每天投加60kg泔脚时，沼气产生总量反而有所下降，仅为1462L；每天投加80kg时，产气继续下降；而每天投加量增加到100kg时，产气基本停止。本次试验的结果和实验室小型试验结论基本是吻合的，实验室试验表明，利用泔脚进行厌氧发酵的最大负荷为1.5kg•m3d-1左右。在此负荷下，沼气产生是稳定且产量较高，进一步的提高负荷会降低系统的稳定性和沼气的产量。

图4不同进料负荷下泔脚中试发酵产气曲线

图5不同投料负荷泔脚发酵的日产气量、产气率变化
从系统运行稳定性方面来看，在每天投加20kg泔脚的条件下，厌氧系统较为稳定，在10天的运行过程中，系统的pH值一直在6.5～7.4范围以内，无需进一步的人为调整；40kg投加量需要初期1～3天的人为调整，此后进入相对的稳定期；投入60kg或80kg则系统相对不太稳定，在过程中需及时进行pH的调整，但pH变化无规律，通过人为调节后，系统可以相对稳定地运行。当投加量达到100公斤时，系统pH变化迅速，投加第2天，pH即下降到5.0～5.8左右，人为调节后，系统仍不能正常运行，产气基本停止。由此说明，此负荷可以认为是泔脚厌氧发酵的极限负荷，从停留时间（SRT）看，泔脚厌氧发酵的固体停留时间至少应大于10天，从本试验看，泔脚处理的停留时间应在12～15天。从经济性和沼气最大化的角度看，泔脚发酵的固体停留时间应大于30天，在50天的停留时间时，沼气产量达到最大，每吨泔脚的沼气产量达到102m3。
3.2.3系统的高温运行特性
中温试验结果显示，20kg的日处理量时，日产沼气204L；日处理量为80kg时，日产沼气107L左右，处理量的提高，使生物气产量降低50%，但对废物的处理容积效率却提高了4倍。从废物处理的投资经济性，即设备的最大利用效率上应尽可能提高反应的处理负荷，在此基础上来挖掘生物产气效率。中温试验中，采取一定的调节措施，在日投加负荷为80kg，固体停留时间为12.5天时，仍可以相对稳定运行，系统具有良好的搅拌混合效果，因此高温试验主要探讨在此负荷下的生物气化效果。
泔脚的高温运行在上海普陀固体废物处理中心进行，反应器的启动利用原有系统进行中温启动，逐步加温，稳定近20天后，进行高温运行试验，此时稳定泔脚投加量为80kg•d-1。系统泔脚发酵的高温运行试验结果见图6。试验结果表明，同等负荷下的高温发酵，几乎每天的沼气产量均高于中温条件，日产气最大值达到中温发酵的1倍以上。日平均产气量相比中温发酵提高接近50%左右。基本与中温低负荷的日产气量相当。从沼气产量上，泔脚的高温发酵是明显优于中温发酵的，相比小型试验，有较大的提高，这说明对泔脚类高有机含量废物的厌氧发酵来说，设备的反应环境具有关键的作用。