有机负荷对餐厨垃圾单相厌氧发酵的影响

摘要[目的]为实现餐厨垃圾资源化利用提供依据。[方法]在中试规模条件下，以餐厨垃圾为底物，研究有机负荷对餐厨垃圾单相厌氧发酵的影响。[结果]低有机负荷[0.75～1.25g/（L•d）]时，发酵过程的pH、氨氮、可溶性化学需氧SCOD维持相对稳定，提高有机负荷有利于提高沼气产量和产率，而当有机负荷达到一定高度[1.50g/（L•d）]时，发酵过程的pH下降，氨氮和SCOD含量上升，说明单相厌氧发酵工艺对餐厨垃圾的处理能力较低。餐厨垃圾中的氮含量高，发酵前应调节碳氮比。沼气中甲烷浓度都在50%～75%，不受有机负荷影响。[结论]低有机负荷[0.75～1.25g/（L•d）]有利于餐厨垃圾单相厌氧发酵。
关键词：餐厨垃圾；单相厌氧发酵；沼气
中图分类号X705文献标识码A文章编号0517-6611（2011）25-15567-03
餐厨垃圾是居民在生活消费过程中形成的生活废物。餐厨垃圾主要成分包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油、肉骨等，化学组成上有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐。因其有机物含量丰富、水分含量高、易腐烂，其性状和气味都会对环境卫生造成恶劣影响，且容易滋生病原微生物、霉菌毒素等有害物质。我国餐厨垃圾产量巨大，随着人们生活水平的提高，餐厨垃圾的产量呈现逐渐增加的趋势。北京市餐厨垃圾的产生量1200t/d，上海、广州等大城市餐厨垃圾产量均超过了1000t/d。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明，我国城市每年产生餐厨垃圾不低于6000万t。
目前，餐厨垃圾的处理方式主要有焚烧、填埋、作饲料、堆肥等，而这些方法都或多或少存在一些负面效应。随着能源的日益紧张，如何将餐厨垃圾进行资源化利用备受关注，而利用餐厨垃圾进行厌氧发酵生产沼气是解决这一问题的重要渠道。餐厨垃圾厌氧发酵处理技术既处理了餐厨垃圾，又能生产出清洁的可再生能源—甲烷，因此研究餐厨垃圾厌氧发酵产沼气技术具有重要意义。目前，国内外科研人员对餐厨垃圾厌氧发酵技术进行了大量研究，但大部分仍处于实验室阶段。笔者在中试规模条件下，以餐厨垃圾为底物，以污水处理厂的厌氧消化污泥为接种物，尝试利用单相厌氧发酵工艺，逐渐提高发酵系统的有机负荷，研究有机负荷对餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的影响。
1材料与方法
1.1试验材料
发酵底物为餐厨垃圾。餐厨垃圾来自青岛市崂山区凤凤美食苑，试验前将其粉碎至1～3mm，打浆。餐厨垃圾的元素组成：N为4.02%，C为51.78%，H为7.27％，S为0.35％，C/N为12.90%，C/H为7.20%。接种物为厌氧消化污泥，取自青岛团岛污水处理厂，pH为7.0。测定餐厨垃圾和厌氧消化污泥的总固体（TS）和挥发性固体（VS）含量（表1）。
表1餐厨垃圾和厌氧消化污泥固体含量％

1.2试验设计
餐厨垃圾单相厌氧发酵试验的发酵罐体积25L，有效体积20L，进料1L/d，发酵温度55℃。通过逐渐增加进料浓度改变有机负荷（OLR），设置3组有机负荷的单相厌氧发酵试验。VS的进料浓度分别为15、25、30g，有机负荷为0.75、1.25、1.50g/（L•d）。测定发酵过程中的沼气含量、甲烷含量、pH、氨氮含量、可溶性有机物（SCOD）等。
1.3分析方法
SCOD采用兰州连华环保科技发展有限公司产5B-3B型COD快速测定仪测定。pH采用德国赛多利斯公司产Pb-10型pH计测定。氨氮（NH4+-N）采用纳氏试剂光度法。
甲烷测定：山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司产SP-6890型气相色谱仪，热导检测器（TCD），不锈钢填充柱（填料Porapak Q，填充柱2.000m×0.004m）。测定条件：柱温50℃，汽化室温度120℃，检测器温度100℃，载气为氮气，进样量200μl。采用外标法进行定量。
2结果与分析
2.1有机负荷对沼气产量的影响
从图1可见，当有机负荷为0.75g（L•d）时，1个周期内的累积沼气产量为280L，平均沼气产率为0.93L/（g•d）。当有机负荷为1.25g/（L•d）时，1个周期内的累积沼气产量为526L，平均沼气产率为1.05L/（g•d）。当有机负荷为1.50g/（L•d）时，产气过程在前8d较为稳定，平均沼气产率为0.72L/（g•d）；从第8天开始，沼气产率迅速下降，到第18天时产气结束。

图1不同有机负荷条件下的沼气产量和沼气产率
当有机负荷从0.75g/（L•d）提高至1.25g/（L•d）时，累积沼气产量明显增加，平均产率由0.93L/（g•d）提高至1.05L/（g•d），提高了13个百分点。这说明在低水平有机负荷时，提高有机负荷有利于提高沼气产量，这与张莉平等的研究结果一致。这是由于发酵系统的限制因素是底物浓度，增加有机负荷即提高了进料固含量，提高了底物浓度，因此产气效率也提高。但是，当有机负荷从1.25g/（L•d）提高至1.50g/（L•d）时，平均沼气产率由1.05L/（g•d）下降至0.72L/（g•d），甚至低于有机负荷为0.75g/（L•d）的平均产气率。这说明当有机负荷升至一定高度后，再增加有机负荷不利于提高沼气产量。由于当有机负荷升高后，底物浓度不再是发酵过程的限制因素，而提高有机负荷会加大对发酵系统的冲击，有机负荷提高后，产酸菌世代周期短，会在短时间内迅速繁殖，产生大量有机酸，而产甲烷菌世代周期长，繁殖速率慢，不能在短时间内大量消耗有机酸，导致有机酸的大量积累，使发酵系统平衡失控，发酵过程不再稳定，甚至无法继续，Bouallagui、Marouani等的研究中也发现了类似现象。