餐厨垃圾中温厌氧消化处理特性研究[1]

1、2011年第5期(总第68期2011年5月 收稿日期:2011-03-01第一作者简介:田舒婷,1990年生,女,山西太原人,湖南大学土木学院环境保护工程专业,在读本科生。环境资源餐厨垃圾中温厌氧消化处理特性研究田舒婷,吴阳春,柯水洲(湖南大学土木工程学院,湖南长沙410012摘要:中温厌氧消化处理餐厨垃圾能耗小、二次污染少,且能产出清洁能源,具有良好的环境效益和经济效益。叙述了进水COD 浓度变化时垃圾中温厌氧消化处理的特性,指出,进水容积负荷变化时,反应系统中不出现酸化现象,随着进水有机浓度的提高,整体上COD 去除率虽有所下降,但基本保持在95%以上;UASB 反应器中产气量随进水有机浓

2、度的增大呈增长趋势。关键词:餐厨垃圾;中温厌氧消化处理;进水有机浓度;COD 去除率;产气量中图分类号:X705文献标识码:A文章编号:2095-0802-(201105-0055-03The Study on the Specific Property of the Warm Anaerobic Digestion Processing in Meal Kitchen TrashTIAN Shu-ting ,WU Yang-chun ,KE Shui-zhou(Civil Engineering Institute ,Hunam University ,Changsha 410012,Hun

3、an ,China Abstract :The warm anaerobic digestion deals with meal kitchen trash in the way that small energy consumed and few two-times polluted ,and can deliver the clean energyIt has fine environmental benefit and economic efficiencyThrough the experiment which studied the characteristic of trash w

4、arm anaerobic digestion processing with entering water s COD density changing ,this article show that when the volume of entering water load changed ,no acidified phenomenon appeared in the reaction systemAlong with enhancement of entering water organic density ,the COD elimination rate drops in the

5、 mass ,but basically placed over 95%In the UASB reactor ,gas production rate assumes the growth movement along with enlargement of entering water s organic density overallKey words :meal kitchen trash ;warm anaerobic digestion processing ;entering water s organic density ;COD elimination rate ;gas p

6、roduction rate0引言餐厨垃圾指饭店宾馆、企事业单位食堂、食品加工厂、家庭等加工消费食物过程中形成的残羹剩饭、过期食品、下脚料、废料等废弃物。中国城市固体废弃物中有机物占37.5%,其中,餐厨垃圾约占31.0%。可见,餐厨垃圾在中国城市固体垃圾中所占比重较高,且这一比例随着经济社会的快速发展及人民生活水平的显著提高将会进一步增高1,2。日益增长的城市生活垃圾不仅侵占了大量的土地资源,也严重污染了地下水及周边环境,严重影响了居民的人居环境和身心健康。因此,餐厨垃圾如何处理及处置是中国城市发展面临的重要问题。1餐厨垃圾的特性餐厨垃圾的特点主要体现为:a 含水率极高,一般能达到80% 9

7、0%,且流动性大,易渗漏,不便于收集运输,易降解,若处理不当容易造成二次污染;b 粗蛋白、粗纤维、碳水化合物等有机物含量高,富含N ,P ,K ,Ca 及各种微量元素,具有很大的回收利用价值;c 餐厨垃圾中油类、盐类的含量高,对资源化产品品质影响较大,需要妥善处理;d 餐厨垃圾容易腐烂变质,散发恶臭气体,且易滋生蚊蝇、病菌,引起各种疾病。2餐厨垃圾处理的途径目前,餐厨垃圾的处理有传统的粉碎直排、饲料化处理、卫生填埋、焚烧处理以及资源化堆肥化处理、厌氧生物制氢和厌氧消化等技术。厌氧消化处理技术相对于其他处理技术具有很多优势。餐厨垃圾含水率(10% 20%适合微生物的厌氧发酵,不需要进行水分调节,

8、可回收利用沼气,发酵后的沼渣和沼液中的营养物质仍可利用;C /N 比(10%25%处于厌氧发酵的最适范围(20% 30%;厌氧发酵在密闭容器内进行,不会产生恶臭气体污染空气,对周围环境影响较小。因此,厌氧消化技术诞生以来受到普遍重视,各国都投入大量的人力物力进行研究和试验3-5。3中温厌氧消化处理的特性中温厌氧消化技术指温度控制在30 38时进有机负荷的变化UASB 反应器经模拟餐厨垃圾废水(COD 为4000mg /L 驯化完成后,进行中温条件下餐厨垃圾厌氧·55·2011年第5期2011年5月 消化试验研究。为保证反应器的稳定运行,维持驯化阶段的水力停留时间HRT 为2

9、4h ,进水COD 初始浓度设定为5000mg /L ,试验过程中逐步提高反应器进水COD 浓度。当反应进行到第88天时,进水COD 浓度提升到14000mg /L ,此时,维持进水COD 浓度不变,改变水力停留时间减小有机容积负荷。整个试验阶段反应器内主要试验参数见表1。表1UASB 反应器处理模拟餐厨垃圾废水主要试验参数运行天数d HRT h 进水COD 浓度mg /L COD 容积负荷g /(L ·d 0 13245000 5.0013 262460006.0026 422480008.0042 55241000010.0055 70241200012.0070 8824140

10、0014.0088 9836140009.3398 10848140003.2pH 值的变化特性pH 值是餐厨垃圾厌氧消化过程中的重要影响因素之一,pH 值的大小不仅影响反应器内厌氧微生物的代谢与活性,也能反应出系统中酸碱物质的动态平衡状态。因而,反应过程中维持反应器内一定的pH 值对整个厌氧消 化过程至关重要。一般情况下,厌氧消化所应控制的最佳pH 值为6.50 7.80。图1为模拟餐厨垃圾废水消化降解过程中,进出、水pH 值随进水浓度及反应时间的变化曲线。 图1降解过程中进、出水pH 值的变化曲线由图1可以看出,反应器运行初期,出水pH 值基本维持在6.94 7.31范围,且波动不明显。此

11、时,反应器内的厌氧微生物代谢生长状况良好。随着厌氧微生物对餐厨垃圾废水适应性的逐渐增强,当进水COD 容积负荷提高到12g /(L·d 时,出水pH 虽略呈下降趋势但仍基本维持在6.89以上,仍处于产CH 4菌最佳生长pH 值范围内,反应系统未出现酸化现象。其原因是:a 餐厨垃圾废水中含有足够的碳酸氢盐碱度,能中和反应过程中产生的挥发性脂肪酸(PK 1约为4.8,有效避免因VFA 的积累造成pH 值下滑。相反,随着反应的进行,CH 4菌不断利用降解有机酸生成CH 4,有机酸含量降低,pH 值上升。当反应体系中有充足的碳酸氢盐碱度存在时,会发生式(1的反应,CH 3COOH +Na +

12、HCO 3CH 3COO +Na +CO 2+H 2O ;(1b 餐厨垃圾废水中富含蛋白质等有机物质,蛋白质很容易被蛋白水解酶水解形成氨基酸。氨基酸进一步被微生物转化脱氨方式产生CH 3,NH +4的形成会使PH 值上升。倘若蛋白质的水解与脱氨过程在一定的水力停留时间内完成,整个厌氧消化过程将在酸性的进水条件下持续稳定地进行,形成NH +4发生式(2、式(3反应,ROHNH 2COOH +2H 2O RCOOH +NH 3+CO 2+2H 2,(2NH 3+H 2O +CO 2NH 4+HCO 3,(3反应到第70天时,进水COD 容积负荷提高到14g /(L ·d ,出水pH 值突

13、然持续下降。分析原因可能是蛋白质在厌氧消化过程中形成CH 3,大量游离CH 3的积累具有很强的毒性,COD 去除率的变化特性图2反映了模拟餐厨垃圾废水消化降解过程中,COD 去除率随进水有机浓度及反应时间的变化曲线。图2降解过程中COD 去除率的变化曲线由图2可以看出,随进水有机浓度的提高及消化反应的持续,整体上COD 去除率有所下降,但基本上保持在95%以上。这是因为进水中的有机物质不能完全被消化降解,且消化降解幅度劣于进水有机浓度提升幅度。在厌氧消化反应初期,进水有机浓度比较低(COD 在6000mg /L 以下,出水COD 基本达到100mg /L 以下,可达到对应项目的排放要求。当反应

14、到第29天,进水浓度COD 提高到8000mg /L 时,出水COD 出现短暂的升高,为391.1mg /L ,随后又开始下降并趋于稳定,这可能是进水负荷提升过大所致。在反应后期,有机浓度进一步提高,达到12000mg /L 时,测得进水pH 值小于7.0,进水样开始呈弱酸性,但UASB 反应器的出水效果较好,COD 去除率仍有97%以上,表明,餐厨垃圾废水在进入反应器前形成了一定的预酸化作用。在预酸化反应器中存在大量的水解酸化菌,可有效地降解餐厨垃圾废水中复杂的高分子有机物,形成可溶性易降解物质,同时,去除部分有机物质。当·65·2011年第5期田舒婷,等:餐厨垃圾中温厌

15、氧消化处理特性研究2011年5月反应到第73天时,进水有机浓度达到14000mg /L ,出水pH 值突然下滑,造成COD 去除率明显下降,这可能是进水负荷过高,使反应器内抑制物质不断积累,影响厌氧微生物的代谢能力。产气量的变化特性图3为模拟餐厨垃圾废水厌氧消化降解过程中,产气量随进水有机浓度及反应时间的变化曲线。 图3降解过程中产气量的变化曲线由图3可以看出,随进水有机浓度的提高,UASB 反应器中产气量从整体上呈增长趋势。在消化降解过程前期,由于餐厨垃圾进水浓度低,产气量相对比较少,处在3.06L /d 5.22L /d 之间波动。随着有机浓度的提高,尤其是进水COD 浓度提高到10000

16、mg /L 时,产气量大幅度增长,达到13.80L /d ,产CH 4量为6.76L /d ,此时产CH 4率为49%,表明,反应器内厌氧微生物生长状况良好,产CH 4菌代谢活性高,产气性能强。但是,进水有机浓度提高到14000mg /L 时,由于反应器内积累了大量抑制物,对厌氧微生物产生毒害作用的同时,反应器内酸碱动态平衡失调,产气量减少,只有6.84L /d 。4结语在中温条件下,通过对UASB 高速厌氧反应器消化降解模拟餐厨垃圾试验研究,得到的结果是,a pH 值是餐厨垃圾厌氧消化过程中最关键的操作参数之一,反应器运行初期,出水pH 值基本维持在6.94 7.31范围,且波动不明显。随着

17、进水COD 容积负荷逐步提高到12g /(L ·d ,出水pH 虽略呈下降趋势但基本维持在6.89以上,仍处于产CH 4菌最佳生长pH 值范围内,反应系统并未出现酸化现象;b 随进水有机浓度的提高及消化反应的持续,整体上COD 去除率有所下降,但基本上保持在95%以上;c 对于高速厌氧反应器而言,产气量及产CH 4量是衡量该工艺实际生产能力的重要指标之一。随进水有机浓度的提高,UASB 反应器中产气量整体上呈增长趋势。在消化降解过程前期,产气量相对比较少,处在3.06L /d 5.22L /d 之间波动。随着有机浓度的提高,尤其是在进水COD 浓度提高到10000mg /L 时,产气

18、量大幅度增长,达到13.8L /d 。参考文献:1王向会,李广德,孟虹国内外餐厨垃圾处理状况概述J 环境卫生工程,2005,13(2:41-43.2金光,王晓彤中国城市生活垃圾能源化利用分析J 能源研究与利用,2003(1:33-34.3蒋彬餐厨垃圾中温厌氧消化工艺性能及特征影响因素研究D 南京:东南大学2009:1-2.4李璐,傅金祥,宋奇,等低温UASB 反应器内挥发酸升高的原因与控制措施J 沈阳建筑大学学报,2007,23(5:836-840.5张波,徐剑波,蔡伟民有机废物厌氧消化过程中氨氮的抑制性影响J 中国沼气,2003,21(3:26-29.(责任编辑:耿建华櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆(上接32页持可持续发展的国情要求;c 对电力系统来说,能够不断地丰富它的内涵,并在不断地研究改进中发现更好的节能方法;d 能够提高供电电