餐廚垃圾厭氧消化工藝的影響與優(yōu)化
0 引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市生活垃圾中以餐廚垃圾為主的易腐性有機(jī)物含量不斷增加，造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，成為可持續(xù)發(fā)展的隱患之一，引起了全社會(huì)的關(guān)注；而另一方面，餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)含量高、易生物降解的特性又為其能量回收利用提供了極好的條件。隨著人民生活水平的日益提高和城市環(huán)境管理強(qiáng)度的加大，對(duì)餐廚垃圾實(shí)施專門(mén)管理勢(shì)在必行，對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行減量化、無(wú)害化、資源化利用具有廣闊的前景。餐廚垃圾厭氧消化技術(shù)完全能夠達(dá)到上述要求，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面都有了較為廣泛且深入的研究。
在此，從厭氧消化工藝選擇、產(chǎn)甲烷性能優(yōu)化和聯(lián)合消化等3個(gè)方面，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，分析目前國(guó)內(nèi)外餐廚垃圾厭氧消化工藝的特點(diǎn)及研究進(jìn)展，以期為餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷性能優(yōu)化及我國(guó)工業(yè)化應(yīng)用的研究方向提供一定借鑒。
1 工藝形式選擇
1.1濕式與干式消化
濕式消化采用低固體的漿液或液態(tài)消化，技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用最為廣泛。但濕式消化對(duì)于有機(jī)固體廢物的處理存在預(yù)處理復(fù)雜、處理能力較低的問(wèn)題，且更易受到氨氮、鹽份等物質(zhì)的抑制。
針對(duì)濕式消化存在的問(wèn)題，研究者提出了干式消化的概念。干式消化系統(tǒng)的固體濃度可維持在20%～40%，大大提高了處理能力，而且在系統(tǒng)投資、設(shè)備效率、物料綜合利用等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。但固體濃度的增加同時(shí)導(dǎo)致物料中毒性物質(zhì)及傳質(zhì)的影響加強(qiáng)，在具體技術(shù)應(yīng)用上尚存在較多的不確定性和難度。因此，干式消化工藝參數(shù)的確定、反應(yīng)器的構(gòu)建及過(guò)程的控制等方面是其研究的重點(diǎn)。
餐廚垃圾的含固率較高，一般在20%左右，且物料組成復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)含量高，極易酸化，從而對(duì)產(chǎn)甲烷菌活性產(chǎn)生抑制。采用干式厭氧消化，則餐廚垃圾易酸化的特點(diǎn)使如何控制反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)酸速率和維持pH值的穩(wěn)定成為工藝的難點(diǎn)；采用濕式消化，可降低物料中毒性物質(zhì)的影響，但處理能力較低。所以，保持餐廚垃圾原有基質(zhì)狀態(tài)加以適當(dāng)調(diào)理，在較為合適的含固率下進(jìn)行厭氧消化處理，符合餐廚垃圾處理產(chǎn)業(yè)化的要求。
1.2單相與兩相消化
單相消化過(guò)程簡(jiǎn)單，易于控制，但由于各階段在同一條件下進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各階段的最佳反應(yīng)條件，反應(yīng)器在相互制約的條件下運(yùn)行，難以實(shí)現(xiàn)較高的產(chǎn)甲烷效率。
為彌補(bǔ)單項(xiàng)厭氧消化的缺陷，GHOSH于1983年提出一種改進(jìn)的兩相消化過(guò)程來(lái)處理有機(jī)垃圾。該消化系統(tǒng)包括水解酸化反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器2個(gè)部分，從而為2類微生物菌群分別提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，提高了整個(gè)厭氧消化的效率。
兩相消化的重點(diǎn)在于相分離，因此，針對(duì)不同的廢水(廢物)，結(jié)合各種新型高效厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn)和運(yùn)行參數(shù)控制進(jìn)行產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的組合以達(dá)到更好的處理效果成為新的研究方向。近年來(lái)，基于兩相消化的半連續(xù)式固液混合厭氧系統(tǒng)(hybrid anaerobic solid-liquid，HASL)和三段式消化系統(tǒng)(three stage fermentation system)在實(shí)際運(yùn)用中得到了較好的運(yùn)行效果，并在進(jìn)一步的研究和優(yōu)化中。
1.3中溫與高溫消化
目前，中溫和高溫消化各有其優(yōu)勢(shì)：中溫消化較早應(yīng)用于實(shí)際工程中，具有較低的能耗、較高的處理能力及更為成熟的工藝控制，而且有研究發(fā)現(xiàn)中溫消化對(duì)溫度變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性；而高溫消化則具有處理負(fù)荷高、反應(yīng)時(shí)間短和反應(yīng)器容積小等優(yōu)點(diǎn)，且高溫條件可有效殺滅病原菌、降解有機(jī)物，并能降低后續(xù)處理中污泥脫水的難度。但高溫消化對(duì)環(huán)境有更為苛刻的要求。因此，高溫消化過(guò)程的穩(wěn)定性及條件優(yōu)化成為目前研究的熱點(diǎn)之一。
然而，厭氧消化的保溫能耗是整個(gè)工藝的主要能耗之一，如何在保證其產(chǎn)甲烷性能的前提下，降低能耗，也是今后研究的方向之一。
2 餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷性能優(yōu)化
2.1預(yù)處理
厭氧消化的預(yù)處理一般是對(duì)物料進(jìn)行熱預(yù)處理。近年來(lái)，STABNIKOVA從餐廚垃圾處理的實(shí)際情況出發(fā)，將餐廚垃圾進(jìn)行冰凍/解凍預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)其水解和發(fā)酵過(guò)程得到了強(qiáng)化，且使得序批處理時(shí)間減少了42%，能量需求比同等熱預(yù)處理少3倍。
此外，研究人員對(duì)物料進(jìn)行了物理、化學(xué)、生物溶胞預(yù)處理研究。溶胞預(yù)處理可破壞細(xì)胞膜(壁)使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流出，增加可溶性COD，使微生物易于粘附，有利于酶作用，從而促進(jìn)底物的消化。
餐廚垃圾中含有纖維素，在其含量較多時(shí)，可考慮采用溶胞預(yù)處理的方式，促進(jìn)物料的消化，從而提高厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣效率。此外，針對(duì)餐廚垃圾高油脂、高油份的特性，研究適合餐廚垃圾厭氧消化的預(yù)處理方法同樣重要。
2.2添加劑投加
在厭氧消化工藝中，微量金屬元素的加人能使厭氧反應(yīng)器中甲烷菌的優(yōu)勢(shì)菌種發(fā)生變化，從而提高乙酸利用率，并對(duì)毒性物質(zhì)產(chǎn)生拮抗作用。潘云鋒等研究發(fā)現(xiàn)：在其他條件相同的條件下，投加Fe，Co，Ni等痕量金屬離子比沒(méi)有投加的系統(tǒng)產(chǎn)氣量、甲烷含量及COD去除率均有不同幅度的提高，同時(shí)還有利于縮短停留時(shí)間并減小發(fā)酵罐的體積。
王星等評(píng)價(jià)了各類礦物材料對(duì)含鹽餐廚垃圾厭氧消化的促進(jìn)影響，其中膨潤(rùn)土的促進(jìn)作用最大。這是因?yàn)榕驖?rùn)土對(duì)Na于具有良好的吸附性能并能釋放大量的Ca2+，M2+，從而改變細(xì)胞的通透性，使微生物選擇性的吸收自身所需要的養(yǎng)分。
餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中投加適當(dāng)?shù)奶砑觿捎行岣呦到y(tǒng)產(chǎn)甲烷性能，同時(shí)也會(huì)增加相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用，該措施在工程運(yùn)用中的可行性仍需進(jìn)一步研究。
2.3消化液回流
當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)抑制作用時(shí)，將消化液回流可緩解抑制作用。王星等研究了消化液回流比與有機(jī)負(fù)荷率(organic loading rate，OLR)對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的聯(lián)合影響，結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)處于低水平OLR時(shí)，可逐步提高消化液回流比以促進(jìn)消化過(guò)程的進(jìn)行；當(dāng)系統(tǒng)處于高水平OLR時(shí)，回流比的選擇應(yīng)以低水平為宜。
此外，不同階段反應(yīng)器中的消化液進(jìn)行交換對(duì)產(chǎn)甲烷性能的影響也有相關(guān)研究。DEARMAN等將啟動(dòng)和成熟的序批式厭氧反應(yīng)器消化液以不同比例交換回流，結(jié)果表明隨著2套反應(yīng)器中消化液的增加，物料的降解時(shí)間縮短，但總產(chǎn)甲烷量并無(wú)明顯變化，每千克進(jìn)料VS的甲烷產(chǎn)量在229～214L之間，不過(guò)由于啟動(dòng)裝置中高濃度揮發(fā)性脂肪酸(VFA)滲濾液的增加，成熟裝置中CO2和甲烷混合物發(fā)生了改變。
2.4工藝條件優(yōu)化
厭氧消化反應(yīng)中生物相和反應(yīng)環(huán)境相對(duì)好氧反應(yīng)更為復(fù)雜，要提高工藝產(chǎn)甲烷速率，則須在原有的厭氧消化條件下，更深入地細(xì)化、優(yōu)化工藝條件，以達(dá)到理想的產(chǎn)甲烷狀態(tài)。
2.4.1物料成分組成
CHO等對(duì)不同餐廚垃圾成分及混合物(mixed food waste，MFW)進(jìn)行產(chǎn)氣潛能研究，測(cè)量其生化產(chǎn)甲烷潛能(biochemical methane potentials，BMP)。研究發(fā)現(xiàn)熟肉食品、纖維素、米飯、蔬菜、MFW的每千克進(jìn)料VS的甲烷產(chǎn)量分別為482，356，294，277和472mL。由此可看出，餐廚垃圾中肉類對(duì)提高產(chǎn)甲烷量有著重要的作用，同時(shí)肉類降解所產(chǎn)生的氨氮、VFA對(duì)于產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的平衡有著重要的意義，因此需要找到控制的平衡點(diǎn)。厭氧消化系統(tǒng)中微生物相復(fù)雜，對(duì)于氨氮、VFA的平衡關(guān)系主要從系統(tǒng)pH值上直接體現(xiàn)。因此，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究氨氮、VFA與pH值的變化關(guān)系，從而為工業(yè)應(yīng)用的運(yùn)行控制做相應(yīng)的參考。
2.4.2 pH值
厭氧消化過(guò)程中的pH值不但對(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性及種類有重要影響，對(duì)產(chǎn)酸相也有影響。產(chǎn)酸相中VFA作為后續(xù)產(chǎn)甲烷過(guò)程中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌可直接利用的基質(zhì)，利于甲烷的產(chǎn)生；而乳酸不但能夠引起水解酸化階段pH的急劇下降，且極可能在產(chǎn)甲烷階段轉(zhuǎn)化為丙酸，將不利于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過(guò)程的正常進(jìn)行。因此希望能利用各種方法盡量減少乳酸在水解酸化階段的產(chǎn)量。
張波等發(fā)現(xiàn)，采取不同方式調(diào)節(jié)pH值，VFA組分有所不同。其中，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)料m(C):m(N)來(lái)調(diào)節(jié)餐廚垃圾水解酸化過(guò)程的pH值，可取得更高的水解速率常數(shù)和VFA產(chǎn)率，并且在實(shí)驗(yàn)后期產(chǎn)生更低的乳酸濃度。對(duì)于m(C):m(N)調(diào)節(jié)pH值對(duì)氨氮濃度的變化影響未有提及，因此，可在后續(xù)的研究中與系統(tǒng)氨氮、VFA平衡關(guān)系相聯(lián)系，進(jìn)一步地來(lái)考察m(C):m(N)調(diào)節(jié)pH值對(duì)整個(gè)厭氧消化過(guò)程的影響。
2.4.3顆粒粒度
研究人員發(fā)現(xiàn)顆粒粒度減小可使比表面積增大，一方面提高纖維素的可生化性，加大產(chǎn)氣量，使垃圾的減量化程度提高；另一方面減少有機(jī)廢物消化的時(shí)間。KIM等研究了餐廚垃圾的顆粒粒度對(duì)基質(zhì)利用率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)餐廚垃圾顆粒尺寸由1.02mm增加到2.14mm時(shí)，基質(zhì)最大利用率由0.0033/h降至0.0015/h。這證明了顆粒粒度在餐廚垃圾的厭氧消化過(guò)程中是一個(gè)重要的影響因素。
2.5抑制物控制
高濃度的抑制物是厭氧反應(yīng)器失衡的最初原因。厭氧反應(yīng)器中的抑制因素通常包括氨氮、硫化物、金屬離子和有機(jī)物。
氨氮的抑制性濃度，各研究者有著不同的觀點(diǎn)，一般質(zhì)量濃度在1.7～14g/L范圍的總氨氮(total ammonia nitrogen，TAN)濃度會(huì)對(duì)厭氧消化產(chǎn)生抑制作用，這與研究的反應(yīng)器環(huán)境和微生物馴化不同有關(guān)。對(duì)于氨氮抑制性的控制大致可從濃度、pH值、溫度、其他離子的存在及環(huán)境適應(yīng)性上著手。
對(duì)于硫化物毒性的控制，主要是降低產(chǎn)甲烷階段溶液中H2S的濃度。其途徑有提高pH值、利用高溫、稀釋廢水、采用鉬酸鹽抑制劑、氣體吹脫、化學(xué)沉淀、兩相厭氧消化等。
適量的堿金屬有助于厭氧微生物的生命活動(dòng)，可刺激微生物的活性；但含量過(guò)多，則會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)。KIM等在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Na+的質(zhì)量濃度超過(guò)5000mg/L的時(shí)候，餐廚垃圾厭氧消化的甲烷產(chǎn)量逐漸降低。重金屬對(duì)細(xì)菌的毒害作用主要是由溶解成離子狀態(tài)的重金屬所致，若可溶性重金屬與硫化物結(jié)合形成不溶性鹽類，則對(duì)微生物無(wú)惡毒影響。
2.2添加劑投加
在厭氧消化工藝中，微量金屬元素的加人能使厭氧反應(yīng)器中甲烷菌的優(yōu)勢(shì)菌種發(fā)生變化，從而提高乙酸利用率，并對(duì)毒性物質(zhì)產(chǎn)生拮抗作用。潘云鋒等研究發(fā)現(xiàn)：在其他條件相同的條件下，投加Fe，Co，Ni等痕量金屬離子比沒(méi)有投加的系統(tǒng)產(chǎn)氣量、甲烷含量及COD去除率均有不同幅度的提高，同時(shí)還有利于縮短停留時(shí)間并減小發(fā)酵罐的體積。
王星等評(píng)價(jià)了各類礦物材料對(duì)含鹽餐廚垃圾厭氧消化的促進(jìn)影響，其中膨潤(rùn)土的促進(jìn)作用最大。這是因?yàn)榕驖?rùn)土對(duì)Na于具有良好的吸附性能并能釋放大量的Ca2+，M2+，從而改變細(xì)胞的通透性，使微生物選擇性的吸收自身所需要的養(yǎng)分。
餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中投加適當(dāng)?shù)奶砑觿，可有效提高系統(tǒng)產(chǎn)甲烷性能，同時(shí)也會(huì)增加相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用，該措施在工程運(yùn)用中的可行性仍需進(jìn)一步研究。
2.3消化液回流
當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)抑制作用時(shí)，將消化液回流可緩解抑制作用。王星等研究了消化液回流比與有機(jī)負(fù)荷率(organic loading rate，OLR)對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的聯(lián)合影響，結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)處于低水平OLR時(shí)，可逐步提高消化液回流比以促進(jìn)消化過(guò)程的進(jìn)行；當(dāng)系統(tǒng)處于高水平OLR時(shí)，回流比的選擇應(yīng)以低水平為宜。
此外，不同階段反應(yīng)器中的消化液進(jìn)行交換對(duì)產(chǎn)甲烷性能的影響也有相關(guān)研究。DEARMAN等將啟動(dòng)和成熟的序批式厭氧反應(yīng)器消化液以不同比例交換回流，結(jié)果表明隨著2套反應(yīng)器中消化液的增加，物料的降解時(shí)間縮短，但總產(chǎn)甲烷量并無(wú)明顯變化，每千克進(jìn)料VS的甲烷產(chǎn)量在229～214L之間，不過(guò)由于啟動(dòng)裝置中高濃度揮發(fā)性脂肪酸(VFA)滲濾液的增加，成熟裝置中CO2和甲烷混合物發(fā)生了改變。
2.4工藝條件優(yōu)化
厭氧消化反應(yīng)中生物相和反應(yīng)環(huán)境相對(duì)好氧反應(yīng)更為復(fù)雜，要提高工藝產(chǎn)甲烷速率，則須在原有的厭氧消化條件下，更深入地細(xì)化、優(yōu)化工藝條件，以達(dá)到理想的產(chǎn)甲烷狀態(tài)。
2.4.1物料成分組成
CHO等對(duì)不同餐廚垃圾成分及混合物(mixed food waste，MFW)進(jìn)行產(chǎn)氣潛能研究，測(cè)量其生化產(chǎn)甲烷潛能(biochemical methane potentials，BMP)。研究發(fā)現(xiàn)熟肉食品、纖維素、米飯、蔬菜、MFW的每千克進(jìn)料VS的甲烷產(chǎn)量分別為482，356，294，277和472mL。由此可看出，餐廚垃圾中肉類對(duì)提高產(chǎn)甲烷量有著重要的作用，同時(shí)肉類降解所產(chǎn)生的氨氮、VFA對(duì)于產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的平衡有著重要的意義，因此需要找到控制的平衡點(diǎn)。厭氧消化系統(tǒng)中微生物相復(fù)雜，對(duì)于氨氮、VFA的平衡關(guān)系主要從系統(tǒng)pH值上直接體現(xiàn)。因此，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究氨氮、VFA與pH值的變化關(guān)系，從而為工業(yè)應(yīng)用的運(yùn)行控制做相應(yīng)的參考。
2.4.2 pH值
厭氧消化過(guò)程中的pH值不但對(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性及種類有重要影響，對(duì)產(chǎn)酸相也有影響。產(chǎn)酸相中VFA作為后續(xù)產(chǎn)甲烷過(guò)程中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌可直接利用的基質(zhì)，利于甲烷的產(chǎn)生；而乳酸不但能夠引起水解酸化階段pH的急劇下降，且極可能在產(chǎn)甲烷階段轉(zhuǎn)化為丙酸，將不利于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過(guò)程的正常進(jìn)行。因此希望能利用各種方法盡量減少乳酸在水解酸化階段的產(chǎn)量。
張波等發(fā)現(xiàn)，采取不同方式調(diào)節(jié)pH值，VFA組分有所不同。其中，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)料m(C):m(N)來(lái)調(diào)節(jié)餐廚垃圾水解酸化過(guò)程的pH值，可取得更高的水解速率常數(shù)和VFA產(chǎn)率，并且在實(shí)驗(yàn)后期產(chǎn)生更低的乳酸濃度。對(duì)于m(C):m(N)調(diào)節(jié)pH值對(duì)氨氮濃度的變化影響未有提及，因此，可在后續(xù)的研究中與系統(tǒng)氨氮、VFA平衡關(guān)系相聯(lián)系，進(jìn)一步地來(lái)考察m(C):m(N)調(diào)節(jié)pH值對(duì)整個(gè)厭氧消化過(guò)程的影響。
2.4.3顆粒粒度
研究人員發(fā)現(xiàn)顆粒粒度減小可使比表面積增大，一方面提高纖維素的可生化性，加大產(chǎn)氣量，使垃圾的減量化程度提高；另一方面減少有機(jī)廢物消化的時(shí)間。KIM等研究了餐廚垃圾的顆粒粒度對(duì)基質(zhì)利用率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)餐廚垃圾顆粒尺寸由1.02mm增加到2.14mm時(shí)，基質(zhì)最大利用率由0.0033/h降至0.0015/h。這證明了顆粒粒度在餐廚垃圾的厭氧消化過(guò)程中是一個(gè)重要的影響因素。
2.5抑制物控制
高濃度的抑制物是厭氧反應(yīng)器失衡的最初原因。厭氧反應(yīng)器中的抑制因素通常包括氨氮、硫化物、金屬離子和有機(jī)物。
氨氮的抑制性濃度，各研究者有著不同的觀點(diǎn)，一般質(zhì)量濃度在1.7～14g/L范圍的總氨氮(total ammonia nitrogen，TAN)濃度會(huì)對(duì)厭氧消化產(chǎn)生抑制作用，這與研究的反應(yīng)器環(huán)境和微生物馴化不同有關(guān)。對(duì)于氨氮抑制性的控制大致可從濃度、pH值、溫度、其他離子的存在及環(huán)境適應(yīng)性上著手。
對(duì)于硫化物毒性的控制，主要是降低產(chǎn)甲烷階段溶液中H2S的濃度。其途徑有提高pH值、利用高溫、稀釋廢水、采用鉬酸鹽抑制劑、氣體吹脫、化學(xué)沉淀、兩相厭氧消化等。
適量的堿金屬有助于厭氧微生物的生命活動(dòng)，可刺激微生物的活性；但含量過(guò)多，則會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)。KIM等在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Na+的質(zhì)量濃度超過(guò)5000mg/L的時(shí)候，餐廚垃圾厭氧消化的甲烷產(chǎn)量逐漸降低。重金屬對(duì)細(xì)菌的毒害作用主要是由溶解成離子狀態(tài)的重金屬所致，若可溶性重金屬與硫化物結(jié)合形成不溶性鹽類，則對(duì)微生物無(wú)惡毒影響。
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