有机负荷对厨垃圾厌氧消化系统稳定性的影响

在餐厨垃圾厌氧消化系统中，高负荷稳定运行并获得高产沼气是实现餐厨垃圾无害化、减量化、资源化可行性的关键。但在全国的餐厨垃圾厌氧消化工程项目中，厌氧消化系统酸化仍是较为常见现象。研究通过向稳定的大型厌氧消化系统中连续投加餐厨垃圾，逐步提高系统的单位体积有机负荷，检测在此过程中沼气气量及沼气中甲烷含量变化、系统pH 值变化、系统挥发性脂肪酸（VFA）浓度及碱度等监测指标的变化，探索大型全混合厌氧消化系统（CSTR）稳定运行的单位体积有机负荷合理区间，为大型的全混合厌氧消化系统稳定化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本实验用的餐厨垃圾来源于深圳市罗湖区大型的餐厅酒楼，其主要成分如表1 所示。

表1 餐厨垃圾理化指标

1.2 试验设备

试验用设备为容积3000m3的全混合式厌氧消化罐（CSTR），其中有效厌氧消化容积2200m3，高径比1：1，SUS316 材质。采用侧壁盘管和基座盘管传热控温，通过PT100 温度传感器实时监控温度，发酵温度37℃。设备采用侧壁机械搅拌加外循环流体搅拌的间歇搅拌方式，总搅拌功率67kW，搅拌频率设置为60min/3h。采用连续流加的进料方式，压力控制自动排气。

1.3 实验方法

以固定单位体积有机负荷梯度递增的方式往稳定运行的单位体积有机负荷为1.5kg TVS/（m3·d）的CSTR 罐内逐步增加投料量，投料梯度设定为增加单位体积有机负荷0.1kg TVS/（m3·d），每个浓度梯度维持3 天，直至厌氧消化系统单位体积有机负荷提升至3.2kg TVS/（m3·d），检测消化液pH、碱度、氨氮、挥发性脂肪酸，并通过流量计和快速检测仪监测沼气产量和沼气中甲烷含量的变化，各指标测定方法见表2。

表2 各指标测定方法

2 结果与分析

2.1 氮浓度的变化

试验过程中，每天测定消化液中总氮和氨氮浓度，其变化如图1 所示。由图1 分析，随着厌氧系统单位体积有机负荷不断提升，厌氧消化液中的总氮浓度从2800mg/L 缓慢小幅上升至最高3200mg/L。氨氮浓度同步不断上升，负荷提升至2.2～2.5 kg TVS/（m3·d）之间时，氨氮浓度达到2500mg/L，此时氨氮与总氮的比例亦处于最高状态。随着有机负荷继续提高，氨氮浓度和氨氮与总氮的比例开始缓慢下降，至3.0kg TVS/（m3·d）有机负荷时，氨氮达到快速降至2000mg/L 以下，并随着有机负荷的进一步提升至3.2mg/L 时急剧降至1000mg/L以下，系统显著酸化。

图1 不同有机负荷条件下厌氧消化系统氮素的变化

2.2 碱度与pH变化

由图2 可知，厌氧消化系统内的碱度和pH 随系统的单位体积有机负荷变化而变化，有机负荷从1.5kg TVS/（m3·d）缓慢提升至2.8kg TVS/（m3·d）时，系统碱度和pH 分别维持在9000～12000mg/L 与7.8～8.1 之间，当有机负荷继续提升，碱度和pH 均开始快速下降，有机负荷升至3.2 kg TVS/（m3·d）时，碱度急剧降至4000mg/L 以下，pH 降至6.0 以下，维持相同有机负荷水平，碱度和pH 继续下降，厌氧消化体系无法恢复。

图2 不同有机负荷条件下厌氧消化系统碱度和pH 的变化

2.3 挥发性脂肪酸（VFA）浓度变化

由图3 可知，VFA 随系统的单位体积有机负荷变化而变化，有机负荷从1.5kg TVS/（m3·d）缓慢提升至2.8 kg TVS/（m3·d）时，系统消化液VFA 维持在4000～8000mg/L，系统厌氧代谢正常，当有机负荷继续提升，VFA 浓度快速提升至10000mg/L 以上，厌氧系统快速酸化，维持相同有机负荷水平，无法降低VFA 浓度，厌氧消化体系无法恢复。

图3 不同有机负荷条件下厌氧消化系统挥发性脂肪酸（VFA）浓度的变化

2.4 沼气产率与甲烷体积浓度变化

由图4 可知，厌氧消化系统的体积产气效率和气体的甲烷含量均随着系统的单位体积有机负荷变化而变化，有机负荷从1.5kg TVS/（m3·d）缓慢提升至2.4kg TVS/（m3·d）时，系统产气效率也缓慢上升，有机负荷从2.5kg TVS/（m3·d）至2.8kg TVS/（m3·d），系统产气效率维持在2.55～2.68m3/m3/d 之间，在此过程中，气体中甲烷含量维持在60%以上。随着系统有机负荷进一步提升，系统产气效率和甲烷含量开始逐渐快速下降，至3.2kg TVS/（m3·d），系统产气效率降至1.0m3/m3/d 以下，甲烷含量降至35%，厌氧系统迅速酸化，维持相同有机负荷水平，产气效率和甲烷含量继续下降，厌氧消化体系无法恢复。

图4 不同有机负荷条件下厌氧消化系统沼气产率和甲烷体积浓度的变化

3 结论

①在维持2.5～2.8 kg TVS/（m3·d）单位体积负荷的情况下，大型CSTR 厌氧消化系统能够实现餐厨垃圾单一物料稳定化运行，并获得较高的沼气产率和甲烷产率，沼气产率达到2.55～2.68m3/（m3·d），沼气中甲烷体积比率达到62%～65%。

②体积负荷过高是引起CSTR 厌氧消化体系酸化的重要因素，当单位体积负荷超过3.0 kg TVS/（m3·d）时，体系逐渐出现酸化现象，当体积负荷达到 3.2 kg TVS/（m3·d）时，厌氧消化体系表现出强烈的底物抑制，快速从甲烷化转向酸化，维持有机负荷水平无法阻断酸化的继续，最终厌氧体系彻底酸化。

③厌氧消化系统在甲烷化转入酸化的过程中，会发生一系列的指标变化，氨氮浓度快速下降至1000mg/L 以下，厌氧消化系统碱度急剧降至4000mg/L 以下，pH 降至6.0 以下，挥发性脂肪酸快速升高10000mg/L 以下，系统体积产气效率积极下降，同时气体组分中的甲烷体积比例也快速下降。利用厌氧消化系统酸化过程发生的这些指标变化，通过提前预警，可以有效防止系统酸化的发生。