餐厨垃圾厌氧消化处理的影响因素研究

刘 丽，刘 同

（山东省环科院环境工程有限公司，济南 250013）

随着我国城市人口的增加和人民生活水平的提高，餐厨垃圾在城市垃圾中的占比不断增大。由于各地区经济发展层次、文化、饮食习惯的不同，其产生的餐厨垃圾成分具有明显的差异。因此，研究餐厨垃圾各成分对处理效率的影响与作用原理对于提高工艺处理效率具有十分重要的意义。餐厨垃圾与其他类型垃圾相比易发生腐烂，影响其存储、运输。厌氧法与传统的焚烧法、填埋法相比，更能充分利用餐厨垃圾中的有机质，处理效率更高，产生的腐殖质具有较高的经济价值。而序批式厌氧消化法作为典型的两相厌氧处理工艺，由于其能量转化效率远高于单相处理工艺，在餐厨垃圾处理中得到广泛应用。

1 餐厨垃圾的组成与处理工艺

餐厨垃圾是人们在生活中形成的一种固体废物，也是城市生活垃圾的重要组成部分。餐厨垃圾主要来源于城市周边的食品加工企业、城市餐饮业以及学校、企业等的大型食堂等，其中含有大量的油脂、碳水化合物，呈黏稠状，含水率在75%以上，夏季温度较高时易腐烂，处理不及时会造成环境污染[1]。

不同条件下产生的餐厨垃圾的成分各不相同。其中主要成分为多糖类、蛋白质、脂质与无机盐等。据调查，我国城市餐厨垃圾的有机质占固废干重的60%～75%，其中碳水化合物含量最高，占总干重的40%～60%，蛋白质含量占比为15%～20%，碳氮比为15～30，不饱和度较高。受饮食习惯的影响，我国早晨产生的餐厨垃圾中的脂肪含量远低于午餐与晚餐阶段，Na+与Ca+的含量相较午餐和晚餐阶段高50%以上。

不同时间段产生的餐厨垃圾经过收集、运输、储存后进入预处理阶段，进行充分混合。为充分模拟处理流程，本试验将不同时间段采集的餐厨垃圾样品按早、中、晚三个阶段固废的产生量比例进行混合，混合样品的检测结果如表1所示。

表1 餐厨垃圾样品组分

序批式厌氧消化工艺利用微生物的分解作用，将餐厨垃圾中的复杂有机物转化为无污染的CO2、H2、H2O与CH4等。在分解过程中，起主要作用的水解菌、酸化细菌与产甲烷细菌在反应室中构成一个简单的生态系统，产甲烷菌利用水解与酸化阶段产生的物质反应生成甲烷，回收后可作为能源使用[2]。序批式厌氧消化工艺目前在大型城市垃圾处理中较为常用，具体工艺流程如图1所示。

图1 序批式厌氧消化工艺流程

2 厌氧消化处理效率的影响因素

本研究通过对序批式厌氧消化工艺进行试验模拟，分析盐分、油脂与pH等因素对处理效率的影响。

2.1 试验方法

在试验过程中，选择容积为10 L的广口瓶模拟厌氧反应器，有效反应容积为8 L。样品进行预处理，混合调质后，加入广口瓶中，与从餐厨垃圾处理厂收集的经过驯化制成的菌液进行混合，在35 ℃的恒温室中发酵，发酵前充入氮气，以保证厌氧的反应环境。

2.2 处理效率的评价参数

在试验过程中，为了客观地反映餐厨垃圾的厌氧处理效率，主要测定的参数为产气量与挥发性脂肪酸（VFAs）含量。试验过程中，利用排饱和食盐水法收集反应产生的气体，采用气相色谱法分析其成分，计算反应气体中的甲烷含量。为了让结果更具代表性，在进行试验结果统计时，计算单位质量物质的产甲烷量，单位产气量越高，说明此条件下的厌氧处理工艺的处理效率越高。

反应器中的VFAs主要包括水解酸化阶段产生的乙酸与丙酸等，VFAs一般在厌氧消化7～8 d后达到一个稳定的浓度，产酸效率能从侧面反映系统处理效率，当酸累积时，反应器内的pH快速降低，抑制产甲烷菌的活性，致使系统逐渐丧失处理能力[3]。

2.3 影响因素与试验结果

厌氧消化过程中，酸化阶段会产生有机酸，因此运行过程中，溶液的pH会相应发生变化。为了保证消化反应的正常进行，提高处理效率，必须合理控制反应过程的pH。本试验利用NaOH溶液调节反应器中溶液的pH，试验所得单位产气量记录结果如图2所示。

图2 pH对产气量的影响

由此可见，适宜反应的pH为6.0～7.5，最佳反应pH为6.7，接近中性，此时产甲烷菌较为活跃。最佳pH条件下，反应器运行30 d时，系统中VFAs中的含量最高，乙酸是产甲烷菌可直接利用的底物，高含量的乙酸为产甲烷菌发挥分解作用提供了有利条件[4]。

向调节后的样品溶液中投加一定量的脂肪类物质，改变样品的油脂含量，试验所得单位产气量记录结果如图3所示。

图3 油脂含量对产气量的影响

原样品的油脂含量占湿重的3%，由试验结果可知，当外加20%油脂时，产气量达到最大，计算可得，此时油脂含量占总湿重的3.5%，而过高的油脂含量会导致产气率下降，这主要是由于油脂类在有机质中的占比影响了餐饮垃圾的总体碳氮比，碳氮比失衡影响系统的处理能力[5]。向调节后的样品溶液中投加一定量的NaCl，改变样品的盐分浓度，试验所得单位产气量记录结果如图4所示。

图4 盐分含量对产气量的影响

由图4可得，厌氧消化过程中，随着NaCl浓度增加，产气量逐渐减小。未投加NaCl的空白对照组单位产气量明显高于试验组。由此可见，餐厨垃圾中NaCl浓度与单位产气量成反比，NaCl对于厌氧消化有抑制作用。对比发现，试验组的VFAs含量高于空白组，说明小分子有机酸在反应器中积累，可见反硝化细菌比水解菌与酸化细菌对盐分更敏感，更容易受到消化液中盐分浓度的影响，盐分对其正常生命活动产生了不利影响。

综上可得，餐厨垃圾进行序批式厌氧消化处理时，最适反应pH为6.7，餐厨垃圾的油脂和盐分含量均会对消化过程产生影响，当油脂含量为3.5%时，产气量最大，随着油脂含量的增高，系统产气量降低；餐厨垃圾中盐分含量越高，抑制作用越明显，系统产气量越低。

3 结语

本文通过试验分析了餐厨垃圾的序批式厌氧消化工艺的影响因素，研究了pH、油脂和盐分对处理效率的影响，得到了厌氧消化处理工艺的最佳反应pH及油脂、盐分含量，为提高序批式厌氧消化工艺的处理效率提供了数据与理论支持。但在实际应用过程中，高产气量并不是判断厌氧处理系统运行可靠性与经济性的唯一因素，要对系统进行更加全面的评价，合理地投加外源物质来调节餐厨垃圾组成，充分发挥消化系统的处理能力。