餐厨垃圾两相厌氧消化小试工艺研究

SustainableEnergy可持续能源,2017,7(4),69-77PublishedOnlineAugust2017inHans.://doi.org/10.12677/se.2017.74008文章引用:王星,刘晓兰.餐厨垃圾两相厌氧消化小试工艺研究[J].可持续能源,2017,7(4):69-77.DOI:10.12677/se.2017.74008BenchScaleStudyofMethaneProductionfromFoodWasteinCombinedTwo-StageProcessXingWang*,XiaolanLiuBeijingCapitalEnvironmentCompany,BeijingReceived:Jul.26th,2017;accepted:Aug.9th,2017;published:Aug.17th,2017AbstractToinvestigatethefermentationfeaturesoffoodwasteatdifferentloadingrates,alabscalefer-mentationprocessfortheanaerobictreatmentoffoodwastewascarriedoutwithatwophasebioreactor.Theexperimentsetupfourstep-wiselyincreasedloadingrates,theeffectsofvolatilefattyacid,ammonianitrogen,retentiontimeandloadingratesonfermentationprocesswerestu-died.Attheorganicloadingrateof22.65kgVS/m3·dinhydrolysisreactorand6.25kgVS/m3·dinmethanereactor,specificmethaneyieldof0.551m3/kgVSisachieved.Theresearchshowsthatthespecificmethaneyieldsdeclinedwhenorganicloadingratesincreasedfrom2.97to8.15kgTS/m3·d,butthevolumebiogasproductionrateincreasedfrom1.61to3.91m3/m3·d.Withre-gardingtocommercialfoodwasteanaerobicdigestionproject,highervolumebiogasproductionratemeansmorebiogasproductionandmoreeconomicprofits.KeywordsFoodWaste,Two-StageAnaerobicDigestion,Bench-ScaleExperiment餐厨垃圾两相厌氧消化小试工艺研究王星*，刘晓兰北京首创环境投资有限公司，北京收稿日期：2017年7月26日；录用日期：2017年8月9日；发布日期：2017年8月17日*通讯作者。王星，刘晓兰DOI:10.12677/se.2017.7400870可持续能源摘要本文以餐厨垃圾为原料，利用两相厌氧消化装置开展了厌氧消化工艺的实验研究。实验建立了四个进料浓度梯度，通过逐步提高进料料浆的浓度，研究了在不同进料负荷率情况下，厌氧消化系统的变化趋势，分析了进料负荷率与挥发性脂肪酸、氨氮浓度的变化关系。实验发现，当酸化相有机负荷率为22.65kgVS/m3·d，甲烷相有机负荷率为6.25kgVS/m3·d时，单位产气率最佳，可到0.551m3/kgVS。实验发现，当有机负荷率从2.97上升至8.15kgTS/m3·d时，虽然单位产气率出现下降，但是厌氧系统的容积产甲烷率从1.61上升到3.91m3/m3·d。这对于商业运行的餐厨垃圾厌氧消化工程而言，容积产气率的上升，提高了每日进场餐厨垃圾的总量，增加了每日的沼气绝对产量，提升了沼气发电量或者提纯后天然气的总量，对项目的经济性有明显的改善。关键词餐厨垃圾，两相厌氧消化，小试研究Copyright©2017byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言2017年3月30日，《生活垃圾分类制度实施方案》正式出台。随着该方案的推进和实施，餐厨垃圾、厨余垃圾等易腐垃圾的厌氧消化处理成为环保行业的热点之一。餐厨垃圾厌氧消化技术利用了厌氧微生物的高有机负荷承受能力，实现了沼气这种可再生能源的回收利用。目前餐厨垃圾厌氧消化技术主要以两段法厌氧消化工艺与整体一段法为主。两段法把消化过程中的水解酸化阶段和甲烷发酵阶段分离开来，而一段法则整合了这两个阶段。由于餐厨垃圾极易酸化的特点，目前国内有不少商业运行的餐厨垃圾厌氧消化项目使用了两相厌氧工艺。本文利用小试规模的卧式水解酸化罐、立式完全混合式甲烷反应器为实验装置，开展了餐厨垃圾两相厌氧消化工艺研究。在水解酸化阶段，利用餐厨垃圾自身富含的大量微生物为菌种，完成水解酸化阶段。水解酸化液随后进入立式完全混合型反应器进行甲烷化过程。为了充分掌握餐厨垃圾两相厌氧消化的工艺特点，本文通过建立调整进料负荷、停留时间，掌握了在小试条件下，餐厨垃圾水解酸化和甲烷发酵阶段的运行情况，为餐厨垃圾厌氧消化工程的设计工作提供了依据。2.材料与方法2.1.实验材料2.1.1.餐厨垃圾与接种物实验所用餐厨垃圾由某区环卫局负责收集，随后进行筛分、粉碎淬浆处理。首先利用振动筛对餐厨垃圾进行筛分，振动筛上下振幅1~2cm、震动频率为800~1000次/分钟，筛孔直径为2~3cm；对筛分除杂后的餐厨垃圾进行粉碎、淬浆。淬浆后的餐厨垃圾粒径约为1~3mm。甲烷发酵接种物取自江苏某酒精厂，该厂利用木薯为酒精发酵原料，利用UASB塔厌氧污泥为甲烷发酵罐的接种物。餐厨垃圾和接种物的理化性质见表1。OpenAccess王星，刘晓兰DOI:10.12677/se.2017.7400871可持续能源Table1.Characteristicsoffoodwasteandinoculum表1.餐厨垃圾和接种污泥理化性质参数餐厨垃圾接种污泥TS(%)17.60±0.355.78±0.42VS/TS(%)85.91±1.2763.66±1.68pH4.68±0.147.04±0.27总氮(%)2.34±0.080.42±0.15TCOD(gO2/kg)211.79±11.1393.114±4.362.2.两相厌氧消化产氢产甲烷系统小试研究采用两相厌氧消化的模式运行，该系统由卧式水解酸化罐(总容积0.45m3、有效容积0.2m3)和完全混合立式甲烷反应器(总容积1.5m3、有效容积1m3)组成。该系统设置了两个缓冲罐用以短时间储存淬浆后的餐厨垃圾及水解酸化罐体的出料。进料时，先将餐厨垃圾投入缓冲罐，随后用蠕动泵将餐厨垃圾泵入水解酸化罐进行氢气发酵，水解酸化罐体的出料经螺杆泥浆泵抽入第二个缓冲罐，随后由泥浆泵泵入甲烷发酵罐进行后续的甲烷发酵。为了保持实验现场的安全工作环境，实验过程产生的氢气、甲烷未经燃烧供给罐体热量。卧式水解酸化罐和立式甲烷反应器的罐体表层设置了5cm厚水浴层用以维持反应器的恒温。水浴层的温度控制在40˚C±2˚C，采用循环供热。水浴层与水浴锅相连，水浴锅内采用蒸汽加热循环水，利用温控装置控制恒温。水解酸化罐的转动由SiemensMicromasterVector42变频器控制，转速为6rpm，采用间歇方式运行，间歇工作频率运行3min，停止5min。甲烷罐体的顶端中部设置了电动机，电动机与搅拌叶相连。甲烷反应器的搅拌速度为120rpm，采用间歇方式运行。工作频率为运行3min，停止5min。除上述设备外，系统还配备了沼气气柜、湿式气体流量计、压力表、热电耦。2.3.测试方法消化液中代谢产物分析指标包括：含水率(w,%)、总固体(TS,%)、挥发性固体(VS,%TS)、灰分(%TS)、pH、氨氮(4NH+-N,mg/L)、COD(mg/L)、挥发性脂肪酸(VFA)等[1]。固形物采用烘干重量法测定。挥发性固体物利用马弗炉测定，将测定固形物后的恒重样品置于马弗炉内，温度550˚C，灼烧30min。pH值采用ZDJ-5型自动电位滴定仪测定；氨氮采用海能K9860型全自动凯式定氮仪测试；COD采用哈希DRB200自动消解仪消解，消解液由哈希DR1010光度计测定。沼气中甲烷浓度由德国Sensors甲烷分析模块(型号AGM1010)测定。VFA由GC-2000III气相色谱测定，采用安捷伦FFAP毛细管柱(30m×0.53mm×1.0um)，其中进样口和检测器(FID)的温度分别为200˚C和220˚C，氮气作为载气，流速为2mL/min，炉温升温程序为：110˚C保持5min，然后开始升温，升温速率为10˚C/min，到220˚C后保持2min；需要测定的VFAs产物主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸(图1)。2.4.两相厌氧消化小试实验设计2.4.1.反应器的调试和初步工艺研究两相厌氧消化小试研究设置4个有机负荷率，通过逐步提升进料量的方式进行实验，每个有机负荷率约持续运行30天。实验开始前首先进行水解酸化罐的启动。首先，将200kg餐厨垃圾投入水解酸化王星，刘晓兰DOI:10.12677/se.2017.7400872可持续能源Figure1.Schematicdiagramofintegratedtwo-stagefermentationprocess图1.两相厌氧消化工艺流程图罐内，利用餐厨垃圾自身所富含的微生物为水解酸化菌种，进行水解酸化反应。实验开始时，每日向水解酸化罐内投加20kg餐厨垃圾，次日(24h后)将酸化罐内底物排出20kg，投入到已接种的甲烷发酵罐内进行厌氧消化处理。随后逐步将水解酸化罐进料量由20kg/d递增到50kg/d，甲烷发酵罐的给料量也相应从20kg/d增加到50kg/d(表2)。3.结果与分析3.1.两相厌氧消化工艺的产气情况餐厨垃圾两相厌氧消化小试运行总计约150天，包括设备调试、设备启动和实验运行。图2表示了水解酸化相和甲烷相运行情况。设备启动后约34天，厌氧消化系统达到了产气稳定阶段。在产气稳定阶段，水解酸化罐内产生了大量的生物气，经过计量该生物气产量为0.167~0.236m3/kgVS，其中CO246.68%~51.47%、H228.03%~33.02%。由于水解酸化罐内较低pH的抑制(pH3.0~4.0)，生物气中未检出甲烷存在。在甲烷发酵罐内，生物气产量达到0.760~0.874m3/kgVS，甲烷浓度58.32%~71.48%，二氧化碳26.34%~40.73%。氢气是碳水化合物在水解酸化过程中的一种产物[2]。本实验中，值得注意的是，甲烷发酵罐产生的氢气浓度始终保持在极低的水平。当甲烷反应器的OLR处于最高值8.15kgVS/m3∙d(RT16d)时，进料量为50kg/d，大量的水解酸化菌随物料进入甲烷发酵罐，此时沼气中氢气的浓度仍低于0.2%。这一现象说明，在实验选取的工艺条件下，小试设备实现了水解酸化、产甲烷阶段的良好相分离，水解酸化后的物料在甲烷发酵罐被甲烷菌高效利用，转化为甲烷。甲烷反应器采用了水解酸化罐的出料作为厌氧消化的底物。实验发现，有机负荷率的提升对产甲烷过程造成了一定的影响，导致单位产气率出现小幅下降。根据表3显示的甲烷产量分析，当甲烷发酵罐处于2.94、4.61、6.28kgVS/m3∙d这三个较低的有机负荷率时，甲烷产量分别达到了0