厨余垃圾中温干式厌氧发酵系统调试阶段工况分析

李阳青，张云霞，于 淼，常宝军，张 凯

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300000）

1 工程背景概述

根据GB/T 19095—2019 生活垃圾分类标志，本研究所指的厨余垃圾为家庭产生的厨余垃圾。随着生活垃圾分类体系的完善，厨余垃圾单独清运量逐年增加，大型厨余垃圾处理设施的建设节奏不断加快［1］。由于垃圾分类收运体系实施时间较短，目前居民很难做到厨余垃圾完全正确投放，故厨余垃圾成分复杂、杂质多、地域性和季节性差异大、处理难度高。许伟等［2］研究了合肥市厨余垃圾成分，厨余垃圾中易腐类占56.7%、纸张占13.3%、塑料占9.2%，另外还有织物、木竹、玻璃、金属、陶瓷等。万鹰玮等［3］研究了重庆市厨余垃圾成分，厨余垃圾中易腐类仅占40.9%。

厌氧消化、好氧堆肥等是常见的厨余垃圾处理技术［4］。其中厌氧发酵技术能更好地实现厨余垃圾的减量化、资源化和无害化。许多学者对厨余垃圾厌氧发酵系统的接种、调试、运行参数等进行了深入研究。刘晓兰［5］研究了厨余垃圾干式中温厌氧发酵的运行工况，发酵罐含固率维持在19.6%左右，系统能维持酸碱平衡状态，产气率为111.2～200.6 m³/t。王艳明等［6］研究了厨余垃圾干式厌氧发酵系统接种过程，大接种量、高接种比更有利于缩短系统启动时间。刘杰等［7］研究了厨余垃圾湿式厌氧发酵稳定运行工况，含固率控制在8%～9%，厌氧发酵系统能够稳定运行。厨余垃圾的糖分和淀粉含量高且易水解，单独厌氧消化易发生酸化［8］，厨余垃圾与纤维素含量高的物料协同处理，可调节碳氮比（C/N）至合适范围，进而提高系统稳定性［9］。初始pH 对厨余垃圾厌氧发酵产酸有明显的影响，pH 随着发酵过程先下降再升高，最后趋于稳定［10］。

本研究以重庆市某厨余垃圾处理项目为例，探讨厨余垃圾中温干式厌氧发酵系统调试阶段的运行工况，供同类项目参考。

2 工艺流程与设计参数

2.1 项目概况

重庆市某厨余垃圾处理项目建设规模为200 t/d，项目所用厨余垃圾为家庭厨余垃圾经“破碎+筛分+磁选+风选+光电分选”等工艺处理获得的有机易腐垃圾。家庭厨余垃圾成分如表1 所示。本项目采用中温干式厌氧发酵工艺，设置两台奥地利TTV 隧道窑干式厌氧发酵罐，单台尺寸为35.00 m×9.62 m×10.25 m，采用纵向单轴机械搅拌，设计参数如表2 所示。

表2 中温干式厌氧发酵工艺设计参数Table 2 Design parameters of medium temperature dry anaerobic fermentation process

2.2 工艺流程

厌氧发酵系统由进料、厌氧发酵、脱水系统组成，工艺流程如图1 所示。经预处理后的厨余垃圾首先进入进料系统，进行混合、均质处理后由柱塞泵注入干式厌氧发酵罐；罐内物料在纵向单轴机械搅拌作用下由进料端逐步移动到出料端，同时经发酵产生的沼气进入沼气净化、利用系统；厌氧罐出料由柱塞泵注入脱水系统，脱水系统包括振动脱水、螺旋挤压脱水及离心脱水；脱水后的沼液进入污水处理系统，沼渣外运。

2.3 调试流程

发酵系统的调试是使细菌从休眠状态恢复、活化的过程，故干式厌氧发酵系统的调试应循序渐进，不能期望短时间内实现发酵系统稳定运行。受接种物、原料、温度等影响，启动调试到满负荷产气约需70～150 d。具体调试流程如下（以下数据均以单台发酵罐为基准）。

1）准备阶段：厌氧发酵罐内注入150 m³清水，然后开启罐底加热系统，对罐内清水加热，每日升温幅度控制在0.5 ℃，最多不能超过1 ℃，直至罐体温度达到42 ℃。进料后罐体温度波动幅度应控制在＜0.5 ℃范围内，避免菌种在较大温差时反应活性降低。

2）菌种培养阶段：待罐体温度维持在（42.0±0.5）℃时，方可逐步投加牛粪及沼渣，牛粪和沼渣由进料系统的柱塞泵泵入，直至液位达到1 200 m³。此时启动厌氧发酵罐搅拌轴，开始对罐内物料搅拌。菌种培养阶段需通过取样口取样，并对物料及沼气进行理化分析，发酵罐前、后各设置1座取样口。菌种培养阶段一般持续21 d。

3）厨余垃圾进料阶段：菌种培养后期沼气中甲烷含量达到55% 以上，此时可逐步投加厨余垃圾，进料量如图2 所示。由于酸化菌群的启动速度高于产甲烷菌群，为防止挥发性脂肪酸的过度积累，进料初期含固率需控制在较低水平。

4）稳定产气阶段：当物料投加量达到设计能力的75% 以上时，随着进料量的增加沼气产量增加缓慢，此时物料的投加增速应更为缓和，若发现酸化趋势应立即采取相应措施。文中采用的数据截止到进料量100 t/d（90 t 厨余垃圾+5 t 木屑+5 t 沼渣）并稳定运行9 d，之后会逐步减少沼渣、木屑的投加量，相应增加厨余垃圾投加量，使进料量始终维持在100 t/d。

3 测试指标与分析方法

3.1 分析方法

发酵罐持续进料后需通过取样口取样，对物料进行理化分析，主要指标分析方法如下：含固率采用烘干法测定，参考CJ/T 313—2009 生活垃圾采样和分析方法；pH 采用pH 仪测定；挥发性脂肪酸采用氢氧化钠滴定法测定；氨氮采用中和滴定法测定，参考HJ 537—2009 水质氨氮的测定蒸馏-中和滴定法；总碱度采用硫酸滴定法测定；沼气浓度由现场沼气分析仪测定，沼气流量由现场超声波流量计测定，温度由现场温度计测定。厌氧发酵罐的前、中、后部各设置了1 支长杆温度计，温度计受套管保护，保护套管深埋在发酵液中，文中采用的数据为中部温度计的监测结果。主要理化指标检测频率及控制范围见表3。

表3 主要理化指标检测频率及控制范围Table 3 Detection frequency and control range of main physicochemical indicators

3.2 材料

厌氧发酵后的沼渣包括未分解的固态发酵物质以及微生物群体，是厌氧发酵系统接种的理想材料。本项目选用的菌种为餐厨垃圾高温湿式厌氧发酵系统的离心脱水沼渣，并采用新鲜牛粪作为接种底物。由于厨余垃圾中含有少量骨头、瓶盖等密度大于水的重杂物，在调试初期发酵液黏稠度不足，重杂物易沉积到发酵罐底部、无法外排；故反应罐中需添加少量木屑提高发酵液的黏稠度使重杂物等不易沉积。当系统满负荷运行时可逐步减少木屑的投加量。沼渣、新鲜牛粪、原木木屑的相关理化特性见表4。

表4 厌氧发酵接种底物及辅料理化特性Table 4 Physicochemical characteristics of substrates and excipients for anaerobic fermentation inoculation

4 运行效果分析

4.1 含固率及温度控制情况

厌氧发酵罐内含固率及温度随调试运行时间的变化规律如图3 所示。罐内温度能整体上保持稳定，维持在42～44 ℃。在厌氧发酵微生物菌群的作用下，厨余垃圾投加进入厌氧发酵罐后快速消耗转换成甲烷、二氧化碳等排出系统。随着每日厨余垃圾的补充以及罐内厌氧发酵的消耗，含固率处于动态平衡状态。随着进料量的增加，发酵罐内含固率呈现逐渐升高的趋势，并且前端含固率的升高速率明显大于后端。满负荷进料时，前端含固率维持在20%～25%，后端含固率维持在16%～20%。从物料流向分析，发酵罐前、后端含固率差值约为4%～5%，说明厌氧发酵系统处理厨余垃圾具有明显的减量效果。

图3 厌氧反应罐含固率及温度变化情况Figure 3 TS and temperature changes of anaerobic reaction tank

4.2 沼气产量和甲烷含量的变化

沼气产量及沼气中甲烷含量随调试运行时间的变化规律如图4 所示。厌氧发酵罐启动初期，即菌种培养阶段，甲烷含量随底料及菌种数量的投加迅速提高，2 周内可上升至60%；甲烷含量达到60% 左右并稳定维持数日后，开始投加厨余垃圾，厨余垃圾进料量根据系统运行情况缓步提升。整体上讲，沼气中甲烷含量能保持稳定，在55%～65% 范围内小幅波动。进料量达到设计能力的75%左右时厌氧发酵系统的吨产气量达到最大值，约180 m³/t；之后随进料量的增加吨产气量呈现先降低后升高的趋势，最终稳定在140 m³/t 左右。

图4 甲烷含量和沼气吨产气量变化趋势Figure 4 Change trends on methane concentration and biogas production per ton

4.3 厌氧发酵系统的酸碱平衡

总碱度和挥发性脂肪酸随调试运行时间的变化规律如图5 所示。菌种培养阶段第10 天启动厌氧发酵罐搅拌轴，开始对罐内物料搅拌，并对物料及沼气进行理化分析，此时挥发性脂肪酸能达到10 000 mg/L，总碱度也在10 000 mg/L 左右。随着产甲烷菌的种群数量不断提高，挥发性脂肪酸浓度不断降低并最终稳定在2 500～3 000 mg/L。进料量低于设计能力的75% 时，总碱度随物料投加量的增加不断升高，最高可达14 000 mg/L；之后总碱度先快速下降再逐渐升高，最终稳定在12 000～14 000 mg/L。同时，发酵罐内部随着物料向后端移动，总碱度呈现逐渐升高的趋势，挥发性脂肪酸呈现逐渐降低的趋势。

图5 总碱度和挥发性脂肪酸变化趋势Figure 5 Change trends on total alkalinity and volatile fatty acids

氨氮、pH 随调试运行时间的变化见图6。进料量低于设计能力的75% 时，氨氮浓度随物料投加量的增加不断升高，最高可达3 000 mg/L；之后氨氮先快速下降再逐渐升高，最终稳定在2 500 mg/L 左右。pH 随物料投加量的增加不断升高，最终维持在8.0～8.2。发酵罐内部随物料向后端移动，pH 呈现逐渐升高的趋势，氨氮无明显变化趋势。

4.4 脱水效果

本项目采用的三级脱水系统由振动脱水机、螺旋挤压脱水机、离心脱水机构成，调试期间对螺旋挤压脱水机沼渣含固率，离心脱水机沼渣、沼液含固率进行取样分析，其脱水效果如图7 所示。结果表明，本项目采用的三级脱水系统性能稳定、脱水效果良好。其中，离心脱水机沼液含固率为0.45%～1.00%，螺旋挤压脱水机沼渣含固率为31.07%～53.89%，离心脱水机沼渣含固率为34.91%～44.40%。三级脱水系统能有效降低沼液中的固体含量，为沼液生化处理提供了有利条件。

5 存在问题与展望

干式厌氧发酵技术发酵罐内平均含固率一般控制在20% 以上，含水量少，故设备单位容积产气量大，沼液产生量少，投资、运行费用低。但由于生活垃圾源头分类不理想，厨余垃圾中可能混入砖头、瓦块、包装袋、衣物等，易造成螺旋输送机、阀门、弯头、变径等部位堵塞，导致项目的设备维护压力较大，影响系统的持续稳定运行。故建议相关政府部门加大生活垃圾分类体系的建设投入，完善相关法律体系，逐步建立前端分类、中端收运和末端处置的完整闭环系统，从而促进末端厨余垃圾处理设施稳健发展。

6 结论

1）厨余垃圾中温干式厌氧启动过程表明，以餐厨垃圾高温湿式厌氧发酵沼渣作为接种物、以牛粪作为接种底物启动厌氧发酵时，经过2 周左右沼气中甲烷含量即可达到55%以上。

2）干式厌氧发酵系统pH 维持在8.0～8.2，碱度维持在12 000～14 000 mg/L，挥发性脂肪酸维持在2 500～3 000 mg/L，氨氮维持在2 500 mg/L 左右，可稳定运行。

3）发酵罐内部随着物料向后端移动，含固率、挥发性脂肪酸逐渐降低，总碱度、pH 逐渐升高，氨氮无明显变化趋势。

4）系统稳定运行后，厌氧发酵罐单位进料量的产气量在140 m³/t 左右，甲烷含量维持在55%～65%。

5）厌氧发酵罐出料经三级脱水后沼渣含固率能达到30% 以上，沼液含固率达到1% 以下，脱水效果好。