餐厨垃圾和厨余垃圾厌氧消化产生沼渣的脱水性能分析

餐厨垃圾和厨余垃圾厌氧消化产生沼渣的脱水性能分析
摘要：随着我国餐饮行业的快速发展，餐饮企业的数量大幅增加，每天的餐厨垃圾产生量巨大。

因此，要及时对餐厨垃圾进行处理，以餐厨垃圾和厨余垃圾为原料进行中温厌氧消化反应，对不同时间产生的沼渣的脱水性能进行研究，沼渣的脱水性能主要受厌氧消化时间的影响。

本文主要对餐厨垃圾和厨余垃圾厌氧消化产生沼渣的脱水性能进行分析。

关键词：餐厨垃圾；厌氧消化；脱水性能
餐厨垃圾的特点
餐厨垃圾又称泔脚，是居民生活消费中产生的生活废物，容易腐烂、传播病菌。

其主要成分是面粉、米类食物残渣、肉骨与动植物油等，化学组成中有脂类、淀粉、纤维素与无机盐等。

餐厨垃圾营养元素非常丰富，含有大量的微生物菌种，具有较高的产甲烷能力，兼具资源与废物二重性；另外，餐厨垃圾处理难度大。

餐厨垃圾的固体含量通常在20%左右，含水率高65%~95%，油脂含量通常在1%~5%，脱水性能差；热值为2100~3100kJ/kg，与生活垃圾一同焚烧，不能达到垃圾焚烧发电所要求的5000kJ/kg热值。

在高温条件下，餐厨垃圾变质速度快，其降低了回收利用价值。

二、厌氧消化原理
厌氧消化是有机物在无氧条件下，依靠兼性厌氧菌和专性厌氧菌的作用转化成二氧化碳与甲烷等，同时合成自身细胞物质的生物学过程，是实现有机固体废物资源化、无害化的一种有效的方法。

其机理如图1所示。

图1 厌氧消化有机废弃物反应机理图
厌氧消化由于它较高的经济性和产能效益己经引起越来越多的关注，在处理垃圾放方面主要有以下几个优点：
(1)厌氧消化不需要氧气，可以减少动力消耗、节约能源、减少成本；
对有机负荷承受力强，反应器效能高，容积小，占地面积小，可降低基建成本，又能达到很好的处理效果；
(3)、厌氧过程中没有与氧相随的微生物合成，因此剩余污泥量少，减少了处置费用且生成的污泥较稳定；
(4)、可以回收沼气能源、降低污染负荷，同时也减少了温室效应气体的排放量；
(5)、发酵残留物可经过灭菌等操作转化为土壤添加剂或肥料，增加其经济效益；
总之，厌氧消化实现了“无害化、减量化与资源化”，在生物质有效利用方面有着巨大的贡献。

厌氧消化分类及特点
根据不同标准，厌氧消化可以划分为不同类别。

按照废物中有机固体浓度大小的不同，厌氧消化可分为湿法厌氧消化与干法厌氧消化。

湿法厌氧消化是固体含量小于15%的情况下，酸化、液化与产气在一个反应器中进行，具有投资少、工艺简单易管理等特征；干法厌氧消化，就是在不改变原始固体废物状态的情况下进行厌氧消化，具有运行稳定性好、成本低，对物料的适应性较强等特征，能在高温下进行。

依据反应级数的不同，厌氧消化又可分为单相厌氧消化与两相厌氧消化，其中单相厌氧消化投资少，运行维护简单；两相厌氧消化产气效率高，然而维护却复杂。

根据运行是否连续，厌氧消化可以分为间歇厌氧消化与连续厌氧消化，间歇厌氧消化时，进出料不连续，但其出料的脱水滤液可部分回流循环处理；连续厌氧消化能够实现连续进料，提升单位时间的餐厨垃圾处理量，然而产甲烷效率不高。

依据厌氧消化中甲烷菌的适应温度不同可分为常温、中温（30~40℃）、高温（50~60℃）厌氧消化，其中常温厌氧消化不能杀灭病菌，在实践中较少采用；中温厌氧消化工艺成熟，能耗低，应用较多；高温厌氧消化的消化速度快，然而稳定性差。

餐厨垃圾厌氧消化实验分析
实验材料
餐厨垃圾和厨余垃圾均取自某餐厨垃圾中转站，厌氧接种物为某中温（35℃）厌氧消化罐的沼，该厌氧消化罐用于处理热水解污泥（158℃，0.6MPa，30min）和餐厨垃圾。

厌氧消化实验
厌氧反应器在35℃中温条件下运行，反应器中物料总重为20kg，挥发性固体含量（VS）均为5.1，接种物与原料的VS含量之比为4:1（干基质量比）。

厌氧反应原料有4种组合，分别是餐厨垃圾、餐厨垃圾中添加废纸（卫生纸）、厨余垃圾、厨余垃圾中添加废纸（卫生纸），其中餐厨垃圾和厨余垃圾都破碎成粒径约为3cm后加入厌氧反应器中，而废纸宽约9.5cm不进行处理，废纸的添加
量为反应器中物料干重的5，添加纸以期在厌氧消化前期为微生物提供载体，促进有机物降解和甲烷产生。

实验分析方法
气体样品中甲烷浓度采用气相色谱测定，沼气体积通过排水法测定（室温，0.1MPa）。

累计甲烷产量曲线采用修正后的Gompertz三参数模型分析。

评价脱水性能主要有5个常用指标：模化毛细吸水时间（NCST）和过滤比阻（SRF）可以表征沼渣脱水速率，而结合水含量（BW）含固率（TS）和离心后含固率（CTS）可以反映沼渣脱水程度。

本文对不同厌氧反应阶段产生沼渣的上述5个脱水指标都进行了测定。

模化CST为毛细吸水时间与沼渣浓度的比值，采用CST测定仪测定，单位为s·L·（gTS）-1，以消除物料固体浓度的影响。

SRF 采用布氏漏斗通过抽滤法测定。

结合水一般被定义为不能以机械手段去除的水分，物料的结合水含量采用抽滤法测定，当物料经真空抽滤后，剩余的水分为结合水；结果以抽滤后含水量与干基（TS）的比值表示。

沼渣的含固率（TS）、挥发性固体（VS）和离心后含固率采用APHA法测定，离心脱水条件为2000g下离心10min。

样品经冷冻干燥研磨后，采用元素分析仪测定其中碳（%）和氮（%）的元素含量。

实验结果
1、脱水性能评价
图2反映了厌氧反应器运行不同阶段获得沼渣的脱水性能。

图2 不同原料沼渣脱水性能指标随时间的变化
含固率，离心后含固率和结合水含量反映了沼渣脱水程度，而模化CST和过滤比阻则可以表征沼渣脱水速率。

综合以上分析结果，以餐厨垃圾为原料的沼渣在离心时间较长的条件下可以达到较高的脱水程度，但以厨余垃圾为原料的沼渣的脱水速率较快，而在原料中添加纸对沼渣脱水性能的影响不显著。

需要指出的是，在衡量物料脱水性能时，不同研究者选取的评价指标不尽相同，即使评价指标相同，也存在测试方法和参数选取的差异，使得不同研究文献中物料脱水性能的比较分析困难，这也是今后研究和评价物料脱水性能需要改进的地方。

脱水指标主成分分析
多元统计分析可以消除各类脱水性能表征指标的差异，消除少数样品由于不均匀取样或测试误差导致的或然性。

图3为沼渣5个脱水性能指标主成分分析结果。

图3 不同原料沼渣脱水性能指标的主成分分析结果
沼渣脱水性能的各指标在反应器运行期间波动较大（图2）为了进一步地了解两种生物质废物原料以及在原料中添加废纸对沼渣脱水性能产生的影响，通过上述主成分分析后可以发现，沼渣的脱水性能主要受厌氧反应时间的影响。

在实际生产中，生物质物料的停留时间通常根据有机物甲烷转化的最佳时间设定，其厌氧消化程度要求尽可能彻底，没有考虑物料停留时间对沼渣脱水性质的影响，忽视了沼渣的后续处理与处置。

但是，生物质废物的资源化利用需要全过程优化，而不仅仅是局部优化。

因此，在实际操作中为了改善沼渣的脱水性能，以利于沼渣的后续处理与处置，在设置适宜物料停留时间时需要将其对沼渣性质的影响纳入反应条件优化体系中。

从提高物料产气率和改善沼渣的脱水性能两方面综合考虑，以餐厨垃圾和厨余垃圾为原料的厌氧消化工艺物料停留时间应大于8d，但不宜超过30d。

脱水后的沼渣经过进一步的后续处理后，可以用于农作物肥料、土壤改良剂、花卉栽培以及吸附剂等，从而实现其资源化利用。

总之，基于餐厨垃圾和厨余垃圾两种生物质废物为原料的中温厌氧消化反应，得出沼渣的脱水性能受原料厌氧消化时间的影响最大。

在采用厌氧消化处理餐厨垃圾时，产生的沼渣、沼液可以用作有机肥等，实现了废物的综合利用，应用前景广阔，具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。

参考文献
[1]华云,王丽莉,张波.中国餐厨垃圾处理现状及主要处理技术应用情况[J].城市管理与科技,2009(02).
[2]贺雅静,白红娟.餐厨垃圾厌氧消化技术研究进展[J].山西化工,2012(01).。