餐厨垃圾SBMR_ASBR两相厌氧消化产气性能研究_钟起隆

收稿日期：2012-03-31。

基金项目：国家高技术研究发展“863”计划（2008AA062401，2008AA062402）；中美国际合作项目（2011DFA90800）。

作者简介：钟起隆（1988-），男，江西赣州人，硕士研究生，主要从事城市固体废物厌氧消化技术的研究。

E-mail ：zhongqilong00@ 通讯作者：
袁海荣（1975-），女，北京延庆县人，副教授，硕士生导师，主要从事固体废物资源化综合利用等方面的研究工作。

E-mail ：331290105@
餐厨垃圾SBMR-ASBR 两相厌氧消化产气性能研究
钟起隆1，李秀金1，李
兵2，邹德勋1，朱保宁1，袁海荣1
（1.北京化工大学资源与环境研究中心，北京100029；2.轻工业环境保护研究所，北京
100089）
摘
要：以学校食堂餐厨垃圾为原料，考察餐厨垃圾在SBMR-ASBR 反应器中产酸和产甲烷性能。

结果表明：
高负荷下启动酸化相有利于系统快速形成稳定的乙醇型发酵，且可以避开丙酸型发酵，在10g/（L ·d ）负荷（以
VS 计）下，稳定状态产酸率平均达到55000mg/L ，VFA 中乙醇和乙酸分别平均稳定在27000mg/L 和23000mg/L ，两者共占总VFA 的91%；甲烷相可以稳定运行的最高负荷为5g/（L ·d ）（以VS 计），此时，系统整体处理
能力为3.3g/（L ·d ），单位容积产气率达到2.3L/（L ·d ），甲烷含量在65%～70%，TS ，VS 去除率分别达到77%，
83%。

在实际工程中可以高负荷启动酸化相，有利于系统形成稳定的乙醇型发酵和高负荷运行的甲烷相。

关键词：餐厨垃圾；厌氧消化；两相；酸化；甲烷化中图分类号：TK6；S216.4
文献标志码：A
文章编号：1671-5292（2012）10-0047-05
Performances of two-phase SBMR-ASBR anaerobic digestion
for biogas production of kitchen waste
ZHONG Qi-long 1，LI Xiu-jin 1，LI Bing 2，ZOU De-xun 1，ZHU Bao-ning 1，YUAN Hai-rong 1
（1.Center for Resources and Environmental Research ，Beijing University of Chemical Technology ，Beijing 100029，
China ；2.Environmental Protection Research Institute of Light Industry ，Beijing 100089，China ）
Abstract ：The performances of two-phase SBMR-ASBR anaerobic digestion for biogas production of kitchen waste was investigated.To find out the acid production performances of acidification phase and the methane production performance of methanogenic phase,kitchen waste from campus restaurant was used as feedstock.The results showed that the acidification phase of kitchen waste entered into a stable ethanol-type fermentation rapidly and avoid the propionate-type fermentation
at a high OLR.The acid yield was 55000mg/L with 10g/（L ·
d ）of OLR at th
e stable state.Ethanol and acetic acid were 27000mg/L and 23000mg/L in VFA,respectively.Ethanol and acetic acid
were 91%of VFA.The stable OLR of the methanation phase was 5g/（L ·d ）in this condition.The
OLR of the system was 3.3g/（L ·d ）.The volume gas production rate arrived at 2.3L/(L ·d).Methane
content was 65%～70%.Removal rate of TS and VS reached 77%and 83%,respectively.It is suggested that the acidification be started at a high OLR,and this is beneficial to the system to build a stable ethanol-type fermentation and a methane phase running at a high OLR.The acidification phase running at high OLR would be recommended in facility of municipal organic solid waste.Key words ：kitchen waste ；anaerobic digestion ；two-phases ；acidification ；methanation 0
引言
餐厨垃圾俗称潲水、也称泔脚，是指居民日常生活中所产生的食物残余，其成分主要是纤维素、
淀粉、蛋白质、脂肪和水[1]。

随着经济的发展、城市规模的迅速扩大和城市人口的快速增加，城市餐厨垃圾的产生量越来越大，例如，仅北京市2011
可再生能源
Renewable Energy Resources
第30卷第10期2012年10月
Vol.30No.10Oct.2012
可再生能源2012，30（10）
年餐厨垃圾日产量就达到了1700t[2]，[3]。

厨余垃圾
中水分和有机物含量高，容易降解，易产生臭气、
污水等，如果不能及时处置，将对周围的卫生环境
造成严重影响[4]。

目前，餐厨垃圾的处理方式主要有焚烧、填
埋、作饲料、堆肥等，这些方法都或多或少地存在
一些负面效应[5]~[7]。

考虑到餐厨垃圾含水率和有机物含量都很高的特点，采用厌氧消化的方法来处理餐厨垃圾，产生出清洁的可再生能源，因此，研究餐厨垃圾厌氧消化具有能源和环保双重作用[8]。

刘晓英以餐厨垃圾为原料进行中温（35℃）厌氧消化，甲烷产率达到201mL/g[9]。

孟宪武认为低有机负荷（0.75~1.25g·L-1·d-1）有利于餐厨垃圾单相厌氧发酵[8]。

张波和赵杰红分别研究了pH和温度对餐厨垃圾水解酸化过程的影响[10]，[11]。

Han S K 和Wang J Y分别采用了UASB和厌氧生物滤池等高效厌氧反应器，目的在于提高甲烷相的产气效果[12]~[14]。

由于餐厨垃圾有机物含量高，单相厌氧消化容易产生过量的VFA抑制产气，因此，现阶段大多采用两相厌氧消化系统[15]。

但很少采用序批式强力混合反应器（Sequencing batch mixed reactor，SBMR）来运行酸化相和采用厌氧序批式反应器（Anaerobic Sequencing Batch Reactor，ASBR）运行甲烷相的工程实例。

另外，我国南北方饮食差异很大，不同地区餐厨垃圾物料性质差异也很大，为了提高北京地区餐厨垃圾的处理效果，本试验以具有代表性的北京高校食堂餐厨垃圾为原料，采用SBMR-ASBR两相厌氧消化系统，综合考查酸化相的产酸效率和甲烷相的产气性能以及处理能力，通过控制厌氧消化的参数来尽可能地提高系统整体处理能力以及产气性能。

1材料与方法
1.1试验材料
试验原料餐厨垃圾取自北京化工大学食堂的泔水池。

手工挑选出塑料、金属等杂物后，粉碎、装瓶，放于-20℃冰箱冷冻存储备用。

试验接种污泥采用北京市小红门污水处理厂厌氧消化污泥。

餐厨垃圾和接种污泥基本性质见表1。

1.2试验方法
酸化相采用SBMR反应器，甲烷相采用ASBR 反应器，反应器内温度均为（35±1）℃，转速均为120r/min，每2h搅拌5min。

酸化相按接种量为2〔基质/微生物=F/M（VS/VS）=2〕接种厌氧污泥，启动后负荷（以VS计，下同）恒定在10g/（L·d）。

根据负荷变化，用烧杯量取一定体积酸化相出料，倒入甲烷相进行厌氧消化，甲烷相初始负荷为0.5 g/（L·d），稳定后逐步提升负荷。

每天监测出料pH、产气量，定期测定产气成分、出料VFA，TS，VS等指标。

2结果与讨论
2.1酸化相产酸性能
水解酸化是餐厨垃圾厌氧消化过程的限速步骤，因此，酸化相产酸性能对后续甲烷相的产气以及消化性能影响非常大。

从图1可以看出，随着运行天数的增加，VFA各组分浓度呈缓慢上升趋势，在第100天左右不再增加，保持在一定水平。

进料后第1～3天，由于接种污泥提供了一些碱度，pH在6左右，刚开始丁酸产量最高，接近10000mg/L，适合丁酸型发酵细菌生长，随着pH 下降到4左右，丁酸开始减少。

在第110天时，VFA中乙醇和乙酸达到最高值，分别为28678 mg/L和25466mg/L，VFA总产量为61124mg/L。

随后系统进入稳定期，产酸量基本稳定在55000 mg/L左右，比张波通过调节pH获得的最大VFA 浓度36g/L高52.8%，其中，乙醇和乙酸分别稳定在27000mg/L和23000mg/L左右，分别占总VFA的49%和42%，两者共占总VFA的91%，处
TS VS总碳总氮C/N脂肪（干基）
%%%%%%
餐厨垃圾 5.1322.3018.400.8234.142.4114.16 4.00
接种污泥7.65 4.79 2.400.5018.522.99 6.19 2.51表1餐厨垃圾和接种污泥的基本性质Table1Characteristics of kitchen waste and sludge
pH VS/TS
试验原料
钟起隆，等餐厨垃圾SBMR-ASBR两相厌氧消化产气性能研究
于乙醇型发酵状态，产物最有利于甲烷菌直接利
用消化产气[13]，[16]。

值得注意的是，因为pH快速下
降到4左右，最容易抑制甲烷菌产气的丙酸浓度
在1500mg/L左右，没有出现积累，在第60～100
天开始升高，最高到达3667mg/L，随着系统的稳
定，丙酸浓度一直减少到2500mg/L左右，这个浓
度对甲烷菌影响不大。

本试验采用10g/（L·d）负荷启动酸化相可以
避开丙酸型发酵的形成，有利于系统快速地形成
稳定的乙醇型发酵，系统产酸能力非常强，VFA
最高可以达到61124mg/L，稳定状态时VFA可以达到55000mg/L左右。

2.2甲烷相产气性能
单位容积产气率反映了单位体积反应器的日产气能力，酸化相基本不产气，因此只考虑甲烷相的产气情况。

甲烷相单位容积产气率如图2所示。

可以看出，随着负荷的提高，单位容积产气率也相应提高，在负荷提高到6g/（L·d）时，单位容积产气率达到最高值4.2L/（L·d）。

系统仅维持了一周，单位容积产气率就下降到3.5L/（L·d），下降17%，系统出现波动。

将负荷降到5g/（L·d）时，单位容积产气率为3.4L/（L·d），波动不超过10%，认为系统稳定。

可见，随着负荷的提高，系统容易出现酸化，本试验条件下，可以使系统稳定的最高负荷为5g/（L·d），此时，整个系统的处理能力为3.3g/（L·d），单位容积产气率为2.3L/（L·d）。

为了对比不同负荷下甲烷相的产气能力，需要比较甲烷相的单位VS日产气量。

甲烷相单位VS日产气量如图3所示。

从图中可以看出，在低负荷时单位VS日产气量随着负荷的提高而减少，在负荷为0.5g/（L·d），1.5g/（L·d）时，单位VS 日产气量都可以达到900mL/g左右。

在负荷提高到5g/（L·d）后，单位VS日产气量稳定在680mL/g 左右，系统稳定。

可见，高负荷下餐厨垃圾消化不如低负荷下完全，利用率不如低负荷高。

甲烷相甲烷含量基本稳定在60%～70%（图4）。

刚启动时，甲烷含量在45%以下，偏低。

第5天开始甲烷含量达到60%以上，之后基本保持稳定，最高时达到73.9%。

在低负荷下，甲烷含量基本保持在60%～65%，提高到5g/（L·d）之后，甲烷含量有所上升，基本保持在65%～70%。

可见，高负荷下甲烷菌产甲烷能力略有提高。

2.3甲烷相消化性能
TS，VS去除率反映了甲烷相的消化性能。

如图5所示，在低负荷0.5g/（L·d）时，TS，VS去除率偏低，分别为4%和35%，随着负荷的提高，在
1.5
可再生能源2012，30（10）
g/（L·d）负荷下，TS，VS去除率都达到最高值，分
别为86.4%，90.8%。

随着负荷的继续升高，TS，VS
去除率略有下降，分别基本稳定在77%，83%，比
1.5g/（L·d）负荷时分别低11%和9%。

这说明，低
负荷时经过酸化后的餐厨垃圾比高负荷时更容易
消化完全，而高负荷时系统处理压力增加，因此去
除率略有下降，但是仍然可以保持在75%以上。

因此，考虑到处理能力的提高，甲烷相运行在负荷
为5g/（L·d）是比较经济的，也可以保证较高的
TS，VS去除率。

2.4甲烷相稳定性
甲烷相的pH、碱度、氨氮反映了甲烷相的稳定性。

图6（a）是甲烷相的pH随着负荷和运行时间的变化图。

酸化相出料pH在4左右，由于相对甲烷相反应器体积而言，酸化相出料体积较小，占1/30~1/25，因此对甲烷相pH影响不大。

从图中可看出，随着负荷的提高，甲烷相系统pH相应上升，在负荷为6g/（L·d）时达到最高值7.81，pH过高，对甲烷菌不利。

此时VFA总量达到10399 mg/L〔图6（b）〕，且主要成分是乙酸，达到7135 mg/L，占VFA总量的68.6%，VFA对甲烷菌产生抑制，单位容积产气率从4.2L/（L·d）下降到3.5 L/（L·d）。

负荷降到5g/（L·d）时，pH稳定在7.3～7.5，VFA总量在5000mg/L以下，单位容积产气率也稳定在3.4L/（L·d）左右。

碱度和氨氮反映了系统的缓冲能力，在一定范围内越高越好；低浓度氨氮对微生物的生理活动有刺激作用，当氨氮含量过高时则会产生明显的抑制作用[16]。

图6（c）反映了甲烷相碱度、氨氮随负荷的变化。

从图中可以看出，碱度、氨氮都随着负荷的升高而升高，在最高负荷为6g/（L·d）时达到最高，此时，碱度、氨氮分别达到10650mg/L和2300mg/L，氨氮超过了1500mg/L的抑制浓度，对微生物的新陈代谢有影响，降低负荷到5g/（L·d）后，碱度下降到8000mg/L，氨氮下降到1500mg/L左右，抑制作用减弱[16]。

因此，工程实例运行时，应该控制好碱度、氨氮浓度，不易过高。

3结论
（1）在餐厨垃圾SBMR-ASBR两相厌氧消化试验中，高负荷启动酸化相，有利于系统快速地形成稳定的乙醇型发酵，并且可以避开丙酸型发酵的形成。

采用10g/（L·d）负荷时，酸化相VFA最高可以达到61124mg/L，稳定状态时平均达到55000mg/L，VFA中乙醇和乙酸分别平均稳定在27000mg/L和23000mg/L，两者共占总VFA的91%。

（2）甲烷相可以在5g/（L·d）条件下稳定运行，此时，系统处理能力达到3.3g/（L·d），单位容积产气率达到2.3L/（L·d），甲烷含量在65%～70%，TS，VS去除率分别达到77%，83%。

（3）甲烷相大于5g/（L·d）的负荷条件会造成VFA和氨氮的积累，对甲烷相产生抑制，因此5 g/（L·d）是较佳的运行负荷。

综上，实际工程中建议采用高负荷启动酸化
图6甲烷相稳定性
Fig.6The stability of methane phase
（a）pH （b）VFA 浓度
相，有利于系统形成稳定的乙醇型发酵和高负荷运行的甲烷相，建议甲烷相运行负荷为5g/（L·d），此负荷下产气性能、消化性能和稳定性均较佳。

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化学工业出版社环境科学出版中心，2004.81.
欧盟：第一代生物燃料消耗增长放缓
据法国媒体报道，自2009年欧盟委员会强制要求运输领域实行可持续性标准之后，欧洲绿色燃料的消费量增长放缓，其中生物乙醇已经受到了玉米价格暴涨的影响。

欧洲再生能源推广协会（EurObserv‘ER）2012年7月25日的最新调研报告显示，2011年欧盟地区第一代农业燃料（生物柴油和生物乙醇）的消耗量增长再次放缓。

2011年欧盟运输领域大约消耗了1360万t石油当量，2010年消耗了1320万t，同比仅增长3%；2009~2010年增长率为10.7%，2008~2009年增长率为24.6%，2007~2008年增长率为41.7%。

较低的增长率也表现出2009~2010年对生物燃料限制程度的提高。

该协会对生物燃料消耗量增长放缓的解释如下：根据2003年可再生能源法令，2010年之前要将欧盟交通系统中的生物燃料所占比例提高至5.75%，而根据2010年的法令，在2020年之前要将这一比例提高至10%，但目前来看，前者比后者需要更多的努力，并需要动员更多的国家；当务之急是要确保第一代生物燃料在各国本土的消耗量的同时，努力遵守2009年可再生能源法令颁布的可持续发展规定，在农业原材料市场供应紧张的时期，该法令的制定主要针对生物柴油和生物乙醇带来的社会和经济影响；目前的经济危机已经导致许多中欧进口国家降低生物燃料的掺入率，以振兴本国经济。

2011年生物柴油依然是欧盟的主要生物燃料，这种燃料占生物燃料消耗总量的78%，生物乙醇为21%，植物油为0.5%，生物天然气为0.5%。

需要注意的是，2011年生物乙醇的消耗量迅速增长，同比增长率达到6.2%，而生物柴油只有2.4%。

在某些国家（包括法国）一种名为E10的燃油已经开始被使用，这种燃油由90%的无铅汽油和10%的生物燃油构成（按体积计算），欧盟希望在2013年之前所有成员均将E10作为主要燃油。

据悉，2011年生物燃料消费量最多的5个欧盟国家依次为德国、法国、西班牙、意大利以及英国。

与2010年相比，德国生物燃料的消耗量下降了2.7%。

（摘自国际新能源网2012-8-9）
钟起隆，等餐厨垃圾SBMR-ASBR两相厌氧消化产气性能研究。