Sustainable Energy
Vol.07 No.04(2017), Article ID:21737,9
pages
10.12677/SE.2017.74008
Bench Scale Study of Methane Production from Food Waste in Combined Two-Stage Process
Xing Wang*, Xiaolan Liu
Beijing Capital Environment Company, Beijing
Received: Jul. 26th, 2017; accepted: Aug. 9th, 2017; published: Aug. 17th, 2017
ABSTRACT
To investigate the fermentation features of food waste at different loading rates, a lab scale fermentation process for the anaerobic treatment of food waste was carried out with a two phase bioreactor. The experiment set up four step-wisely increased loading rates, the effects of volatile fatty acid, ammonia nitrogen, retention time and loading rates on fermentation process were studied. At the organic loading rate of 22.65 kg VS/m3·d in hydrolysis reactor and 6.25 kg VS/m3·d in methane reactor, specific methane yield of 0.551 m3/kg VS is achieved. The research shows that the specific methane yields declined when organic loading rates increased from 2.97 to 8.15 kg TS/m3·d, but the volume biogas production rate increased from 1.61 to 3.91 m3/m3·d. With regarding to commercial food waste anaerobic digestion project, higher volume biogas production rate means more biogas production and more economic profits.
Keywords:Food Waste, Two-Stage Anaerobic Digestion, Bench-Scale Experiment
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
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22.65 kg VS/m3·d,甲烷相有机负荷率为6.25 kg VS/m3·d时,单位产气率最佳,可到0.551 m3/kg VS。实验发现,当有机负荷率从2.97上升至8.15 kg TS/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3.91 m3/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 © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 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1~2 cm、震动频率为800~1000次/分钟,筛孔直径为2~3 cm;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1~3 mm。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。
Table 1. Characteristics of food waste and inoculum
表1. 餐厨垃圾和接种污泥理化性质
2.2. 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
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(-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30 min。
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(30 m × 0.53 mm × 1.0 um),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2 mL/min,炉温升温程序为:110˚C保持5 min,然后开始升温,升温速率为10˚C/min,到220˚C后保持2 min;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200 kg餐厨垃圾投入水解酸化
Figure 1. Schematic diagram of integrated two-stage fermentation process
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20 kg餐厨垃圾,次日(24 h后)将酸化罐内底物排出20 kg,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20 kg/d递增到50 kg/d,甲烷发酵罐的给料量也相应从20 kg/d增加到50 kg/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0.167~0.236 m3/kg VS,其中CO2 46.68%~51.47%、H2 28.03%~33.02%。由于水解酸化罐内较低pH的抑制(pH 3.0~4.0),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0.760~0.874 m3/kg VS,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
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
Table 2. Organic loading rate
表2. 进料负荷表
OLR:有机负荷率;RT:停留时间。
Table 3. Methane production at different operation parameters
表3. 不同工艺参数下甲烷产气率的变化
(a) (b)
Figure 2. Biogas production in hydrolysis reactor (a) and methane fermentation reactor (b)
图2. 水解酸化产氢和甲烷化过程的生物气/沼气产量和有机负荷率(OLR)
时,甲烷产量从0.525显著降低至
表3显示了有机负荷率对甲烷产率的影响。从容积产气率来看,提高有机负荷率有助于提高系统的产气率。有机负荷率从2.97上升至8.15 kg TS/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3.91 m3/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(表4)。
3.2. 厌氧消化过程中代谢产物的组成和含量变化
3.2.1. 有机负荷率对水解酸化过程VFA含量变化的影响
厌氧消化过程中代谢的产物的组成是评价消化过程稳定性的重要参数。图3显示了水解酸化罐、甲
Table 4. Operation parameters and profiles of metabolites in hydrolysis reactor and methane fermentation reactor
表4. 工艺参数、产气率和代谢产物组成
*表中甲烷产量数值后的不同字母表示在0.05置信水平下经DUNCAN多重比较分析差异达显著水平。
Figure 3. Metabolites in the effluent of hydrolysis reactor
图3. 水解酸化产氢过程代谢产物组成特性
烷发酵罐内VFA的组成和浓度情况。在水解酸化罐内,当有机负荷率为
(a)
(b)
当有机负荷率增加到
根据上述现象可知,有机负荷率的增加可以改变水解酸化体系内微生物生理代谢途径,从而造成反应体系内乳酸、丙酸、丁酸浓度的变化,并伴随氢气浓度的变化。由于水解酸化过程伴随着氢气的产生,因此如果在一段法中观察到较高浓度的氢气存在,则说明水解酸化过程进行的速率超过了甲烷化的速率,有可能随之产生VFA浓度上升、pH下降的现象,此时如果不控制有机负荷率,则极有可能出现整个罐体酸化的现象。
3.2.2. 有机负荷率对甲烷发酵反应器内VFA、VS去除率的影响
随着有机负荷率的不断提高,甲烷发酵过程中的VFA浓度也随之出现一定的变化,其中乙酸的浓度变化最为显著。如图4所示当有机负荷率为
表5显示了甲烷反应器内VS去除率的变化情况。经过水解酸化后的餐厨垃圾,其VS浓度有了一定的下降。经过甲烷发酵后,水解酸化后的餐厨垃圾VS浓度得到进一步的去除。纵观这四个不同有机负荷率阶段的VS去除率,当有机负荷率上升时,甲烷反应器表现出的VS去除率比较稳定,基本上维持在50%的去除率水平。这也表明,经过水解酸化后这一阶段,促进了易生物降解物质的降解速率。
3.2.3. 有机负荷率对-N浓度的影响
众所周知,甲烷发酵过程对环境因素有很严格的要求,许多工艺参数对产甲烷过程有明显的影响,如pH、温度、VFA浓度、-N浓度。VFA浓度过高将会导致反应器的酸化, -N浓度过高则会
Figure 4. VFA in the effluent of methane fermentation reactor
图4. 甲烷发酵过程中VFA浓度
导致甲烷菌活性的降低。小试实验中甲烷反应器内的VFA总浓度为457.17~630.92 mg/L,pH位于6.7~7.3之间。由于甲烷反应器内VFA浓度与pH均处理合适范围内,可排除由这两个因素而造成沼气产量下降的可能性。因此,由有机负荷率上升而导致沼气产量下降的原因可能-N浓度上升造成了一定的抑制作用。当有机负荷率从
图6为水解酸化罐内-N的浓度变化情况。由于餐厨垃圾中含氮量较高,因此OLR的提高对造成了-N浓度的上升。当OLR从15.10增加到37.75 kgVS/m3∙d时,NH4-N从
4. 结论
1) OLR在2.94 kg TS/m3∙d、4.61 kg TS/m3∙d、6.28 kg TS/m3∙d、8.15 kg TS/m3∙d时,甲烷产率分别0.546、0.551、0.525 m3/kg TS、0.480 m3/kg TS。
2) 实验发现,水解酸化过程伴随着氢气的产生。因此如果在一段法中观察到较高浓度的氢气存在,
Table 5. VS removal in methane fermentation reactor
表5. 甲烷反应器VS去除率
Figure 5. -N concentration variation with OLR in the effluent of methane reactor
图5. 甲烷发酵过程中氨氮浓度与有机负荷率
Figure 6. -N concentration variation with OLR in the effluent of hydrolysis reactor
图6. 水解酸化产氢过程中氨氮浓度与有机负荷率
则说明水解酸化过程进行的速率超过了甲烷化的速率,有可能随之产生VFA浓度上升、pH下降的现象,此时如果不控制有机负荷率,则极有可能出现整个罐体酸化的现象。
3) 实验发现,当有机负荷率从2.97上升至8.15 kg TS/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3.91 m3/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。
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
Bench Scale Study of Methane Production from Food Waste in Combined Two-Stage Process[J]. 可持续能源, 2017, 07(04): 69-77. http://dx.doi.org/10.12677/SE.2017.74008
参考文献 (References)
- 1. 国家环保局,《水和废水监测分析方法》编委会, 编. 水和废水监测分析方法[M]. 第3版. 北京: 中国环境科学出版社, 1989.
- 2. 刘敏, 任南琪, 丁杰. 糖蜜、淀粉与乳品废水厌氧发酵法生物制氢[J]. 环境科学, 2004, 25(5): 65-69.
- 3. 曹先艳. 添加剂存在下餐厨垃圾厌氧发酵产氢条件优化研究[D]: [博士学位论文]. 上海: 同济大学, 2008.
NOTES
*通讯作者。