陳婕 田興 蘭風(fēng)崗 尹文娟 馬三劍

摘要 [目的] 探索處理蔬菜垃圾的厭氧發(fā)酵新方法。[方法] 通過IC厭氧反應(yīng)器處理白菜葉子榨汁廢水，測定進(jìn)出水COD、pH等指標(biāo)以及反應(yīng)器的產(chǎn)沼氣效率。[結(jié)果] IC反應(yīng)器穩(wěn)定運行后，COD去除率達(dá)到85%左右，負(fù)荷可以達(dá)到15.9 kg COD/（m3·d），其中每kg COD可以產(chǎn)生約0.5 m3的沼氣。[結(jié)論] IC厭氧反應(yīng)器處理蔬菜垃圾產(chǎn)生了能源，有效解決了蔬菜垃圾的處理，同時簡化了處理設(shè)施。

關(guān)鍵詞 蔬菜垃圾;IC反應(yīng)器;沼氣

中圖分類號 S181.3;X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）33-11829-03

Experimental Study on Vegetable Waste Treated by IC Anaerobic Reactor

CHEN Jie1， TIAN Xing1， LAN Feng-gang2 et al

（1. Department of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215011; 2. Suzhou Kete Environmental Limited Company， Suzhou， Jiangsu 215011）

Abstract [Objective] The research aimed to study the new method of anaerobic reaction for the treatment of vegetable waste.[Method] Taken Chinese cabbage leaves as materials， the anaerobic reaction was undergone with IC anaerobic reactor. During the reaction， parameters such as pH and COD of inlet and outlet， as well as the methane production efficiency were determined.[Result] The results showed that， after the stable operation of IC reactor， COD removal efficiency could reach 85%， organic loads could reach 15.9 kg COD/（m3·d）， and per kg COD could produce approximately 0.5 m3 methane.[Conclusion] This study proved that the treatment of vegetable waste with IC anaerobic reactor not only could produce energy， but also could simplify treatment facilities.

Key words Vegetables garbage; IC reactor; Methane

作者簡介 陳婕（1989- ），女，江蘇蘇州人，碩士研究生，研究方向：水污染控制工程。

收稿日期 2014-10-20

目前，我國的城市垃圾大量增加，其中約有50%的城市垃圾為蔬菜垃圾。蔬菜垃圾含水率較高，約為75%到85%[1]。若采用填埋的處置方式，可能導(dǎo)致滲濾液的增加，給填埋場的后續(xù)處理增加壓力。若采用焚燒的方式，由于含水率高，技術(shù)不可行，而在蔬菜垃圾中添加大量輔助燃料[2]，經(jīng)濟(jì)上均不合理。

因此，目前對于蔬菜垃圾的處理，常見的處理工藝包括好氧堆肥、自然堆漚和厭氧消化等。好氧堆肥主要是利用蔬菜垃圾中N、P、K等營養(yǎng)元素，用作農(nóng)田的肥料。接種微生物自然堆漚處理主要為通過添加微生物菌劑，加快蔬菜垃圾的分解，最后產(chǎn)品也是用于農(nóng)田[3]。好氧堆肥和自然堆漚法都是將蔬菜垃圾變?yōu)榉柿?，但是在密集型的城市里，這些方法并不實用[4]。

而利用蔬菜垃圾進(jìn)行厭氧硝化產(chǎn)沼氣是較為合理的。蔬菜垃圾中含水率高，固體含量低，使得厭氧處理蔬菜垃圾便于操作。但是用厭氧消化處理固態(tài)的蔬菜垃圾對于設(shè)備以及操作的要求還是比較高的。所以該研究采用厭氧技術(shù)處理液態(tài)的蔬菜垃圾，產(chǎn)生沼氣，變廢為寶。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

為了試驗方便，保證進(jìn)水的穩(wěn)定，試驗采用白菜葉子作為蔬菜垃圾。

稱取10.605 g的白菜葉子，置于105 ℃的恒溫箱中6 h，然后取出稱量為1.723 g，繼續(xù)置于恒溫箱中1 h，再次稱量為1.682 g，繼續(xù)置于恒溫箱1 h，如此反復(fù)，直至最終2次數(shù)據(jù)相差不超0.01 g，最終測得烘干后的白菜葉子為1.678 g，可以得出，白菜葉子的含水率為84.2%。

取白菜葉子11.398 g，通過螺旋榨汁機(jī)榨汁，最后剩下的渣為3.832 g，將渣置于恒溫箱中，最終測得為1.879 g，可得用螺旋榨汁機(jī)后，渣的含水率只有50%。

將白菜葉子用榨汁機(jī)進(jìn)行榨汁，測得所得汁液的COD為75 000 mg/L，氨氮為783 mg/L，總磷為356 mg/L。

1.2 分析儀器

COD在線監(jiān)測儀、氨氮在線檢測儀、總磷在線監(jiān)測儀、pH-8型筆式pH計、JY3002型電子天平、蠕動泵、水浴箱、溫度計、加熱器、攪動棒、自控儀、榨汁機(jī)。

1.3 試驗方法

以白菜葉子榨汁后的水為模擬廢水，用生活污水將廢水稀釋至一定濃度，用蠕動泵通入IC反應(yīng)器中，IC反應(yīng)器置于水浴箱中，保持水浴箱的溫度在（37±2） ℃[5]左右。為了保證白菜葉子能夠得到良好的處理，按照COD∶N∶P=200～350∶5∶1[6]比例補(bǔ)充氮磷元素，同時添加微量元素。在反應(yīng)器啟動初期，微生物需要馴化，在配水過程中加入50 ml啤酒[7]，可以使得微生物能夠迅速成長，加速反應(yīng)器的啟動。為了使小試更具有工程實際價值，在試驗過程中，慢慢增加厭氧出水回流，減少生活污水的參與，最終使得進(jìn)水為厭氧回流液和原水。觀察IC反應(yīng)器的啟動、負(fù)荷提升以及穩(wěn)定運行的負(fù)荷，COD的去除率，觀察垃圾廢水的可生化性，每1 kg白菜葉子可以產(chǎn)生多少的沼氣量，為將來的工程實例提供數(shù)據(jù)、經(jīng)驗參考。

2 結(jié)果與分析

IC反應(yīng)器由相似的2層UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成[8]。按功能劃分，反應(yīng)器由下而上共分為5個區(qū)：混合區(qū)、第一厭氧區(qū)、第二厭氧區(qū)、沉淀區(qū)和氣液分離區(qū)。IC構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1 IC反應(yīng)器構(gòu)造示意

2.1 IC反應(yīng)器的啟動

該試驗采用顆粒污泥進(jìn)行反應(yīng)器的啟動，接種厭氧顆粒污泥來自于某檸檬酸廠的IC反應(yīng)器，由于原來的顆粒污泥是處理檸檬酸廢水的，此處處理的是白菜葉子的廢水，兩種水質(zhì)有很大的差別，同時試驗構(gòu)造、水力條件等也有不同，所以在IC反應(yīng)器的啟動初期，需要對微生物進(jìn)行馴化，在此階段保持進(jìn)水濃度不變，進(jìn)水量不變，水力停留時間為24 h[9]，待反應(yīng)器出水污泥較少，且反應(yīng)器形成內(nèi)循環(huán)，則表示IC反應(yīng)器啟動完成[10]。在調(diào)試過程中，主要對進(jìn)出水的COD、氨氮、總磷、pH、溫度、沼氣量等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，若是發(fā)現(xiàn)去除率下降時，則需要測量VFA，以確定去除率下降的原因。

結(jié)合圖2和圖3可以看出，IC反應(yīng)器啟動總計15 d，在啟動過程中，保持進(jìn)水量為3 L/d，水力停留時間為24 h。從圖中分析得出，啟動的曲線可以分為3個階段，第一階段時期，即第1天至第5天，出水的COD極低，主要是反應(yīng)器啟動前，加入自來水至排液口，剛開始的出水，主要都是自來水。第二階段時期，即第6天到第11天，這階段出水COD開始上升，在這階段，自來水基本排完了，而微生物還沒有完全適應(yīng)新的環(huán)境，不能很好地去除蔬菜廢水中的有機(jī)物質(zhì)。最后一階段，即第12天到第15天，這階段曲線開始穩(wěn)定，微生物基本馴化完畢。

由圖2、3可以看出，COD去除率基本保持在85%以上，有機(jī)負(fù)荷保持在1.8 kg COD/（m3·d）[11]，接種的顆粒污泥對于蔬菜廢水同樣適用。通過觀察，第3天開始可測得沼氣產(chǎn)生，隨著反應(yīng)器的穩(wěn)定運行，第8天，反應(yīng)器形成內(nèi)循環(huán)。

圖2 進(jìn)、出水COD及去除率隨時間變化曲線

圖3 有機(jī)負(fù)荷及去除率隨時間變化曲線

2.2 IC反應(yīng)器負(fù)荷提升

對于負(fù)荷的提升，主要有兩種方法：①進(jìn)水量不變，增加進(jìn)水的濃度;②進(jìn)水濃度不變，通過增加進(jìn)水量，進(jìn)而提高進(jìn)水負(fù)荷[12]。該次小試，保持水力停留時間為24 h[13]，所以，通過增加進(jìn)水濃度的方法，提高進(jìn)水負(fù)荷。

在負(fù)荷提升階段，計劃每次提高1.25 kg COD/（m3·d）[14]的負(fù)荷，當(dāng)COD的去除率能夠保持在80%以上時，每過3～4 d，提升一次負(fù)荷，同時在提升的過程中，添加營養(yǎng)元素。若反應(yīng)器的去除率出現(xiàn)明顯的下降，出水VFA升高或者跑泥時，則說明反應(yīng)條件出現(xiàn)了一定異常，保持進(jìn)水量不變，可以適當(dāng)降低進(jìn)水負(fù)荷，待反應(yīng)器恢復(fù)正常，去除率重新穩(wěn)定在85%的時候，再次提升進(jìn)水負(fù)荷。

由圖4和圖5可以看出，在整個厭氧負(fù)荷提升階段，保持進(jìn)水量不變，每過3～4 d，提高一次進(jìn)水濃度，進(jìn)水COD從2 220 mg/L提升至17 220 mg/L，有機(jī)負(fù)荷從2.2 kg COD/（m3·d）提升至17.2 kg COD/（m3·d）[15]，此時，COD去除率開始呈現(xiàn)下降趨勢，這表示厭氧負(fù)荷提升完畢。

圖4 進(jìn)、出水COD及去除率隨時間變化曲線

圖5 容積負(fù)荷及去除率隨時間變化曲線

從圖中可看出第23天至第26天，出水COD出現(xiàn)明顯惡化，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，溫控設(shè)備出現(xiàn)問題，水浴箱溫度上升至55 ℃[16]，導(dǎo)致顆粒污泥中的微生物活性降低，去除率迅速下降。在水浴箱中加水，迅速降溫，保持進(jìn)水負(fù)荷不變，運行4 d后，去除率變?yōu)?5.6%，系統(tǒng)恢復(fù)正常。在第40天至第43天，發(fā)現(xiàn)厭氧出水的固體物質(zhì)增多，出水COD也明顯增高，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于沼氣將水帶到了水封罐，使得水封罐內(nèi)的水滿了，從而導(dǎo)致三相分離器的作用變差，出水中泥量增加。經(jīng)過調(diào)整，反應(yīng)器恢復(fù)正常。

在負(fù)荷提升階段，對于進(jìn)出水的COD以及pH每日測量。出水氨氮、總磷、VFA每5 d測定一次。負(fù)荷提升階段共歷時50 d，在此階段COD去除率基本可以達(dá)到85%，沼氣產(chǎn)生量穩(wěn)定，系統(tǒng)運行良好。

2.3 IC反應(yīng)器穩(wěn)定運行

穩(wěn)定運行時間持續(xù)20 d。保持反應(yīng)器進(jìn)水量3 L不變，同時保證進(jìn)水負(fù)荷為15.9 kg COD/（m3·d）[17]，在每日的配水過程中按照COD∶N∶P=200～350∶5∶1添加氮磷以及微量元素。每天測量進(jìn)出水COD以及pH。反應(yīng)器運行狀況如圖6所示。

圖6 進(jìn)、出水COD及去除率隨時間變化曲線

圖7 容積負(fù)荷及去除率隨時間變化曲線

由圖6和圖7可以看出，IC反應(yīng)器運行穩(wěn)定，COD去除率可以長期保持在85%以上，每日產(chǎn)生的沼氣量穩(wěn)定，約為7.2 m3[18]?？梢娪肐C反應(yīng)器可以很好地處理蔬菜廢水，同時能夠變廢為寶產(chǎn)生沼氣能源。

3 結(jié)論

（1）IC反應(yīng)器可以很好地處理蔬菜廢水，COD去除率基本穩(wěn)定在85%以上，蔬菜廢水的可生化性很高。

（2）運用IC反應(yīng)器處理蔬菜廢水，負(fù)荷可以達(dá)到15.9 kg COD/（m3·d），沼氣產(chǎn)生量穩(wěn)定，每日約可產(chǎn)生7.2 m3，即每1 kg COD可以產(chǎn)生0.5 m2沼氣量。

（3）將蔬菜垃圾榨汁處理，可以獲得高濃度的廢水，同時不必配備固體厭氧反應(yīng)器，降低了對反應(yīng)器以及操作的要求，降低了反應(yīng)器出現(xiàn)問題的可能性。同時榨汁剩下來的殘渣，可以進(jìn)行堆肥，作為肥料使用。

（4）蔬菜垃圾含水率高，榨汁方便，使得處理蔬菜榨汁液成為可能，有工程實際意義，將蔬菜垃圾減量化，同時產(chǎn)生能源。

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