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餐厨(厨余)垃圾碳源化技术及应用研究*

更新时间:2009-03-28

目前我国大部分餐厨(厨余)垃圾处理研究方向都集中在厌氧发酵产甲烷、肥料化和饲料化,而这些技术存在的参数控制要求高、产品外销困难等问题,难以和其他环保设施比如污水处理厂、垃圾处理场形成合力。餐厨垃圾的减量化、资源化和无害化处理,日渐成为环境领域的研究热点[1]。苏州市是国内较早启动餐厨垃圾无害化和资源化治理的城市,在餐厨垃圾资源化方面有着多年的探索和经验积累[2-3]

笔者采用一种全新的技术路线——餐厨(厨余)垃圾碳源化来开展对餐厨(厨余) 垃圾处理和资源化利用。通过整合餐厨(厨余) 垃圾处理厂、污水处理厂及垃圾填埋场以实现完整的循环经济产业链。该技术具有较为乐观的市场应用和产业化前景,尤其适合于污水处理要求较高的地区,比如太湖流域。

1 餐厨(厨余)垃圾碳源化技术简介

餐厨(厨余) 垃圾碳源化技术流程为均质预处理-油脂回收(湿热水解)-强化破解-定向产酸-酸化液纯化。工艺核心为水解产酸,通过将传统的厌氧发酵停留在水解酸化阶段,将餐厨(厨余)垃圾低成本的转化为高浓度、易生物降解的有机酸化液。该酸化液具有极佳的可生化性,从而可以有效的替代价格昂贵的商品碳源。

2 餐厨(厨余)垃圾碳源化技术研究必要性

2.1 传统餐厨垃圾处理技术的不足

常见餐厨垃圾处理工艺包括厌氧发酵、肥料化和饲料化等。

厌氧发酵的主要产品是沼气,其主要用途包括锅炉燃料、发电上网和提纯成天然气。由于目前国内天然气价格较低,尤其是近年来国际油气价格大幅下降,使得沼气的经济性大打折扣。而发电上网对于规模效应要求较高,大部分中小城市餐厨垃圾项目的规模较小,发电上网不具有经济性,使得厌氧发酵工艺的总体经济性较差。

肥料化技术面临肥料销路不畅这一严重问题。出于对堆肥中所含有毒有害物质和肥效的担忧,农民并不接受堆肥产品,使得大量堆肥产品积压,最终导致整个项目的肥料化停摆。

2.1.3 二维相关光谱 将人参、红参、西洋参3种配方颗粒压片后,在室温状态下放置,间隔10~30 min测定红外光谱并进行基线校正,将获得的数量足够的红外光谱导入清华大学的TD4.2二维分析软件,即可获得二维相关红外光谱图,并可根据需要选取不同波数范围进行分析。

饲料化工艺经济效益较好,但由于受到饲料同源性的担忧,难以得到有关行政管理部门的许可,实质上已经没有继续推广的可能。

2.2 碳源产品需求量大且不断增长

张玉静等[4]探讨了间歇模式下最佳的工艺条件为:35℃,pH=6,TS=100 g/L,在F/M=2时,SCOD=83.26 g/L,VFAs=41.45 g/L,NH4+-N=1 586 mg/L,TS去除率13.41%,VS去除率 =44.82%,VFAs产率=0.429 g/g,VFAs转化率=1.017 g/g。曹先艳等[5]的研究表明,以表面活性剂与偏硅酸钠的混合物作为添加剂能抑制产甲烷菌的生长,且接种污泥无需预处理即可提高产氢量。

图1从左至右依次为酸化液储罐、匀浆罐、压滤机(二层平台)、发酵罐、内置式膜生物反应器、进料池。发酵罐容积7 m3,MBR反应池容积7 m3,经预处理后的餐厨垃圾运至进料池暂存。发酵前先进行匀浆,然后进入发酵罐进行为期2 d的发酵,通过控制反应参数,获得含高VFAs浓度的水解酸化液,沼渣经压滤脱水后,同渗沥液处理站内的污泥合并处置,脱水渗沥液和发酵上清液进入酸化液储罐保存之后,在内置式膜生物反应器内进行处理,研究碳源的实际效果。

[4] 张玉静,蒋建国,王佳明.pH值对餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响[J].中国环境科学,2013,33(4):680-684.

表1是部分渗沥液处理厂和城市污水处理厂的进水水质和出水要求。可以看到,无论是污水处理厂还是渗沥液处理厂,都饱受C/N失调、碳源不足的困扰。

 

表1 部分渗沥液处理厂和城市污水处理厂的进水水质和出水要求 mg/L

  

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3 餐厨(厨余) 垃圾碳源化技术开发及应用研究进展

3.1 碳源化技术最佳工艺条件研究

1)填埋堆体是个厌氧系统,长期的填埋使得填埋场内部不断发生厌氧反应,使得BOD不断下降而有机氮不断转化为氨氮,从而带来碳源不足的问题。以笔者所在的苏州为例,七子山填埋场已经成为了老龄化填埋场,其渗沥液处理站的进水B/C和C/N均逐年下降,目前的C/N已经严重失调,必须依靠商品碳源的补充才能确保出水达标排放。随着时间的推移,越来越多的填埋场步入老龄化,全国各渗沥液处理厂站的碳源需求量不断上升。

3.2 有害组分对碳源化过程不利影响研究

王权等[6-7]通过间歇实验分别研究了NaCl含量和油脂含量对餐厨垃圾厌氧发酵产VFAs的影响。结果表明,在间歇反应的最佳条件下(pH=6,35℃),NaCl对厌氧发酵液中VFAs浓度影响显著,随NaCl含量提高,VFAs浓度呈下降趋势。油脂对发酵液中VFAs浓度影响显著,随油脂含量提高,最大VFAs浓度呈下降趋势。此外,油脂可延后开始产酸的时间并会影响发酵液中VFAs各组分比例,促使发酵类型由丁酸型发酵向丙酸型发酵转变。

3.3 碳源化技术预处理方法研究

王佳明等[8]采用超声波预处理餐厨垃圾以提高VFAs产率。结果表明,在超声强度720 W/L下处理15 min后,餐厨垃圾SCOD含量比原样中SCOD增加了1倍;在pH=6、35℃条件下,对含固率约为12%的餐厨垃圾进行厌氧发酵,经超声预处理的餐厨垃圾VFAs产量提高了27.2%。

3.4 酸化液碳源替代效果研究

可以看到,餐厨垃圾碳源化产生的酸化液对商品碳源有着显著的替代效果,可以大幅降低商品碳源的采购成本。2016年初至今,甲醇价格已经上涨超过50%,可以预见,未来渗沥液处理厂和污水处理厂的碳源采购费用,还会逐年上升。根据苏州七子山填埋场渗沥液处理站项目实践,餐厨(厨余)垃圾处理厂和渗沥液处理厂、污水处理厂合建的情况下,餐厨(厨余)垃圾解决了出路和产品销路,渗沥液处理厂、污水处理厂则得到了安全、廉价的碳源。

4 餐厨(厨余)垃圾碳源化应用中试实验研究

4.1 碳源化应用中试系统介绍

笔者在苏州市七子山垃圾填埋场渗沥液处理站对餐厨(厨余)垃圾碳源化技术进行中试研究,应用方向分别为垃圾渗沥液处理厂碳源和城市污水处理厂碳源。

2)与此同时,在我国南方地区,城市污水处理厂进水C/N同样严重失调,高氮低碳的特征十分突出。一般而言,BOD/TN要达到3.6才能进行生物脱氮,而要达到如《填埋场污染控制标准》表3、《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A这样高的排放标准,一般要求BOD/TN达到5以上,因此需要投加大量的碳源。随着污水收集率的不断提高,污水处理厂规模不断上升,对碳源的需求量也越来越大。

  

图1 苏州七子山垃圾填埋场渗沥液处理站中试成套设备

4.2 碳源化技术中试结果分析及与传统厌氧发酵的对比

发酵实验测定了餐厨垃圾原液、不同发酵(时间) 阶段的发酵液S1、S2及发酵完成酸化液的COD、VFAs指标,并测定了渗沥液处理站反硝化池内VFAs指标做比较。同时,为了更好对比反映VFAs的变化,选取了普通厌氧(产甲烷)发酵的常州餐厨垃圾做对比,如表2所示。

 

表2 发酵各阶段产物COD及VFAs比较 mg/L

  

可以看出,苏州餐厨原液COD浓度很高,但VFAs浓度很低,只占COD的10%~12%。经过中试系统定向产酸,COD浓度有所下降,但VFAs浓度大幅增加,从9 750 mg/L增加到23 100 mg/L,幅度超过100%。而常州餐厨原液COD浓度也很高,VFAs浓度很低,但常州采用的是普通的厌氧(产甲烷)发酵,所以出水COD浓度大幅下降,COD去除率超过80%,而VFAs不但没有上升,还同步大幅降解。

教师应对学生在阅读过程中的心理状态、思维方式、阅读方法和阅读习惯等加以分析、指导,重视利用学习策略,提高教学的科学性。如在培养略读技巧时,可利用幻灯片设置连线题。

由此可得,餐厨废水原液中VFAs含量较低,而本系统的定向产酸VFAs转化率远远大于传统的厌氧(产甲烷) 发酵工艺。目前渗沥液反硝化池内VFAs浓度仅为109 mg/L,基本可以忽略不计,这与渗沥液在填埋库区内经过长期厌氧产甲烷的实际情况是吻合的。可以预见,将酸化液投入渗沥液处理系统后,总VFAs及B/C均会有十分明显的提升。

4.3 酸化液用作渗沥液碳源效果中试研究

MBR处理渗沥液的实验结果表明:投加酸化液作为碳源后,出水TN浓度从175~275mg/L下降到10~40 mg/L。而出水COD浓度也从200~300 mg/L下降到150 mg/L。由此证明,餐厨垃圾产生的酸化液确实是优质的碳源,能大幅提高出水TN的去除率。MBR出水情况如图2所示。

  

图2 MBR出水情况(前半段未加酸化液)

李梦露等[9-10]考察了水解酸化液、甲醇、乙酸钠等3种碳源在相同COD/NO3-N下的脱氮效果。在COD/NO3-N约为5,NO3-N初始浓度约为35 mg/L及常温条件下,甲醇、乙酸钠和水解酸化液的反硝化速率分别为7.4、13.8、16.3mg(/g·h)。李月寒等[10]的研究结果表明,相较于产酸总量而言,TVFAs在发酵液中含量对反硝化效果影响更显著,且TVFAs含量越高,对应的反硝化速率也越高。

参考文献:

[1] 江苏省科技支撑计划:餐厨(厨余)废弃物碳源化技术及其在渗沥液处理中的应用研究报告[R].2017.

[2] 何晟,李世昌,王香治.苏州市餐厨垃圾管理实现模式创新[J].城市管理与科技,2010,12(5):65-67.

(3) 若Uα,取V=[α],则对任意的(x,z)V∘V,存在L,使得(x,y)V, (y,z)V。由[α]的定义知(x→y)⊗(y→z)≥α,同时(y→z)⊗(z→y)≥α。

据不完全统计,部分渗沥液处理厂和城市污水处理厂运行成本中,碳源费用超过了1/3。效果最好的商品碳源为甲醇,但其费用昂贵,还具有易燃易爆的特点,大幅增加了运营管理的难度。

方案三:谷物、薯类和杂豆统计为粮食,但不包括大豆。考虑到人们粮食消费的多元化,杂豆仍然可以作为粮食的一部分。因此,只将大豆从现有粮食统计口径中剔除,其中薯类(不含木薯)仍然按5比1折粮。

[3] 胡蔚,何晟.苏州市餐厨垃圾资源化利用现状及对策[J].中国科技成果,2012(15):55-57.

其中,f(T)的具体表达形式与脆弱性数量n、脆弱性变换周期intervali(1≤i≤n)以及变换的相对时间关系有关,在实际NDD体系中,可结合动态安全策略部署情况确定n和intervali(1≤i≤n),并通过概率分布拟合的方式得出f(T)的表达式.

[5] 曹先艳,袁玉玉,赵由才,等.添加剂对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响[J].环境污染与防治,2007,29(6):426-429.

表1按照生鲜农产品的平均累计库存由小到大进行排序,计算出平均库存累计百分比和平均资金占用额累计百分比,随后对生鲜农产品进行ABC分类。可以看出荷兰豆、食用菌、香菇、藕、甜玉米、土豆、洋葱等7种生鲜农产品累计金额达到总金额的63.8730%,所以将其划分为A类;芹菜、尖椒、生菜、胡萝卜和南瓜等5种生鲜农产品累计金额仅达到总金额的8.5334%,所以将其划分为C类;其余产品累计金额达到资金总额的27.5936%,所以划分为B类。

[6] 王权,宫常修,蒋建国,等.NaCl对餐厨废弃物厌氧发酵产VFA浓度及组分的影响[J].中国环境科学,2014,34(12):3127-3132.

[7] 王权,蒋建国,张昊巍,等.油脂对餐厨废弃物单相厌氧定向制酸的影响[J].中国环境科学,2015,35(5):1436-1441.

《麦克白》是莎士比亚四部悲剧作品中最短的一部作品,也是最震撼人心的一部作品。《麦克白》这部作品给人们带来很多思考,中外读者对作品中麦克白的悲剧分析也众口不一,有的人说是因为命运,有的人认为是性格所致。笔者试图从人性这一角度揭示麦克白悲剧的主要归因。

一年中要处理六个这样的案。在2个案例中,雇员家庭的生活来源完全依赖雇员的收入,在其他4个案例中,只是部分地依赖雇员的收入。随后的计划是用尽可能少的钱支付葬礼开支,并将结余的钱持续性地帮助该家庭,而不是将保险金在当下开支中完全用完的方式进行投资。有些家庭尚有需要偿还的欠债。保险金的六种投资方式如下:

[8] 王佳明,蒋建国,宫常修,等.超声波预处理对餐厨废弃物产VFAs的影响[J].中国环境科学,2014,34(5):1207-1211.

[9] 李梦露,蒋建国,张昊巍.餐厨废弃物水解液与传统碳源的脱氮效果比较[J].中国给水排水,2014(15):20-24.

[10] 李月寒,周丰,吕亮,等.剩余污泥和餐厨垃圾发酵液作为反硝化碳源可利用性研究[J].水处理技术,2016(11):29-33.

 
姚凤根,朱水元,孙雨清,夏金雨,赵俊,赵振振
《环境卫生工程》 2018年第02期
《环境卫生工程》2018年第02期文献

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