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随着人们生活水平的提高,果蔬废弃物总量日益增多给社会带来了巨大的环境和生态压力,其具有含水率高、挥发性固体含量高、易于生物降解和产生较为集中等特点。目前所采用的传统湿式厌氧消化技术具有有机负荷低、反应器效率低、废水处理量大、投资较高等缺点,有必要研究开发出高有机负荷率厌氧消化技术以克服湿式厌氧消化技术上述的不足。本文以城市农贸市场产生的果蔬废弃物为研究对象,通过高固体渗滤床、渗滤床+全混式、渗滤床+填料床等实验对比,得到如下结论:
水解产酸实验反应器运行条件实验结果表明:滤料层中陶粒层厚度为30mm,瓷粒层厚度为100mm,竹木层的厚度可选择50mm,适宜后续反应且设备制作成本相对较低。同时观察到果蔬废弃物的水解产酸反应可基本分为三个阶段:前12小时为启动阶段,渗滤液产量较大、产气量大且渗滤液中挥发性有机酸(VFAs)主要组成为甲酸;12小时至60小时为反应阶段,仅有少量的渗滤液形成且悬浮固体(SS)含量低、pH值维持在5.0以下,此阶段VFAs产量最高;反应进行60小时后反应基本结束,pH值逐渐上升、产气停止,仅有少量残留VFAs被洗脱至渗滤液中。
高固体渗滤床反应器运行条件研究中,气体产物生成主要集中在反应启动的前12h,单位时间产气量最高值为7.7L/h,氢气含量不到2%,酸化明显,整个反应阶段pH值均在5.0一下,最低pH值为3.42。渗滤液中甲酸为主要成分,总Was浓度最高值为16539.36mg/L,其中甲酸占到83.88%。果蔬废弃物的减少量达到67.39%,其中固体去除率达到61.47%,减量化效果明显。
渗滤床+全混式两步式反应器厌氧消化实验中,水解产酸阶段最高产气率为2.9L/h,其中氢气浓度仅为1.32%;在反应末期,甲烷浓度达到24.07%,发现产甲烷菌活性未被抑制。水解产酸阶段pH值均在5.0左右,产甲烷阶段pH变化范围仅为7.2到7.6,但反应后期丙酸积累现象明显,所占比重达到70.62%。产甲烷阶段单位时间产气量最大值为2.14L/h,平均产气量为1.55L/h,其中CH4浓度71.73%。固体去除率达到70.91%。
渗滤床+填料床两步式实验中,水解产酸阶段9h时产气率达到最大值9.65L/h,H2浓度也达到最高值26.43%。随后单位时间产气量维持在0.52 L/h到0.93 L/h之间,H2浓度保持在20%以上。反应进行21h时检测到有CH4生成,并且浓度越来越高,直到反应结束时浓度达到56.57%。水解产酸阶段9h时pH值达到最低值5.20,随后逐渐上升趋于中性;渗滤液中VFAs在27h最高值仅为4883.124mg/L。甲酸含量在反应高峰期浓度也仅为2138.17 me/L至2350.22 mg/L;产甲烷反应器的单位时间产气率在33h时达到至最大值5.57L/h,48h后水解产酸阶段反应基本结束,单位时间产气量在1.3 L/h到1.9 L/h之间。反应进行3h时便有CH4生成,反应基本结束时达到最高浓度74.22%。产甲烷反应器中pH值变化较小,30h时达到最低值为6.82,随后随着反应的进行逐渐升高。同时VFAs总量相对较低,最高浓度为3663.07mg/L,其中丙酸积累现象较为明显,反应结束阶段占到总量的85%。
一步式反应器中单位时间气体产量在9h时达到最大值18.47L/h,H2浓度达到最高值31.39%;45h后均在0.2 L/h以下,pH值一直保持在5.3左右,酸化现象严重。一步式实验中H2的最终累积产量为35.91L,甲烷产量仅为1.47L;两步式实验H2中为24.46L,甲烷产量为150.63L。计算得一步式与两步式气体产物热值分别为440.28kJ和5650.59kJ,其热量比为1:8.48。