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隨著社會經濟的發展和城市化進程的加快，我國城市生活垃圾中有機組分的含量逐年增加。據初步統計，目前我國城市生活垃圾中有機組分平均含量已達36％～45％，個別城市甚至高達60％左右，這些有機組分主要為廚余垃圾、集市果蔬垃圾和糞便等，因其高含水率和易生物降解等特點，給傳統的填埋、堆肥或焚燒等處理處置方式帶來一系列的環境難題，如產生大量的滲瀝液、惡臭、溫室氣體以及二惡英等，嚴重污染了空氣、土壤和地下水。從另一角度看，城市生物質垃圾中含有大量生物質能，其高含水特性又為這類垃圾的生物能量轉化提供了有利條件。厭氧發酵是最常用的高含水率有機物能量轉化技術，廣泛應用于城市污水、污泥等領域。近年來，隨著易降解有機物在垃圾處理處置領域受到越來越多的限制，處理高固體含量有機廢物的厭氧消化技術得到迅速發展，并在歐洲和日本得到廣泛應用。
高固體厭氧消化技術根據有機物料TS（total solid）濃度的不同，可分為干式（TS 20％～40％）和濕式（TS<15％）2類。本試驗以TS濃度為14％～20％（定義為半干式）的餐廚垃圾為研究對象，采用高溫半干式厭氧發酵法對其進行實驗室規模研究，主要考察和分析了試驗啟動階段的影響因素和各項評價指標，為該法今后的實際工程應用提供可靠的數據支持。
1材料與方法
1.1試驗材料
1）餐廚垃圾。試驗所采用的餐廚垃圾取自清華大學某食堂，主要成分為米飯、面食、蔬菜、肉類、菜湯和骨頭等。餐廚垃圾經細碎后平均粒徑<2mm，其密度約為1.03kg/L，置于4℃冰箱中儲存待用2）接種污泥。試驗所用接種污泥取自高碑店污水處理廠消化池，為灰黑色液體，其主要性質見表1。試驗啟動時，接種污泥與垃圾按體積比約9：1混合后投入反應器。此后根據每日反應器內產氣情況、pH、VFA等指標的變化調整餐廚垃圾投加量。隨著啟動試驗的進行，逐步提高進料量，以期達到最佳的有機負荷及水力停留時間。
1.2試驗裝置
單級高溫厭氧反應器的構造見圖1。反應器為有機玻璃外殼，有效容積為9.5L；采用溫控儀控制加熱帶以維持高溫條件（54～57℃）；進料管末端深入液面以下，不但最大限度減少因進料操作所引起的氣體計量誤差，而且較好地保證了反應器內的厭氧環境；反應器頂部的攪拌器設有水封，由繼電器控制攪拌10min/h，攪拌槳轉速為120r/min；在整個試驗期間，每24h進出料1次，出料由反應器底部的采樣口收集；日產氣量及累計產氣量由濕式氣體流量計測定。
1.3測試項目及方法
TS采用烘干法105℃測定；VS使用馬弗爐600℃測定；C/N中的C以VS估算（C=0.47VS），N以凱氏測氮法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法分析；VFA使用SQ206型氣相色譜儀測定；pH采用pHS-2C型數顯pH計測定。
2結果與討論
2.1試驗啟動階段劃分
試驗啟動期采取逐步提高反應器容積負荷的進料方式，探索反應器在相應控制參數下穩定運行的負荷，根據反應器運行狀況，試驗啟動階段主要分為3個時期，見圖2：馴化期（0～28d）、提高期（29～54d）和穩定期（55～63d）。馴化期反應器的進料容積負荷為1.3～1.5g/（L?d），從圖2可以看出，在馴化期反應器依次經歷了酸化期（0～16d）、恢復期（17～23d）和相對穩定期（23～28d）3個階段。在相對穩定期，反應器產氣速率經歷了一個波峰后逐漸降低，表明反應器內累積的有機物正被生化降解而趨于平衡，此時pH從酸化期的6.3上升到7.8，并穩定在7.8～8.0，見圖3，以此為判據，反應器進入提高期；在提高期，反應器的進料容積負荷依次經歷了2個階段，分別為2.3g/（L?d）和3.0g/（L?d），在提高期反應器同樣經歷了類似馴化期的3個階段；在穩定期反應器容積負荷率為3.0g/（L?d），系統pH穩定在7.5～8.0，當負荷提高到3.2g/（L?d）時，系統產氣速率迅速減少，同時pH也降到6.0以下。2.2試驗啟動階段各時期的產氣速率、總VFA、甲烷含量及pH的關系
試驗啟動階段的劃分不僅取決于產氣速率隨進料有機負荷率的變化，同時與系統的pH、總VFA以及甲烷含量有密切而又必然的關系。如圖3所示，在馴化期，產酸菌活性較強而產甲烷菌活性較弱，因此，系統的總VFA濃度基本呈線性增加趨勢，在第22天時達最大值21.7g/L，隨著產甲烷活性的增強，有機酸被充分利用，產氣速率也達到馴化期的最大值15.7L/d。在馴化期因為產酸菌活性較強，所以系統反應過程主要以水解酸化為主，系統的pH隨總VFA濃度的升高而降低，甲烷平均含量較低，為36.6％；在提高期，隨著產甲烷菌群數量的增多和活性的增強，雖然系統提高了進料有機負荷率，但總VFA濃度仍維持在一個較低的平衡狀態，產氣速率和甲烷含量幾乎同步達到了新的高度，最大值分別為18.0L/d和66.3％，其中甲烷的平均含量也高達54.4％，比馴化期平均含量高出17.8％，而pH基本穩定在7.5左右；在穩定期，隨著時間的增長，系統總VFA濃度呈逐漸降低趨勢，最小值僅為3.9g/L，此時，各項指標均穩定在一個比較理想的范圍內，其中平均產氣速率為18.9L/d，甲烷平均含量為62.2％，比提高期高出7.8％，系統的產氣效率高達973.2mL/g（以VS計），反應器有機負荷率達到3.0g/（L?d）。當系統進一步提高負荷時，總有機酸濃度急劇增高，其他指標則大幅降低。
2.3試驗啟動階段各時期出料的TS、VS、COD與進料容積負荷的關系
如圖4所示，在馴化期的酸化階段（0～16d），由于產酸菌活性較強，加速了物料的液化過程，TS濃度逐漸減小；隨著反應進程的加快，總有機酸積累越來越多，pH大幅下降，氨氮濃度增至1749.3mg/L，大大抑制了產甲烷菌的活性，系統TS濃度又略有增加；從馴化期的恢復階段開始，系統的產甲烷能力逐漸增強，產甲烷菌與產酸菌逐漸形成共生體系，產甲烷菌消耗大量有機酸，促進物料的酸化反應進程，導致出料TS濃度呈降低趨勢；在系統的提高期和穩定期，雖然系統的進料容積負荷在不斷提高，但隨著產甲烷菌群數量的增加和活性的進一步增強，這種作用越來越明顯，因此出料TS濃度一直呈下降趨勢。系統出料VS、COD濃度在各個時期的變化情況基本與TS相同。3結論
1）根據產氣速率、pH的變化情況以及有機負荷的提高程度，將試驗啟動階段劃分為馴化期、提高期和穩定期。
2）反應器在經歷馴化期后，產氣速率和甲烷含量大幅提高，在提高期，平均產氣速率和甲烷含量分別為18.0L/d和54.4％，pH穩定在7.5左右。
3）穩定期反應器平均產氣速率和甲烷含量達到18.9L/d和62.2％，產氣效率973.2mL/g（以VS計），反應器有機負荷率達到3.0g/（L?d）。
參考文獻略
