馬振,萬(wàn)皓,張萌

(1.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海 200444; 2.上海大學(xué)能源管理辦公室,上海 200444)

高校餐廚垃圾制沼氣與中水回用聯(lián)合改造系統(tǒng)

馬振1,萬(wàn)皓2,張萌2

(1.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海 200444; 2.上海大學(xué)能源管理辦公室,上海 200444)

針對(duì)高校餐廚垃圾與生活污水的處理現(xiàn)狀,提出了構(gòu)建餐廚垃圾制沼氣與生活污水回用良性互補(bǔ)的聯(lián)合節(jié)能改造系統(tǒng)的思路,為高校節(jié)能工作創(chuàng)建了新的改造模式.在不同的餐廚垃圾與污泥混合比例條件下進(jìn)行了產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn),當(dāng)混合比為1∶1時(shí),40 d后的累積沼氣產(chǎn)率最大,為621 mL/(g·VS),揮發(fā)性固體(volatile soild,VS)含量去除率高達(dá)67.5%,產(chǎn)甲烷效率為78.6%,為最佳混合比例.1∶1混合底物反應(yīng)后溶解性化學(xué)需氧量(solluted chemical oxygen demand,SCOD)、溶解性碳水化合物及蛋白質(zhì)的去除率分別為55.7%,68.7%,22.7%,較餐廚垃圾的發(fā)酵顯著提高,底物的pH值基本在6.8～7.2之間.通過(guò)對(duì)上海大學(xué)南區(qū)進(jìn)行的節(jié)能估算可知,改造后每年可節(jié)省耗能費(fèi)約26萬(wàn)元,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益.

高校;餐廚垃圾;沼氣;生活污水;節(jié)能

餐廚垃圾是食品加工、飲食服務(wù)等居民日常生活中產(chǎn)生的垃圾[1],是食物垃圾中最主要的一種.上海、沈陽(yáng)、深圳、廣州等城市的餐廚垃圾在城市生活垃圾中的比重均已超過(guò)50%,分別為59%,62%,57%和57%[2].餐廚垃圾含水率高(可達(dá)80%～95%),易腐爛變質(zhì)、滋生蚊蠅,而高校食堂餐廚垃圾的產(chǎn)出量巨大并呈快速上升趨勢(shì),給師生的健康帶來(lái)危害.

同時(shí),我國(guó)城市年缺水量高達(dá)60億m3,嚴(yán)重缺水城市有110個(gè),而早前的“十五”計(jì)劃就已提出將城市污水量的10%作進(jìn)一步處理后回用.據(jù)統(tǒng)計(jì),高校人均用水量少則200～300 L/(人·d),多則600～700 L/(人·d),給市政排水管網(wǎng)帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān).中水是指污水經(jīng)處理后達(dá)到一定的回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水[3],高校的中水回用是全國(guó)節(jié)水工作的重要組成部分.目前,多數(shù)高校并未對(duì)食堂的餐廚廢物進(jìn)行回收利用,而是通過(guò)容器收集后運(yùn)往專(zhuān)門(mén)的處理部門(mén),而少數(shù)高校已逐漸實(shí)現(xiàn)了校園的中水回用.如梁瑋[4]對(duì)太原理工大學(xué)的中水回用系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃,每年可節(jié)水3.93×105m3,節(jié)省水費(fèi)94.3萬(wàn)元.然而,高校中這些節(jié)能項(xiàng)目大多為單獨(dú)處理污水或餐廚垃圾,廢物的處理方式并沒(méi)有太多的創(chuàng)新與突破.

1986年,Poli等[5]首次提出了餐廚垃圾與污泥混合消化處理工藝,Grifn等[6]研究了污泥與有機(jī)廢物中溫共混厭氧消化,提出了中溫條件下市政污泥及有機(jī)廢物的共同處理技術(shù),并取得了較好的效果.由于餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵會(huì)有揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)的積累,微生物可能受到中間產(chǎn)物毒性抑制而導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程失敗,故近年來(lái)混合發(fā)酵已成為有機(jī)廢物發(fā)酵技術(shù)研究最為關(guān)注的領(lǐng)域之一.高瑞麗等[7]研究表明,當(dāng)餐廚垃圾單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí),產(chǎn)氣在短期內(nèi)已趨于結(jié)束,存在嚴(yán)重抑制有機(jī)酸的現(xiàn)象.而污泥在降解過(guò)程中會(huì)有氨氮的積累,如果二者混合發(fā)酵,就可調(diào)節(jié)環(huán)境的pH值,提高產(chǎn)氣效率.餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中因缺少微量元素而不利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)代謝,污泥的加入可使反應(yīng)底物具有更均衡的營(yíng)養(yǎng)組成.另外,在厭氧消化過(guò)程中,碳氮質(zhì)量(C/N)比是微生物生長(zhǎng)以及消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素,消化的C/N比達(dá)到10～20為宜[8].高瑞麗等[7]的研究得出剩余活性污泥的C/N比為4.72,廚余垃圾的C/N比為30.71,通過(guò)不同比例混合后C/N比在11.2～15.1之間,可見(jiàn)二者混合可調(diào)節(jié)培養(yǎng)環(huán)境中的碳氮質(zhì)量比.再者,厭氧產(chǎn)沼氣過(guò)程中的副產(chǎn)品沼渣中含有腐殖酸10%～20%,有機(jī)質(zhì)30%～50%,全氮1%～2%,磷0.4%～0.6%[9],具有較好的肥效,可用于高校園林植物的施肥.

1 聯(lián)合改造系統(tǒng)規(guī)劃

高校宿舍分布集中,與食堂距離較近,可將餐廚垃圾制沼氣與中水回用進(jìn)行聯(lián)合改造,彼此建立良性的互補(bǔ)關(guān)系,為高校提出新的節(jié)能模式.聯(lián)合節(jié)能系統(tǒng)的規(guī)劃如圖1所示,食堂天然氣供給系統(tǒng)中增設(shè)一條管道輸送制取的沼氣,實(shí)現(xiàn)食堂天然氣的部分自給.學(xué)生宿舍生活污水統(tǒng)一收集處理后回用于宿舍、食堂的沖廁等水質(zhì)要求較低的場(chǎng)合.在污水處理過(guò)程中污泥產(chǎn)生量通常占污水量的0.3%～0.5%(體積)或約為污水處理量的1%～2%(質(zhì)量),收集的剩余污泥與餐廚垃圾混合后進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣,既可回用污水處理過(guò)程中的剩余污泥,又有助于提高產(chǎn)沼氣的效果.產(chǎn)沼氣后余下的沼渣用于高校園林施肥或培養(yǎng)污水處理菌種.

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)方法和所用儀器如表1所示.收集高校食堂餐廚垃圾樣品并進(jìn)行分離篩選,挑選出其中的干擾物,經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后再置于混合容器中進(jìn)行攪拌,直至達(dá)到均質(zhì)化.取餐廚垃圾原樣不添加污泥作為對(duì)照組,另配制相同體積的餐廚垃圾與剩余污泥(采自污水處理系統(tǒng)中)混合樣品,每組樣品分別按照5∶0,5∶1,3∶1,1∶1,1∶3,1∶5這6種不同比例混合均勻,每個(gè)比例下設(shè)2組平行試驗(yàn).將以上6種發(fā)酵底物樣品分別標(biāo)記為A,B,C,D,E,F.發(fā)酵底物樣品加入?yún)捬醯陌l(fā)酵罐中,每個(gè)底物接種相同的接種污泥,用氮?dú)獯得? min以排除空氣,用膠塞密封,發(fā)酵罐置于恒溫水浴鍋內(nèi),調(diào)節(jié)溫度為35°C.用排水法收集氣體,記錄產(chǎn)氣的累積量,測(cè)定反應(yīng)后甲烷的實(shí)際產(chǎn)率,并根據(jù)計(jì)算所得的理論產(chǎn)率求出產(chǎn)甲烷效率,利用相應(yīng)的儀器及檢測(cè)方法測(cè)定底物中VFAs、NH3-N、溶解性化學(xué)需氧量(solluted chemical oxygen demand,SCOD)、溶解性碳水化合物及蛋白質(zhì)等含量的變化(見(jiàn)表1).厭氧消化產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置如圖2所示.

圖1 餐廚垃圾制沼氣及中水回用聯(lián)合改造的流程Fig.1 Process of combined reconstruction of producing biogas by kitchen wastes and recycled water

表1 實(shí)驗(yàn)方法與儀器Table 1 Experimental methods and instruments

圖2 厭氧消化產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置Fig.2 Simulation of experimental device for producing biogas by anaerobic digestion

2.2 反應(yīng)原理分析

不同比例餐廚垃圾與污泥的混合物中所含的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的組成比例也不相同.已有研究表明,餐廚垃圾代謝途徑的不同對(duì)產(chǎn)氣特性可造成一定影響[10].蛋白質(zhì)水解為氨基酸后通過(guò)食氫厭氧微生物或Stickland反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閂FAs[11];脂肪則水解為長(zhǎng)鏈脂肪酸,再經(jīng)過(guò)氧化后生成VFAs;碳水化合物水解為單糖再經(jīng)過(guò)糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)榇碱?lèi)和VFAs.在產(chǎn)甲烷菌的作用下,這些中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為沼氣.蛋白質(zhì)、脂肪及碳水化合物對(duì)應(yīng)生成的沼氣中CH4與CO2的比例分別為71%與29%,68%與32%,50%與50%.表2比較了不同餐廚垃圾與污泥混合物的性質(zhì).

表2 餐廚垃圾與污泥混合物的性質(zhì)Table 2 Properties of kitchen wastes and sludge mixture

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中,餐廚垃圾與剩余污泥聯(lián)合發(fā)酵的最大沼氣累積產(chǎn)率為621 mL/(g·VS),此時(shí)二者的混合比為1∶1,與餐廚垃圾單獨(dú)厭氧發(fā)酵相比沼氣累積產(chǎn)率提高近3倍,說(shuō)明此混合比例下的產(chǎn)氣效果最好,為最佳配比,這主要是因?yàn)殡S著污泥的逐漸加入,混合底物中的C/N比得到了改善,而且在此混合比例下所含的營(yíng)養(yǎng)元素更加均衡.同時(shí),污泥量過(guò)少,厭氧發(fā)酵反應(yīng)啟動(dòng)較慢,從而影響了產(chǎn)氣及有機(jī)物降解;而污泥量過(guò)多,會(huì)因微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用影響微生物的生長(zhǎng)繁殖,從而影響有機(jī)物的降解.隨著污泥量的增加,足夠數(shù)量的菌群使得產(chǎn)氣效率增加,但是此時(shí)菌種之間會(huì)互相爭(zhēng)奪養(yǎng)分產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)抑制作用,反而影響其產(chǎn)氣效率.因此,在聯(lián)合節(jié)能改造過(guò)程中,選取餐廚垃圾與污泥的混合比為1∶1較為合適(見(jiàn)圖3).

圖3 餐廚垃圾與污泥厭氧發(fā)酵累積沼氣產(chǎn)率Fig.3 Cumulative biogas yields of anaerobic fermentation about kitchen wastes and sludge

取有機(jī)質(zhì)分子式為CaHbOcNd,假設(shè)其在降解過(guò)程中完全轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和CH4,則有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程方程式[13]可表示為

已有研究結(jié)果表明[14],如果碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪分別用C6H10O5,C5H7O2N, C57H104O6表示,其理論甲烷產(chǎn)率分別為415,496,1 014 mL/(g·VS),則不同比例的混合底物發(fā)酵后的甲烷理論產(chǎn)率Y[14]t為

混合發(fā)酵底物中總有機(jī)質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷效率[14]為式中Ye為甲烷的實(shí)際產(chǎn)率.

結(jié)合表2中所列出的不同混合比例下脂肪、蛋白質(zhì)以及碳水化合物的含量,即可計(jì)算出不同比例混合發(fā)酵底物的理論甲烷產(chǎn)率及生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷效率(見(jiàn)圖4).

圖4 餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能比較Fig.4 Performance comparisons of biogas produced by anaerobic fermentation of kitchen wastes and sludge

對(duì)反應(yīng)前后不同混合比例的反應(yīng)底物中所含VS量進(jìn)行測(cè)量與對(duì)比(見(jiàn)圖5)后發(fā)現(xiàn),反應(yīng)后VS量均明顯減少,其中當(dāng)混合比為1∶3時(shí)VS的去除率最高達(dá)70.7%,1∶1時(shí)VS去除率達(dá)67.5%,同樣有很好的VS去除效果.

圖5 不同餐廚垃圾與污泥混合比反應(yīng)前后底物中VS含量的變化Fig.5 Variations of VS content in substrate before and after reaction under diferent mixed ratios of kitchen wastes and sludge

反應(yīng)結(jié)束后,餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵后剩余底物的pH值較低,這主要是由于餐廚垃圾易導(dǎo)致VFAs的積累,而VFAs積累會(huì)造成厭氧緩沖體系中的HCO?3堿度與VFAs反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)锳C?堿度,使得發(fā)酵體系中pH值下降,從而抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng);而添加了污泥的混合底物反應(yīng)結(jié)束后pH值較高.結(jié)合圖6和7分析,這可能是由于污泥在降解過(guò)程中產(chǎn)生的NH3-N類(lèi)物質(zhì)較多,有一定的中和作用,NH3-N濃度升高是由含氮有機(jī)物不斷分解造成的.然而,氨氮超過(guò)一定的濃度也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用,Lay[15]的研究表明,pH值為6.5～8.5時(shí),甲烷菌的活性會(huì)隨NH+4濃度的增大而降低;NH+4濃度在1 670～3 720 mg/L時(shí),產(chǎn)甲烷菌的活性將會(huì)降低10%;NH+4濃度在4 090～5 550 mg/L時(shí),產(chǎn)甲烷菌的活性會(huì)降低50%,因此反應(yīng)中的NH3-N濃度應(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi).

厭氧消化反應(yīng)中產(chǎn)甲烷菌適宜的pH值最佳范圍較窄(6.8～7.2).如圖8所示,餐廚垃圾與污泥1∶1混合底物在厭氧反應(yīng)初始時(shí),pH值均在6.8～7.0的小范圍內(nèi)波動(dòng),這是由于在厭氧發(fā)酵試驗(yàn)初期系統(tǒng)處于產(chǎn)酸階段,同時(shí)多糖類(lèi)物質(zhì)的快速降解導(dǎo)致了系統(tǒng)的pH值減小.待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,pH值有所回升,但餐廚垃圾發(fā)酵中過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷會(huì)使pH值迅速減小,最低至6.5,低于厭氧發(fā)酵最佳pH值,說(shuō)明此時(shí)發(fā)酵系統(tǒng)已出現(xiàn)酸化,影響了正常產(chǎn)氣.而1∶1混合發(fā)酵在一段時(shí)間后pH值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),但基本穩(wěn)定在7.0～7.2之間,屬于最佳范圍內(nèi),這可能是因?yàn)槲勰嘀械腘H3-N類(lèi)物質(zhì)水解后,NH+4離子的積累對(duì)有機(jī)酸產(chǎn)生了中和作用,同時(shí)在此混合底物反應(yīng)條件下甲烷產(chǎn)氣效率高,對(duì)累積的VFAs會(huì)有一定的消耗作用.在實(shí)際反應(yīng)體系中,如果酸性過(guò)大則可在反應(yīng)器中加入適量的石灰;如堿性過(guò)大則可投加新鮮的消化基質(zhì)和水.

圖9為反應(yīng)前后溶解性物質(zhì)的含量,厭氧發(fā)酵過(guò)程中的SCOD主要來(lái)自溶解性蛋白質(zhì)以及少量的溶解性碳水化合物.由圖可知,在1∶1混合反應(yīng)物、餐廚垃圾兩種不同反應(yīng)底物下, SCOD的去除率分別為55.68%和23.9%,碳水化合物的去除率分別為68.67%和38.37%,溶解性蛋白質(zhì)的去除率分別為22.68%和19.62%.1∶1混合反應(yīng)物SCOD反應(yīng)前后的去除率明顯比餐廚垃圾有所提高.對(duì)于餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵,SCOD的去除率只有23.9%,這與該系統(tǒng)產(chǎn)氣情況以及VS去除效果對(duì)應(yīng),說(shuō)明該反應(yīng)系統(tǒng)整個(gè)發(fā)酵過(guò)程運(yùn)行并不理想.而1∶1混合底物中碳水化合物的去除率比餐廚垃圾也有較大提高,雖然餐廚垃圾單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)碳水化合物的含量較高,但因產(chǎn)氣過(guò)程中受到有機(jī)酸積累的抑制,使碳水化合物并不能被充分利用,因此去除率低于混合底物發(fā)酵.與溶解性碳水化合物的去除率相似,1∶1混合發(fā)酵溶解性蛋白質(zhì)的去除率要高于餐廚垃圾發(fā)酵,但由于蛋白質(zhì)的降解速率要明顯低于碳水化合物,故其反應(yīng)后的去除率也明顯低于碳水化合物.

圖6 1∶1混合物反應(yīng)NH3-N含量的變化Fig.6 Variations of NH3-N content in reaction by mixture of 1∶1

圖7 1∶1混合物反應(yīng)VFA含量的變化Fig.7 Variations of VFA content in reaction by mixture of 1∶1

圖8 厭氧發(fā)酵反應(yīng)中兩種不同底物pH值的變化Fig.8 Variations of pH values in two diferent substrates by anaerobic fermentation reaction

圖9 發(fā)酵反應(yīng)前后溶解性物質(zhì)含量Fig.9 Contents of dissolved substances before and after fermentation reaction

3 系統(tǒng)處理工藝

3.1 完全混合厭氧發(fā)酵工藝

在工程應(yīng)用中,產(chǎn)沼氣系統(tǒng)最佳處理溫度為35～40°C,如果溫度波動(dòng)幅度過(guò)大,則微生物活力下降,反應(yīng)器的負(fù)荷也會(huì)降低[16],pH值調(diào)節(jié)在6.8～7.2之間為宜.系統(tǒng)采用完全混合厭氧發(fā)酵工藝,即在常規(guī)沼氣發(fā)酵罐內(nèi)采用多混合攪拌和加溫技術(shù).發(fā)酵罐采用高固態(tài)全混式厭氧發(fā)酵罐,此反應(yīng)器適合于高固態(tài)物厭氧發(fā)酵.多混合攪拌使微生物處于完全混合狀態(tài),其活性區(qū)域遍布整個(gè)反應(yīng)器,效率比常規(guī)反應(yīng)器有明顯提高.高固態(tài)全混式厭氧發(fā)酵罐配備了厭氧發(fā)酵優(yōu)化控制系統(tǒng),較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間有利于餐廚垃圾的充分分解與消化,故選取高固態(tài)全混式厭氧發(fā)酵罐較為合適.

3.2 一體化膜生物反應(yīng)工藝

中水回用量為總污水量的1/2左右,僅需1/2的污水作為中水原水即可.中水原水采用宿舍的生活污水(沖廁水除外),其主要超標(biāo)污染物指標(biāo)為COD,BOD5和NH3-N類(lèi)物質(zhì),污染物濃度較低且污水的可生化性較好(BOD5/COD約為0.5).城鎮(zhèn)污水處理廠通常以活性污泥法為主導(dǎo)處理工藝[17],而針對(duì)中水原水特點(diǎn),本系統(tǒng)采用移動(dòng)床生物反應(yīng)器一體化膜反應(yīng)工藝,此反應(yīng)器中微生物附著在載體上,載體漂浮在反應(yīng)器內(nèi),隨混合液的回旋翻轉(zhuǎn)而自由移動(dòng),集活性污泥法與生物膜法的優(yōu)點(diǎn)于一體.該工藝水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間可分別控制.由于膜對(duì)混合液的高效分離過(guò)程中缺失的活性污泥非常少,曝氣中活性污泥的濃度便提高,比傳統(tǒng)的混合液懸浮固體濃度高出很多倍,通常COD負(fù)荷為4～5 kg/(m3·d),營(yíng)養(yǎng)和微生物比率比較低.此法易產(chǎn)生膜污染,可采取以下措施加以改善.

(1)在混合液中添加一些絮凝劑(如FeCl3等)以提高污泥的濾餅性能,但絮凝劑不宜多加,否則會(huì)影響污泥活性.

(2)改善水力學(xué)特征.選用錯(cuò)流膜組件,在較低的壓差下(低于0.1 MPa)采用較高的膜面流速(通常為4 m/s),以提高膜面剪切力.

(3)對(duì)膜定期清洗.通過(guò)物理或化學(xué)方法對(duì)膜進(jìn)行清洗以除去污水處理中留下的污染物.

3.3 一體化除臭

高校食堂餐廚垃圾制沼氣及中水回用聯(lián)合改造系統(tǒng)需考慮臭氣的防治,這不僅是因?yàn)椴蛷N垃圾發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生臭氣,在污水處理過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生臭氣,這些氣體既危害人體健康又會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備腐蝕[18].根據(jù)本系統(tǒng)的工藝特點(diǎn),臭氣的來(lái)源主要為餐廚垃圾及污水的預(yù)處理環(huán)節(jié),其他工序之間基本上都是管道密閉連接而不產(chǎn)生臭氣,因此可將所有臭氣源設(shè)計(jì)在一個(gè)密閉的空間內(nèi),采用負(fù)壓收集集中洗滌系統(tǒng)除臭.除臭的主要原理為

生物除臭系統(tǒng)內(nèi)部固定了多種菌種,臭氣氧化分解產(chǎn)生的其他產(chǎn)物進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng),最終和代謝產(chǎn)物一起排出.生物菌種將致臭污染物降解為二氧化碳和水,不產(chǎn)生二次污染.該系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷,在污染物濃度上升后短時(shí)間內(nèi)處理效果下降,但會(huì)很快恢復(fù)正常.

4 節(jié)能效益分析

高校餐廚垃圾與生活污水的聯(lián)合改造比二者單獨(dú)施工建設(shè)會(huì)節(jié)省大量的人力和物力.該系統(tǒng)省去了部分管道費(fèi)、除臭費(fèi)、藥品費(fèi)以及管理費(fèi)等,減少了占地面積,降低了建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益.

圖10為上海大學(xué)南區(qū)建筑分布圖.上海大學(xué)南區(qū)為學(xué)生生活宿舍區(qū),共住宿學(xué)生近1萬(wàn)人,宿舍總占地面積達(dá)36 637 m2,該區(qū)的生活污水排放量約4.3×104m3/a,需中水水量約2.15×104m3/a.對(duì)于一個(gè)中等規(guī)模的高校而言,中水成本約1.8元/m3,上海市水費(fèi)及排污費(fèi)總價(jià)按2.93元/m3算,則一年可節(jié)省水費(fèi)約242 950元.根據(jù)南區(qū)餐廳的就餐人數(shù),設(shè)置0.5 t/d的垃圾處理設(shè)施,改造完成后預(yù)計(jì)沼氣產(chǎn)量為50 m3/d,每1 t餐廚垃圾產(chǎn)沼氣約100 m3,沼氣中有效成分甲烷占55%～70%,處理1 t餐廚垃圾可得甲烷約60 m3.除去寒暑假,一年內(nèi)按270 d計(jì)算,則每年可以回收甲烷量約為8 100 m3.初步估算,處理1 t餐廚垃圾用電23 kW·h,用水0.1 m3,水電合計(jì)費(fèi)用18.9元/t,則生產(chǎn)1 m3甲烷成本約為0.315元,天然氣價(jià)格按2.5元/m3計(jì)算,每年學(xué)校食堂可以節(jié)省天然氣費(fèi)用約17 698.5元,即該聯(lián)合節(jié)能改造系統(tǒng)建成后每年可節(jié)省用能費(fèi)用總計(jì)約26萬(wàn)元.

圖10 上海大學(xué)南區(qū)建筑分布圖Fig.10 Building maps of Shanghai University Southern District

5 結(jié)論

(1)將餐廚垃圾與污泥按不同比例混合發(fā)酵,比單獨(dú)的餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)氣效果顯著.當(dāng)二者混合比例為1∶1時(shí),40 d后沼氣產(chǎn)率最大,可達(dá)621 mL/(g·VS),VS去除率高達(dá)67.5%,產(chǎn)甲烷效率為78.64%,為最佳混合比例.此混合底物反應(yīng)后SCOD、溶解性碳水化合物及蛋白質(zhì)的去除率分別為55.68%,68.67%,22.68%,比餐廚垃圾單獨(dú)厭氧發(fā)酵具有更好的去除效果.在該混合反應(yīng)條件下,pH值基本在6.8～7.2的最佳范圍內(nèi).

(2)餐廚垃圾與生活污水聯(lián)合節(jié)能改造比二者單獨(dú)施工建設(shè)將節(jié)省大量的人力物力,降低了投入成本.本系統(tǒng)以上海大學(xué)南區(qū)為例,通過(guò)估算得出每年回用水量約2.15×104m3,產(chǎn)甲烷約8 100 m3,可節(jié)省用能費(fèi)用約26萬(wàn)元,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益.

(3)本系統(tǒng)探索了高校節(jié)能改造的新思路,提出了高校節(jié)能的新模式,在高校生活區(qū)內(nèi)進(jìn)行食堂餐廚垃圾制沼氣及宿舍污水回用的聯(lián)合節(jié)能改造,形成一體化的節(jié)能系統(tǒng),為高校同類(lèi)型的節(jié)能系統(tǒng)改造提供參考.

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Combined system for biogas production using kitchen wastes and recycled water

MA Zhen1,WAN Hao2,ZHANG Meng2
(1.School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China; 2.Energy Management Ofce,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Regarding the current situation of treatment of kitchen wastes and sewage in colleges,constructing a combined energy-saving system to produce biogas using kitchen wastes and recycled water is proposed.The two recycling systems have a complementary relation.It can provide a new mode of energy-saving work in general,and for colleges in particular.Diferent mixing ratios of kitchen wastes and sludge are considered in the experiment of biogas production.With the ratio of 1∶1,the cumulative yield of biogas reaches a maximum value.The cumulative biogas yield for 40 days is 621 mL/(g·VS),the removal rate of volatile solid(VS)is up to 67.5%and efciency of methane production is 78.6%. The removal efciencies of solluted chemical oxygen demand(SCOD),soluble carbohydrate and protein after the reaction by mixed substrate of 1∶1 are 55.7%,68.7%,and 22.7%, respectively.The pH values of the substrate is between 6.8 and 7.2.According to an estimation of energy saving in the South Campus of Shanghai University,the program can save energy costing 260 000 RMB every year after reconstruction,making a good economic beneft.

college;kitchen waste;biogas;sewage;energy conservation

X 705

A

1007-2861(2017)01-0081-10

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.04.010

2014-12-17

萬(wàn)皓(1975—),男,副教授,博士,研究方向?yàn)檠h(huán)經(jīng)濟(jì).E-mail:15809589980@163.com