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随着社会经济的发展和城市化进程的加快，我国城市生活垃圾中有机组分的含量逐年增加。据初步统计，目前我国城市生活垃圾中有机组分平均含量已达36％～45％，个别城市甚至高达60％左右，这些有机组分主要为厨余垃圾、集市果蔬垃圾和粪便等，因其高含水率和易生物降解等特点，给传统的填埋、堆肥或焚烧等处理处置方式带来一系列的环境难题，如产生大量的渗沥液、恶臭、温室气体以及二恶英等，严重污染了空气、土壤和地下水。从另一角度看，城市生物质垃圾中含有大量生物质能，其高含水特性又为这类垃圾的生物能量转化提供了有利条件。厌氧发酵是最常用的高含水率有机物能量转化技术，广泛应用于城市污水、污泥等领域。近年来，随着易降解有机物在垃圾处理处置领域受到越来越多的限制，处理高固体含量有机废物的厌氧消化技术得到迅速发展，并在欧洲和日本得到广泛应用。
高固体厌氧消化技术根据有机物料TS（total solid）浓度的不同，可分为干式（TS 20％～40％）和湿式（TS<15％）2类。本试验以TS浓度为14％～20％（定义为半干式）的餐厨垃圾为研究对象，采用高温半干式厌氧发酵法对其进行实验室规模研究，主要考察和分析了试验启动阶段的影响因素和各项评价指标，为该法今后的实际工程应用提供可靠的数据支持。
1材料与方法
1.1试验材料
1）餐厨垃圾。试验所采用的餐厨垃圾取自清华大学某食堂，主要成分为米饭、面食、蔬菜、肉类、菜汤和骨头等。餐厨垃圾经细碎后平均粒径<2mm，其密度约为1.03kg/L，置于4℃冰箱中储存待用2）接种污泥。试验所用接种污泥取自高碑店污水处理厂消化池，为灰黑色液体，其主要性质见表1。试验启动时，接种污泥与垃圾按体积比约9：1混合后投入反应器。此后根据每日反应器内产气情况、pH、VFA等指标的变化调整餐厨垃圾投加量。随着启动试验的进行，逐步提高进料量，以期达到最佳的有机负荷及水力停留时间。
1.2试验装置
单级高温厌氧反应器的构造见图1。反应器为有机玻璃外壳，有效容积为9.5L；采用温控仪控制加热带以维持高温条件（54～57℃）；进料管末端深入液面以下，不但最大限度减少因进料操作所引起的气体计量误差，而且较好地保证了反应器内的厌氧环境；反应器顶部的搅拌器设有水封，由继电器控制搅拌10min/h，搅拌桨转速为120r/min；在整个试验期间，每24h进出料1次，出料由反应器底部的采样口收集；日产气量及累计产气量由湿式气体流量计测定。
1.3测试项目及方法
TS采用烘干法105℃测定；VS使用马弗炉600℃测定；C/N中的C以VS估算（C=0.47VS），N以凯氏测氮法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法分析；VFA使用SQ206型气相色谱仪测定；pH采用pHS-2C型数显pH计测定。
2结果与讨论
2.1试验启动阶段划分
试验启动期采取逐步提高反应器容积负荷的进料方式，探索反应器在相应控制参数下稳定运行的负荷，根据反应器运行状况，试验启动阶段主要分为3个时期，见图2：驯化期（0～28d）、提高期（29～54d）和稳定期（55～63d）。驯化期反应器的进料容积负荷为1.3～1.5g/（L•d），从图2可以看出，在驯化期反应器依次经历了酸化期（0～16d）、恢复期（17～23d）和相对稳定期（23～28d）3个阶段。在相对稳定期，反应器产气速率经历了一个波峰后逐渐降低，表明反应器内累积的有机物正被生化降解而趋于平衡，此时pH从酸化期的6.3上升到7.8，并稳定在7.8～8.0，见图3，以此为判据，反应器进入提高期；在提高期，反应器的进料容积负荷依次经历了2个阶段，分别为2.3g/（L•d）和3.0g/（L•d），在提高期反应器同样经历了类似驯化期的3个阶段；在稳定期反应器容积负荷率为3.0g/（L•d），系统pH稳定在7.5～8.0，当负荷提高到3.2g/（L•d）时，系统产气速率迅速减少，同时pH也降到6.0以下。2.2试验启动阶段各时期的产气速率、总VFA、甲烷含量及pH的关系
试验启动阶段的划分不仅取决于产气速率随进料有机负荷率的变化，同时与系统的pH、总VFA以及甲烷含量有密切而又必然的关系。如图3所示，在驯化期，产酸菌活性较强而产甲烷菌活性较弱，因此，系统的总VFA浓度基本呈线性增加趋势，在第22天时达最大值21.7g/L，随着产甲烷活性的增强，有机酸被充分利用，产气速率也达到驯化期的最大值15.7L/d。在驯化期因为产酸菌活性较强，所以系统反应过程主要以水解酸化为主，系统的pH随总VFA浓度的升高而降低，甲烷平均含量较低，为36.6％；在提高期，随着产甲烷菌群数量的增多和活性的增强，虽然系统提高了进料有机负荷率，但总VFA浓度仍维持在一个较低的平衡状态，产气速率和甲烷含量几乎同步达到了新的高度，最大值分别为18.0L/d和66.3％，其中甲烷的平均含量也高达54.4％，比驯化期平均含量高出17.8％，而pH基本稳定在7.5左右；在稳定期，随着时间的增长，系统总VFA浓度呈逐渐降低趋势，最小值仅为3.9g/L，此时，各项指标均稳定在一个比较理想的范围内，其中平均产气速率为18.9L/d，甲烷平均含量为62.2％，比提高期高出7.8％，系统的产气效率高达973.2mL/g（以VS计），反应器有机负荷率达到3.0g/（L•d）。当系统进一步提高负荷时，总有机酸浓度急剧增高，其他指标则大幅降低。
2.3试验启动阶段各时期出料的TS、VS、COD与进料容积负荷的关系
如图4所示，在驯化期的酸化阶段（0～16d），由于产酸菌活性较强，加速了物料的液化过程，TS浓度逐渐减小；随着反应进程的加快，总有机酸积累越来越多，pH大幅下降，氨氮浓度增至1749.3mg/L，大大抑制了产甲烷菌的活性，系统TS浓度又略有增加；从驯化期的恢复阶段开始，系统的产甲烷能力逐渐增强，产甲烷菌与产酸菌逐渐形成共生体系，产甲烷菌消耗大量有机酸，促进物料的酸化反应进程，导致出料TS浓度呈降低趋势；在系统的提高期和稳定期，虽然系统的进料容积负荷在不断提高，但随着产甲烷菌群数量的增加和活性的进一步增强，这种作用越来越明显，因此出料TS浓度一直呈下降趋势。系统出料VS、COD浓度在各个时期的变化情况基本与TS相同。3结论
1）根据产气速率、pH的变化情况以及有机负荷的提高程度，将试验启动阶段划分为驯化期、提高期和稳定期。
2）反应器在经历驯化期后，产气速率和甲烷含量大幅提高，在提高期，平均产气速率和甲烷含量分别为18.0L/d和54.4％，pH稳定在7.5左右。
3）稳定期反应器平均产气速率和甲烷含量达到18.9L/d和62.2％，产气效率973.2mL/g（以VS计），反应器有机负荷率达到3.0g/（L•d）。
参考文献略
