日本城市有机废弃物甲烷发酵资源化系统案例分析及最新研究进展

为建设可持续发展社会,日本近年来大力推动甲烷发酵以实现城市有机废弃物的减量化和资源化。首先介绍了日本城市有机废弃物资源化的2个实用案例,长冈市厨余垃圾沼气发电中心和丰桥市生物质资源利用中心的设计和运营状况。两者的长期稳定运行及产能效果验证了甲烷发酵技术在城市有机废弃物减量化和资源化上的可行性。其次,为了应对社会发展趋势和城市有机废弃物处理的技术需求,介绍了日本有关厨余垃圾、污泥以及废纸（城市有机废弃物的3大组分）的单独发酵及共发酵的部分研究成果。此外,简要介绍了应用厌氧膜生物反应器（AnMBR）进行相关高效甲烷发酵的最新研究成果。并根据实用案例调查和实验研究结果,以100万人口城市为例,对城市有机废弃物的各种甲烷发酵系统的产能效果进行了模拟概算。     

高浓度中温厌氧膜生物反应器处理城市污水厂污泥的厌氧消化效果

利用厌氧消化技术处理城市污泥等有机废弃物,可以生成以甲烷为主要成分的沼气,同时实现废弃物减量化。传统的污泥厌氧消化技术存在水力停留时间长,处理水质差,反应器对环境变动敏感,运行不稳定等缺陷。使用有效体积15 L的实验室规模厌氧膜生物反应器（AnMBR）对初沉污泥与剩余污泥混合的城市污水厂污泥进行高浓度厌氧消化处理。AnMBR通过膜过滤方式将悬浮固体（SS）截留在反应器内,增强了反应器运行的稳定性并促进有机物的分解。AnMBR反应器在中温35℃,HRT为15 d,有机负荷为4.66 g-COD/（L·d）的条件下进行了为期155 d的长期运行实验。实验过程中,反应器运行稳定,没有出现氨氮抑制和挥发性脂肪酸的积累。沼气收率为0.48 L/g-VS,甲烷平均含量为63.32%。膜过滤水中COD浓度为0.77 g/L,COD去除率高达98%以上。通过物质衡算,基质总COD的54.38%转化为甲烷,仅有0.6%残留在膜过滤水中。在保持反应器污泥浓度25 g/L的高浓度条件下,实现了工作模式为4 min抽吸,1 min休息,平均膜通量9.6 L/（m2·h）的连续稳定运行。通过膜阻力抵抗值的计算,污染膜总阻力为11.87×1012/m,其中附着在膜表面的泥饼层和导致膜孔闭塞的有机层为膜污染形成的主要因素。通过长期连续实验的产甲烷情况及膜过滤效果,验证了AnMBR在有机废弃物减量化和能源回收应用上的可行性。     

大型中试厌氧膜生物反应器处理城市污水的稳定运行与物料平衡分析

为推进节能减排低碳化社会的进程,验证了利用厌氧消化新技术处理城市污水的可行性,在日本仙台市搭建并成功运行了目前世界上最大的中试浸没型一体式厌氧膜生物反应器,实现了在25℃左右的常温条件下对实际城市污水的高效厌氧处理。该中试反应器从2019年5月运行至2020年1月,历时217 d,最短水力停留时间缩短至6 h, COD去除率高达90%以上,BOD₅去除率为95%。1 m3城市污水中可回收沼气0.09~0.10 m3,每处理1 g COD可回收沼气约0.25 L,沼气中甲烷平均含量可达到75%。每处理1g COD中有0.19~0.26 g转化为污泥,污泥产率小于传统好氧活性污泥法。研究采用的微滤膜可实现最大膜通量为17.75 L/（m2·h）,稳定运行最大跨膜压量可达到23.5 kPa。该中试工程的成功运行再次验证了厌氧消化技术与膜分离技术结合在低浓度城市污水处理中的可能性与实用性,实现了节能减排与生物质能源利用,是一项可持续性发展的革新工艺。研究在大型中试规模实现了厌氧膜生物反应器的长期稳定运行,也为后续污水处理研究提供了基本运行参数和工程可靠性基础。