由于餐厨垃圾具有含水率高、盐分高、油脂高、易腐败发臭、易生物降解等特点，采用饲料化、填埋和好氧堆肥等传统方法对其进行处理，容易造成疾病感染、土地浪费、空气及水体污染等问题。采用厌氧消化技术处理餐厨垃圾，不仅可以解决餐厨垃圾带来的环境污染问题，同时可以产生清洁能源沼气，既保护了环境又获得了清洁能源；厌氧消化后的沼渣、沼液还可作为优质肥源用于农业生产，实现环境与经济效益双赢^〔1〕。对于餐厨垃圾浆液的厌氧消化已有大量相关研究^〔2〕。然而，实际工程中厌氧负荷普遍较低，导致厌氧处理系统投资大、运行不稳定，难以满足餐厨垃圾浆液这种高浓度有机浆液的处理需要。IMD（impuls mixing digester，脉冲-混合厌氧消化反应器）是一种新型的厌氧反应器，其采用循环泵提供动力起到搅拌作用，促进进料与厌氧反应器内微生物的混合，反应器内部无需机械搅拌装置和填料，适用于有机浆液、剩余污泥等的厌氧消化处理，具有效率高、能耗低、易维护等特点。在欧洲、韩国等已有应用案例，但国内尚无其应用于餐厨垃圾浆液处理方面的研究。本研究在中试规模条件下考察了IMD反应器处理餐厨垃圾浆液的效果和特性，以期为我国餐厨垃圾浆液厌氧消化处理提供新选择。

本试验处理的餐厨垃圾浆液取自我国东部某城市的餐厨垃圾处理项目，为餐厨垃圾经过机械预处理和油水分离后的高TS、高COD并含有少量油脂的高浓度有机浆液。餐厨垃圾浆液通过罐车运送至中试现场，进料至均质罐。其基本性质如表1所示。

IMD反应器分内外罐2个部分，外罐位于内罐上部外侧，顶部设有沼气出口。内罐沿高度方向设有多孔隔板，顶部敞口与外罐相通，底部设有带排渣口的锥形沉槽。进料管设置在内罐下部，出料口设置在内罐上部中心。外罐底部设有管道与脉冲泵连接，脉冲泵另一端连接至内罐下部。

本试验IMD反应器内罐内径5.4 m，外罐内径7 m，总高度17.4 m，有效容积300 m³。IMD反应器外壁材质为碳钢，内部构件材质为不锈钢，内部无机械搅拌装置和填料。具体结构如图1所示。

IMD反应器通过回流阀和脉冲泵共同控制内外罐液位变化形成脉冲和平衡循环。一个循环周期分成4个阶段：平衡阶段、脉冲阶段、脉冲最高状态、平衡过程。利用上述的脉冲和平衡循环，一方面使反应器内物料在每一层多孔隔板分成的区域内实现局部混合，不同层内有不同的厌氧微生物浓度，物料和厌氧微生物充分接触促进厌氧消化反应；另一方面通过脉冲和平衡过程中的内外罐液位变化产生整体推流效果，保证物料在推流作用下由下至上多层反应，彻底消化后从顶部排出，从而避免物料在厌氧消化过程中的短路现象，提高厌氧消化效率，减少物料在厌氧消化反应器内的停留时间。

本试验IMD反应器一个循环工作时间为15 min。脉冲泵工作时间为0.5 min，在此期间外罐液位降低，内罐液位上升，至脉冲泵停止工作时，液位达到最高（此时内罐内物料不会溢流至外罐）。脉冲泵停止工作后，回流阀自动开启，内罐液位开始下降，外罐液位开始升高，最终内外罐液位再次达到平衡，此平衡过程时间为2.5 min。此后出水阀开启12 min，若由于进料使此时的液面高于溢流口，则物料从溢流口排出，最终内外罐液位恢复到最初的平衡状态，回流阀和出水阀同时关闭。

餐厨垃圾浆液在均质罐中均质后，通过螺杆泵输送至IMD反应器中，在IMD反应器中进行厌氧消化。产生的沼液输送至脱水车间，脱水后清液排放至污水厂，污泥外运，沼气则通过沼气管道输送至沼气储存包。沼气储存包中的沼气经脱硫系统处理后供锅炉燃烧，为IMD反应器提供热量。若沼气有多余，则通过火炬燃烧。IMD反应器温度控制在（38±2）℃，通过热水换热器进行加热保温。

本试验是在IMD反应器用于市政污泥厌氧消化处理研究后进行的。餐厨垃圾浆液进料前IMD反应器内有300 m³厌氧污泥，其TS为3.17%，VS为33.67%。

反应器启动初始阶段，进料容积负荷控制在0.5 kgVS/（m³·d）左右，每次提升负荷为0.5 kgVS/（m³·d）。反应器在各负荷下稳定运行10 d，直至负荷达到设计的5.0 kgVS/（m³·d）。负荷达到5.0 kgVS/（m³·d）后，稳定运行20 d，之后负荷提升至6.0 kgVS/（m³·d）。运行10 d后，再次提升负荷达到7.5 kgVS/（m³·d）。在负荷为7.5 kgVS/（m³·d）下运行3 d后，由于出现酸化趋势，停止进料1 d，之后降低进料负荷至6.0 kgVS/（m³·d）运行。

每天采集餐厨垃圾浆液和反应器出料样品，测定pH、TS、VS、VFA、TN、NH₃-N、碱度，并检测沼气中的CH₄和CO₂含量。

pH采用便携式pH计测定；TS和VS采用重量法测定；VFA、NH₃-N和TN采用哈希快速测定法测定；碱度采用滴定法（默克试剂盒）测定；CH₄和CO₂浓度采用pGAS200-Ferment沼气分析仪测定。

在厌氧系统中VFA和碱度、pH是判断反应器运行是否稳定的重要依据。Lei Li等^〔3〕认为，VFA＜3 000 mg/L且VFA与碱度的比（质量比）在0.1~0.35时，系统运行稳定。由于本试验运行时间较长，取厌氧出料的VFA与碱度的比为0.25作为预警值，且厌氧出料的VFA＜3 000 mg/L。

厌氧出料VFA和碱度变化情况如图2所示。

由图2可知，试验的前120天，负荷达到6.0 kgVS/（m³·d）阶段，出料的VFA稳定在2 800~3 000 mg/L，碱度在14 500~15 500 mg/L，VFA与碱度比在0.20左右，厌氧反应器运行稳定。负荷提升至7.5 kgVS/（m³·d）阶段运行3 d，VFA明显上升，最高达5 942 mg/L，碱度下降至13 127 mg/L，VFA与碱度比达0.45，且产气率下降，说明反应器内产甲烷菌明显受到抑制，产酸菌大量生长，产酸作用明显，反应器趋于酸化。试验第124天停止进料。第125天，控制容积负荷在6.0 kgVS/（m³·d），在此负荷下运行7 d，碱度与VFA分别恢复到15 000、2 900 mg/L左右，系统恢复正常运行。

厌氧进出料pH变化情况如图3所示。

由图3可知，进料pH较为稳定，在3.4~4.1，这是由于餐厨垃圾在预处理过程中有一定程度的水解酸化。随着试验的进行，出料pH呈先上升后下降的变化趋势。在试验进行的第91~110天〔即负荷5.0 kgVS/（m³·d）阶段〕pH达到最大，保持在7.6~7.8。之后在第111~120天〔即负荷6.0 kgVS/（m³·d）阶段〕出料pH呈略有下降趋势，在7.4~7.7之间波动，这可能是由于随着负荷的提升，VFA在反应器内不断积累所致。在进料负荷为7.5 kgVS/（m³·d）的3 d时间中，pH下降较为明显，第123天已下降至7.02。第125天，负荷降低到6.0 kgVS/（m³·d），在此负荷下运行7 d，pH基本恢复正常。

VS去除率和VS产气率变化情况如图4所示。

由图4可知，在整个负荷提升阶段，VS去除率总体呈下降趋势，VS产气率呈先上升后下降的变化趋势。试验的前110天，负荷从0.5 kgVS/（m³·d）提升到5.0 kgVS/（m³·d）阶段，VS去除率在80%以上，系统运行稳定。第111~120天〔即负荷6.0 kgVS/（m³·d）阶段〕，VS去除率稍有下降，平均VS去除率为79.11%。第121~123天〔即负荷7.5 kgVS/（m³·d）阶段〕，VS去除率明显下降，最低下降到72.59%，此时反应器内微生物活性受到一定程度抑制。第125天，容积负荷降低到6.0 kgVS/（m³·d），在此负荷下运行7 d，VS去除率恢复到78.73%，基本恢复正常。

第71~80天〔即负荷4.0 kgVS/（m³·d）阶段〕，VS产气率最高达到1.60 m³/kgVS，平均VS产气率为1.53 m³/kgVS。第91~110天〔即负荷5.0 kgVS/（m³·d）阶段〕，平均VS产气率为1.43 m³/kgVS。第111~120天〔即负荷6.0 kgVS/（m³·d）阶段〕，平均VS产气率为1.25 m³/kgVS。在负荷7.5 kgVS/（m³·d）阶段，VS产气率下降到最低，为0.86 m³/kgVS。第125天，负荷降低到6.0 kgVS/（m³·d），在此负荷下运行7 d，VS产气率恢复到1.20 m³/kgVS左右。可见，IMD反应器可在进水负荷6.0 kgVS/（m³·d）下稳定运行。有研究^〔4〕表明，餐厨垃圾经厌氧消化后产气率最高达到0.99 m³/kgVS。本试验得到的VS产气率较高，可能是指标的测量方法导致^〔5〕。采用烘干法测定VS过程中，若样品内含有挥发性有机物（如VFA），会因其挥发而导致测定结果偏小。而本试验处理的餐厨垃圾浆液进入IMD反应器前已发生酸化，进料pH只有3.4~4.1，说明VFA含量较高，在测定VS过程中挥发量较大。相比之下，本试验过程中出料的pH在6.9~7.8之间变化，正常状态下〔负荷7.5 kgVS/（m³·d）时除外〕出料VFA始终低于3 000 mg/L，测定VS过程中挥发量较小。因此，所得VS产气率偏高，但仍可以反映不同负荷下产气效果的变化。且由此可推测得知，实际VS去除率高于上述检测值。

潘坚^〔6〕采用单相厌氧反应器连续式运行处理餐厨垃圾，最大容积负荷为4.5 kgVS/（m³·d）；肖小兰^〔7〕采用CSTR反应器处理餐厨废水，当负荷为4.0 kgVS/（m³·d）时，污泥上浮及流失严重。本试验采用的厌氧反应器稳定运行的容积负荷分别比之高出了33.33%和50.00%，说明IMD反应器是一种高效的厌氧反应器。

沼气中CH₄和CO₂含量变化如图5所示。

由图5可知，随着试验的进行，沼气中CH₄含量呈先上升后下降的变化趋势，而CO₂含量呈先下降后上升的变化趋势。这可能是因为试验启动初期，反应器内微生物尚未适应餐厨垃圾浆液这种高浓度有机浆液，因此初期的沼气中CH₄含量低，CO₂含量高。随着负荷的提升，反应器内微生物逐渐适应，沼气中CH₄含量逐渐提高，在第77天〔负荷为4.0 kgVS/（m³·d）〕，沼气中的CH₄体积分数达到最高，为68.9%。第91~110天〔即负荷5.0 kgVS/（m³·d）阶段〕，沼气中的CH₄为60%~62%，CO₂为24%~27%。第111~120天〔即负荷6.0 kgVS/（m³·d）阶段〕，沼气中的CH₄为56.1%~60.6%。第121~123天〔即负荷7.5 kgVS/（m³·d）阶段〕，CH₄最低为48.2%，CO₂为36.1%。第125天，容积负荷降低到6.0 kgVS/（m³·d），在此负荷下运行7 d，沼气中的CH₄和CO₂分别恢复到58.0%和31.0%左右，系统恢复正常运行。

（1）IMD反应器在负荷为4.0 kgVS/（m³·d）时对餐厨垃圾浆液的处理效果最好，VS产气率最高为1.60 m³/kgVS，平均为1.53 m³/kgVS；沼气中的甲烷体积分数最高为68.9%，平均为65.6%。

（2）IMD反应器可在负荷6.0 kgVS/（m³·d）下稳定运行，平均VS产气率为1.25 m³/kgVS，平均VS去除率为79.11%。对于实际工程而言，设计进料负荷为6.0 kgVS/（m³·d）可行。

（3）与其他厌氧反应器相比，IMD反应器处理餐厨垃圾浆液的容积负荷较高，处理效果较好。