梧州市生活垃圾高固體厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷

郭燕鋒,李 東,孫永明*,孔曉英,王德漢,袁振宏 (.中國科學(xué)院廣州能源研究所,廣東 廣州50640；.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州 5064)

梧州市生活垃圾高固體厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷

郭燕鋒1,2,李 東1,孫永明1*,孔曉英1,王德漢2,袁振宏 1 (1.中國科學(xué)院廣州能源研究所,廣東 廣州5106402；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州 510642)

以梧州市的生活垃圾為原料,針對其難降解部分含量相對較高的特點(diǎn),進(jìn)行高濃度中溫[(35±2)℃]批式厭氧消化實(shí)驗,主要研究TS的3個設(shè)置濃度對厭氧消化穩(wěn)定性及性能的影響.結(jié)果表明,分別為20%、25%和30%的3種TS均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷過程,在整個過程中沒有明顯產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸的抑制,pH能實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)態(tài)調(diào)控;TS為 20%、25%和 30%的厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷量為 93.06、105.92和117.23L/kgVS;較低的總固體濃度有助于縮短厭氧發(fā)酵周期,而較高濃度可提高產(chǎn)甲烷效率.

梧州；生活垃圾；厭氧消化；甲烷產(chǎn)率

2007年我國城市人口在100萬以下的地級市占了58.8%,人口超過2億人[1].由于中小城市垃圾處理方式單一,普遍采用市郊露天堆放或簡單填埋.未經(jīng)過無害化處理的垃圾已嚴(yán)重威脅到城市及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境.中國城市生活垃圾(MSW)現(xiàn)行的處理方式主要為填埋、焚燒和堆肥.研究表明,這三種處理方式的共性難題主要是由有機(jī)部分造成[2-3].城市垃圾是一種含水率高和含有大量的有機(jī)質(zhì)的原料,適宜進(jìn)行厭氧消化處理.

相對大城市而言,中國中小城市生活垃圾的基本特點(diǎn)為:以灰土、煤渣為主的無機(jī)成分含量高,不可堆腐成分多于可堆腐成分[4].國內(nèi)對的城市生活垃圾的厭氧發(fā)酵的研究均集中關(guān)注大城市垃圾的簡單有機(jī)部分,如模擬垃圾[5-6],餐廚垃圾[7-8]、庭院手工分選有機(jī)垃圾[9]等,而針對中小型城市的生活垃圾的厭氧處理研究的很少[10],尤其是結(jié)合我國中小城市的生活垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的研究仍未見報道.

針對中小型城市生活垃圾中有機(jī)質(zhì)含量相對較低的特點(diǎn),本實(shí)驗以梧州城市生活有機(jī)垃圾作為發(fā)酵原料,進(jìn)行高固體濃度下厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性.

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料與接種劑

實(shí)驗原料來源于廣西省梧州市的一家機(jī)械分選廠的新鮮垃圾,采取簡單破碎混勻,粒徑小于6cm,取40kg帶回實(shí)驗室在4℃冷藏保存.接種劑取自本實(shí)驗室長期運(yùn)行的生活有機(jī)垃圾厭氧消化反應(yīng)器(35L);使用前經(jīng)過孔徑 1mm的篩網(wǎng)過濾以去除碎骨頭、砂石、纖維等大顆粒難降解物質(zhì),過濾后的濾液作為本實(shí)驗的厭氧發(fā)酵接種劑,并采用實(shí)驗原料對接種劑進(jìn)行為期20d的馴化,并等到不再產(chǎn)沼氣時,接入反應(yīng)器.接種劑的 pH值為7.19,TS、VS分別為6.2%和1.7%.

1.2 實(shí)驗裝置與設(shè)計

厭氧發(fā)酵實(shí)驗裝置見圖 1,反應(yīng)器采用 1.6L的上下口抽濾瓶,上口為氣體采樣口,下口為液體采樣口.產(chǎn)氣量采用排飽和食鹽水法測量.反應(yīng)器放入水浴鍋中控制發(fā)酵溫度(37±2)℃,每天定時手動搖動反應(yīng)器2次.

圖1 厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷實(shí)驗裝置示意Fig.1 Experimental set-up for anaerobic fermentation

1.3 實(shí)驗方法

在產(chǎn)甲烷實(shí)驗前,先對原料進(jìn)行手工分選以獲得原料的各組分,并對各組分進(jìn)行二次破碎至粒徑＜0.2cm,嚴(yán)格按照原來垃圾組成成分進(jìn)行配制發(fā)酵原料,測得原料C/N為21.8.發(fā)酵原料進(jìn)料量(以TS計)分別為240,300,360g,接種劑的量分別為 300,375,450mL.加蒸餾水分別調(diào)節(jié)反應(yīng)器中原料 TS至20%,25%和30%.進(jìn)料后封罐并通氮?dú)獯祾?min以驅(qū)除反應(yīng)器頂部的空氣.每天定時測定產(chǎn)氣量,并根據(jù)產(chǎn)氣量每隔2～5d測定其生物氣中CH4和CO2含量以及液相中間產(chǎn)物揮發(fā)性脂肪酸的含量(乙酸,丙酸,正異丁酸和正異戊酸).整個厭氧發(fā)酵實(shí)驗直到基本停止產(chǎn)氣為止,共進(jìn)行了40d.

1.4 分析方法

TS、VS和灰分采用烘干法測定;熱值采用 WGR-1型熱值分析儀測定;生化成分分析采用國標(biāo)法測定,其中,總碳水化合物=100-水分+灰分+蛋白質(zhì)+脂類).VFA 的測定,采樣后離心(5000r/min,0～4℃),取上清液過濾(0.45μm)后采用HP-6820型氣相色譜測定:色譜柱型號DB-FFAP;載氣 He;進(jìn)樣口溫度 250℃,分流比1:50;FID 檢測器溫度 300℃;柱箱采用程序升溫,初始溫度100℃保持5min,然后以10℃/min的升溫速率升到 250℃,保持 12min.氣體成分由 HP-6890型氣相色譜測定,TCD檢測器,載氣為 Ar,進(jìn)樣口和檢測器溫度分別為 100和150℃.柱箱采用程序升溫,初始溫度40℃,保持2min,然后以 10℃/min的升溫速率升到 80℃并保持1min.氨氮濃度由FC-100型臺式氨氮測定儀測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的成分和特性

小型城市的垃圾成分在城市的時間上和地域上存在一定的差異,但是其總體組分比較穩(wěn)定,其主要成分包括廚余、灰土、樹葉、木竹,塑料、廢紙和紡織物等[10].從表1可以看出,本實(shí)驗的垃圾各組分比例與中小城市的較為一致,與大城市的相比,具有高無機(jī)物含量、低熱值、廚余和可回收部分的含量(紙類和塑料)較低.中小城市單位質(zhì)量的熱值(6.2MJ/kg)過低,不能滿足垃圾焚燒發(fā)電的熱值要求(5000kJ/kg以上)[11].

揮發(fā)性固體(VS)是衡量固體垃圾有機(jī)質(zhì)含量的指標(biāo),不僅包括了易生物降解部分(BVS),例如,糖、淀粉、有機(jī)酸、纖維素、脂肪和蛋白質(zhì)等物質(zhì),還包含了難生物降解部分(RVS),例如木質(zhì)素和塑料[12].對于厭氧發(fā)酵來講,僅有 BVS才能有效地評估垃圾的生物降解能力、生物氣產(chǎn)率、有機(jī)負(fù)荷和C/N,顯然,具有高VS低RVS含量特征的垃圾比較適合厭氧消化.在本研究中,若以生化成分分析中的碳水化合物(不包含纖維素)、蛋白質(zhì)和脂類(表 2)作為 BVS,則 BVS占VS的59.86%;可見VS中的有相當(dāng)一部分不易被降解.然而VS的比例相對較小,僅為44.94%,造成實(shí)驗樣品的可生物降解性較差;在手工分揀過程中可以看到大量的沙土.因此,中小城市在未采用源頭分類收集時,若采用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理生活垃圾,應(yīng)該在發(fā)酵前采取有效的生活垃圾分選技術(shù)以分選出可被降解的有機(jī)部分.

表1 城市垃圾的組成及特性Table 1 Composition and characteristics of MSW

表2 樣品的生化成分分析Table 2 biochemical com position analysis for SW in Wuzhou city

2.2 產(chǎn)甲烷實(shí)驗

圖2 厭氧消化過程中pH值的變化Fig.2 The pH profiles of anaerobic digestion

2.2.1 pH值和氨氮、VFAs的濃度變化 VFAs是厭氧消化過程中有機(jī)質(zhì)水解酸化的主要產(chǎn)物,同時也是產(chǎn)甲烷菌所利用底物,因此常常作為評價水解酸化和產(chǎn)甲烷是否平衡的重要指標(biāo).厭氧消化反應(yīng)條件如原料種類和濃度、溫度、初始和反應(yīng)過程的pH值、有機(jī)負(fù)載率、攪拌,以及接種物等參數(shù)及條件的變化均會改變微生物群落結(jié)構(gòu)、代謝活性及代謝途徑,這些改變直接由VFAs的構(gòu)成和濃度大小反映,并由 pH值變化間接表征,最終體現(xiàn)為消化反應(yīng)的穩(wěn)定性.厭氧發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)的pH值波動主要受到VFAs濃度、氨氮濃度、CO2的分壓和總堿度的影響.

在圖1中,3組反應(yīng)器中的pH值在前5d里,均隨之 VFAs濃度急劇增加而迅速變小,從7.1～7.2降到 6.5～6.1之間,其中下降幅度最大的一組為TS＝25%反應(yīng)器的pH值從7.09下降至6.13,3組反應(yīng)器中pH值均在第4d后開始恢復(fù)到7.0～7.8之間,發(fā)酵過程總體上的pH值仍是在適宜發(fā)酵產(chǎn)甲烷的pH值范圍內(nèi).

在圖 2中,在反應(yīng)的前 4d,3組反應(yīng)器的VFAs濃度(為乙酸,丙酸,正異丁酸和正異戊酸濃度之和)急速上升,從 2000mg/L增加至7834mg/L,TS越高的反應(yīng)器,VFAs濃度增加速度越快,這主要是和有機(jī)負(fù)荷越大,有更多的有機(jī)物被水解和轉(zhuǎn)化成VFAs有關(guān).整個反應(yīng)過程中,VFAs的最高濃度為 7834mg/L,未達(dá)到抑制產(chǎn)甲烷菌活性的濃度.

圖2 厭氧消化過程中VFAs濃度的變化Fig.2 Variations of VFAs concentration in the whole anaerobic digestion period

圖3 厭氧消化過程中氨氮濃度的變化Fig .3 Variation of NH3-N in anaerobic digestion

圖4 厭氧消化過程中池容產(chǎn)氣速率的變化Fig.4 Variations of gas production rate in the whole anaerobic digestion period

厭氧過程中氨氮主要來源于發(fā)酵底物中蛋白質(zhì)和尿素的水解[13],低濃度的氨氮可以為微生物提供必要的氮養(yǎng)分和有利于維持穩(wěn)定的pH值,但是高濃度的氨氮會嚴(yán)重影響產(chǎn)甲烷過程,當(dāng)氨氮濃度為4051～5734mg/L時,可使產(chǎn)甲烷菌的活性下降了 56.5%[14].在圖 3中,氨氮從開始到第18d呈上升的趨勢,TS＝30%的反應(yīng)器氨氮增長最快,在第18d氨氮最高濃度為1823mg/L.研究表明,即使是馴化過的長期運(yùn)行反應(yīng)系統(tǒng),只要氨氮濃度達(dá)到 1700mg/L就會使產(chǎn)甲烷箘活性下降10%,同時產(chǎn)氣量會開始下降[7,15].

在圖4中,明顯看到在第18d后,池容產(chǎn)氣量開始迅速的下降可能與高濃度的氨氮對產(chǎn)甲烷菌的抑制有關(guān)系.

2.2.2 產(chǎn)甲烷濃度以及累積產(chǎn)甲烷量 圖 5為氣體中甲烷含量的變化.在發(fā)酵前10d,TS濃度越低,甲烷含量越高.TS為20%在第8～12d產(chǎn)氣中甲烷濃度穩(wěn)定在 62.24%～64.50%之間,整個消化過程沼氣的甲烷平均濃度為55.25%(甲烷平均濃度以累積產(chǎn)甲烷量占累積產(chǎn)氣量的比例計算);TS為 25%在第 10～18d產(chǎn)氣中甲烷濃度穩(wěn)定在61.94%～63.87%之間,整個消化過程沼氣的甲烷平均濃度為58.48%;TS為30%在第10～22d產(chǎn)氣中甲烷濃度穩(wěn)定在61.69%～ 63.71%之間,整個消化過程沼氣的甲烷平均濃度為 58.14%.可見,隨著 TS的增加,能維持較高濃度的產(chǎn)甲烷反應(yīng)時間越長.

圖5 厭氧消化產(chǎn)生物氣中甲烷濃度的變化Fig.5 The concentration of methane in biogas

圖6 為累積產(chǎn)甲烷曲線.TS為20%、25%和30%的厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷量為93.06、105.92和 117.23L/kgVS,累積產(chǎn)甲烷量僅為國外城市生活垃圾高固體濃度厭氧發(fā)酵的生物氣產(chǎn)量(200～300L/kgVS[16])的 50%,其主要原因是我國城市垃圾未采用源頭分類收集或未經(jīng)過高效率的機(jī)械分選導(dǎo)致垃圾VS中的可降解性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西方國家;3種TS厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷量達(dá)到累積產(chǎn)甲烷量 80%所需的時間 T80分別為10.7d、17.5d和18.8d.這說明較低的總固體濃度有助于縮短厭氧發(fā)酵周期,而較高濃度可以提高產(chǎn)甲烷效率.

圖6 厭氧消化過程積累產(chǎn)甲烷量Fig.6 The cumulative methane production of anaerobic digestion

3 結(jié)論

3.1 以梧州為代表的我國中小型生活垃圾的生物可降解性較差,無機(jī)成分較多.揮發(fā)性固體含量僅為 44.94%,VS中的易被降解的揮發(fā)性固體含量不高,占VS的59.86%.

3.2 三種TS均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的厭氧消化過程,pH自我恢復(fù)調(diào)節(jié)能力較強(qiáng),在整個過程中沒有產(chǎn)生明顯揮發(fā)性脂肪酸和氨氮的抑制;消化過程 pH值最低為 6.13,均在第 4d后開始恢復(fù)到 7.0～7.8之間,最高脂肪酸和氨氮濃度分別為 7834mg/L和1823mg/L.

3.3 三種 TS均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷過程,較低的 TS有助于較早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣高峰,并縮短發(fā)酵周期,而較高濃度可以提高產(chǎn)甲烷效率.TS為20%、25%和 30%的厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷量達(dá)到累積產(chǎn)甲烷量80%所需的時間T80分別為10.7d、17.5d和 18.8d.累積產(chǎn)甲烷量分別為 93.06、105.92和117.23L/kgVS;整個消法過程沼氣的甲烷平均濃度分別為55.25%、58.48%和58.14%.

[1] 國家統(tǒng)計局.2007年中國統(tǒng)計年鑒 [Z]. 北京:中國統(tǒng)計出版社,2008.

[2] 楊玉楠,熊運(yùn)實(shí),楊軍.固體廢物的處理處置工程與管理 [M].北京:科學(xué)出版社, 2004.

[3] 李 東,孫永明,張 宇,等.城市生活垃圾厭氧消化處理技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展 [J]. 生物質(zhì)化學(xué)工程, 2008,42(4):43-50.

[4] 杜吳鵬,高慶先,張恩琛,等.中國城市生活垃圾排放現(xiàn)狀及成分分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2006,19(5):85-90.

[5] 瞿 賢,何品晶,邵立明,等.生物質(zhì)組成差異對生活垃圾厭氧產(chǎn)甲烷化的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2008,28(8):730-735.

[6] 楊渤京,王洪濤,陸文靜,等.厭氧條件下纖維素降解產(chǎn)氣的研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2008,28(3):255-259.

[7] 蔣建國,王 巖,隋繼超,等.廚余垃圾高固體厭氧消化處理中氨氮濃度變化及其影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2007,27(6):721- 726.

[8] 張 波,史紅鉆,張麗麗,等.pH對廚余廢物兩相厭氧消化中水解和酸化過程的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2005,25(5):665-669.

[9] 吳滿昌,孫可偉.溫度波動對城市有機(jī)生活垃圾高溫厭氧消化工藝影響 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2006,27(4):805-809.

[10] Silva M R Q, Naik T R. Review of composting and anaerobic digestion of municipal solid waste and a methodological proposal for a mid-size city [J]. Sustainable Construction Materials and Technologies, 2007:631-643.

[11] Amirta R, Tanabe T, Watanabe T, et al. Methane fermentation of Japanese cedar wood pretreated with a white rot fungus,Ceriporiopsis subvermispora [J]. Journal of Biotechnology,2006,123(1):71-77.

[12] Kayhanian M. Biodegradability of the organic fraction of municipal solid-waste in a high-solids anaerobic digester [J].Waste Management and Research, 1995,13(2):123-136.

[13] Kayhanian M. Ammonia inhibition in high-solids biogasification:An overview and practical solutions [J]. Environmental Technology, 1999,20(4):355-365.

[14] Koster I W, Lettinga G. Anaerobic-digestion at extreme ammonia concentrations [J]. Biological Wastes, 1988,25(1): 51-59.

[15] 任南琪,趙 丹,陳曉蕾,等.厭氧生物處理丙酸產(chǎn)生和積累的原因及控制對策 [J]. 中國科學(xué)b輯, 2002,23(1):83-89.

[16] Bolzonella D, Pavan P, Mace S, et al. Dry anaerobic digestion of differently sorted organic municipal solid waste: a full-scale experience [J]. Water Science and Technology, 2006,53(8):23-32.

High solid anaerobic digestion of municipal solid waste from Wuzhou.

GUO Yan-feng1,2, LI Dong1, SUN Yong-ming1*,KONG Xiao-ying1, WANG De-han2, YUAN Zhen-hong1(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China；2.College of Resources and Environment, South China Agricultural University,Guangzhou 510642, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：412～416

Municipal solid waste from Wuzhou was sampled and its composition and biochemical characteristics were analyzed. The effect of three different substrate concentration (TSr=20%, 25%,30%) on batch anaerobic digestion was investigated at mesophilic temperature[(35+2)℃]. The experiment results showed that all three digestions were stable with no inhibition of volatile fatty acids and ammonia. The pH was stable at 7.0～7.8 without control. The cumulative methane productions were 93.06, 105.92 and 117.23 L/kgVS for TSr of 20%, 25% and 30% respectively. Lower total solids concentration could help reduce the anaerobic fermentation period, while higher concentration could increase the methane yield.

Wuzhou；municipal solid waste；anaerobic digestion；methane yield

X705

A

1000-6923(2011)03-0412-05

2010-07-21

國家“863”項目(2009AA10Z405)

* 責(zé)任作者, 副研究員, sunym@ms.giec.ac.cn.

郭燕鋒(1985-),男,廣東揭東縣人,碩士,主要從事城市垃圾資源化技術(shù)研究.