不同有機(jī)負(fù)荷下餐廚垃圾厭氧消化的甲烷產(chǎn)率

石憲奎，王 磊，，胡 超，劉 偉，康兆雨，高 樂

( 1．黑龍江科技大學(xué)環(huán)境與化工學(xué)院，哈爾濱150022; 2．北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京100037; 3．廣州中科建禹環(huán)保有限公司，廣州510670; 4．中山樂德環(huán)保工程有限公司，廣東中山528451)

不同有機(jī)負(fù)荷下餐廚垃圾厭氧消化的甲烷產(chǎn)率

石憲奎1，王 磊1，3，胡 超2，劉 偉3，康兆雨3，高 樂4

( 1．黑龍江科技大學(xué)環(huán)境與化工學(xué)院，哈爾濱150022; 2．北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京100037; 3．廣州中科建禹環(huán)保有限公司，廣州510670; 4．中山樂德環(huán)保工程有限公司，廣東中山528451)

為了實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的資源化利用，在中溫35℃的條件下，采用半連續(xù)進(jìn)料方式，在改變有機(jī)負(fù)荷的情況下，探討餐廚垃圾厭氧消化過程中的產(chǎn)甲烷規(guī)律。結(jié)果表明:有機(jī)負(fù)荷在5、6和7 g/( L·d)的條件下，CSTR反應(yīng)器可以正常運(yùn)行，甲烷產(chǎn)率分別為0. 416、0. 414和0. 384 L/( g· d)，甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為57. 6%、56%和52. 9%。該研究說明餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)生甲烷的潛力巨大，能夠?qū)崿F(xiàn)餐廚垃圾資源化利用。

餐廚垃圾;有機(jī)負(fù)荷;甲烷

收稿日期: 2013－12－16
基金項(xiàng)目:廣東省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目( 2011A090200110)
第一作者簡介:石憲奎( 1967－)，男，黑龍江省哈爾濱人，教授，博士，研究方向:水和固體廢物處理技術(shù)及設(shè)備，E-mail: shxk2002@ 126．com。

0引言

餐廚垃圾是城鎮(zhèn)生活垃圾的重要組成部分。它泛指食堂、飯店等餐飲業(yè)及居民生活中食品烹飪過程中產(chǎn)生的廢料和食物殘余。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，餐廚垃圾的總產(chǎn)量逐年提高。2012年僅青島市的餐廚垃圾日產(chǎn)量就達(dá)到了265 t［1］。由于餐廚垃圾具有高含水率、高油脂、高鹽分以及易腐發(fā)臭、易生物降解等特點(diǎn)［2］，直接填埋會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生滲濾液和臭氣，造成二次污染。含水率高導(dǎo)致不宜焚燒，需經(jīng)過脫水處理，不僅消耗大量能源，而且餐廚垃圾焚燒時(shí)產(chǎn)生二惡英等有毒氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境。厭氧消化技術(shù)可以有效避免焚燒和填埋帶來的污染，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾處理的無害化、減量化和資源化。

有機(jī)負(fù)荷作為餐廚垃圾厭氧消化過程中重要的影響參數(shù)，一般來講，相對(duì)較高的有機(jī)負(fù)荷可以產(chǎn)生較多的沼氣。但是，有機(jī)負(fù)荷過高會(huì)使得產(chǎn)酸速率大于產(chǎn)甲烷速率，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)VFA積累，進(jìn)而pH下降，產(chǎn)甲烷菌受到抑制，嚴(yán)重時(shí)反應(yīng)器崩潰。韋成健等［3］認(rèn)為，餐廚垃圾與豬糞混合厭氧消化研究過程中當(dāng)餐廚垃圾有機(jī)負(fù)荷為1. 5 g/( L·d)時(shí)，每克VS的甲烷產(chǎn)率和甲烷百分?jǐn)?shù)分別為1. 40 L/g和71. 37%，達(dá)到了最佳狀態(tài)。楊久滿［4］以豬糞為接種物的餐廚垃圾中溫厭氧實(shí)驗(yàn)研究中，進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷為2. 50 g/( L·d)時(shí)，日平均產(chǎn)甲烷量最高為8 226 mL。王巧玲［5］以豬糞為接種物的餐廚垃圾厭氧消化研究中，得到了餐廚垃圾的最大有機(jī)負(fù)荷4. 28 g/( L·d)，系統(tǒng)產(chǎn)氣率0. 66 L/g，甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63%。

筆者以半連續(xù)的進(jìn)料方式，在35℃條件下，通過逐步提高有機(jī)負(fù)荷的方式，探尋提高厭氧消化產(chǎn)沼氣的方法，以期得出最佳的進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷，為今后餐廚垃圾厭氧消化處理的產(chǎn)業(yè)化提供理論基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)

1．1實(shí)驗(yàn)材料

餐廚垃圾來自某職工食堂，經(jīng)過人工分揀后通過食物破碎機(jī)破碎，在4℃的冰箱中保存?zhèn)溆?。接種污泥來自某造紙廢水處理廠。實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)見表1和表2。

表1餐廚垃圾和接種污泥的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of kitchen waste and sludge

表2餐廚垃圾的主要成分(濕重)Table 2 Constitutes of kitchen waste ( wet weight) %

1. 2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。CSTR ( Continuous Stirred Tank Reactor)連續(xù)攪拌反應(yīng)器為圓柱體，有效體積為5 L，溫度控制在( 35±1)℃，攪拌器轉(zhuǎn)速為5 r/min。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置Fig．1 Experimental structure

1. 3 實(shí)驗(yàn)方法

向CSTR反應(yīng)器加入2. 5 L顆粒污泥作為接種物，加水稀釋至5 L，馴化20 d。餐廚垃圾進(jìn)料方式采用半連續(xù)進(jìn)料，每隔24 h從反應(yīng)器頂部加入餐廚垃圾，分別以5、6、7、8 g/( L·d)共四組有機(jī)負(fù)荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)同時(shí)排出相同體積沼液(先排后加)。每日測定出料的pH、堿度、SCOD、VFA、氨氮、沼氣體積、甲烷質(zhì)量濃度。

1. 4 分析方法

TS、VS采用重量法測定［6］; pH采用雷磁( PHS－25) pH計(jì)測定; SCOD執(zhí)行GB 11914－89重鉻酸鉀法測定; VFA采用蒸餾法測定［6］;氨氮執(zhí)行HJ 537－2009蒸餾－中和滴定法;產(chǎn)氣量采用排水法收集(飽和碳酸氫鈉溶液) ;氣體成分使用GASBOARD－3200L紅外沼氣分析儀測定。

2結(jié)果與分析

2．1 pH變化趨勢

不同有機(jī)負(fù)荷下pH變化趨勢見圖2。pH在厭氧消化過程中是主要的影響因素，由圖2可見，在5、6、7 g/( L·d)的有機(jī)負(fù)荷下，pH值分別保持在7. 1～7. 2、7. 1～7. 2、7. 0～7. 1之間。均符合系統(tǒng)最佳的pH值范圍［7］。在這個(gè)過程中產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸( VFA)完全被產(chǎn)甲烷菌充分利用，沒有造成VFA的積累，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在8 g/( L·d)的進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷下，pH突然下降，由第一天的6. 7降至第四天的5. 5，反應(yīng)器崩潰，停止運(yùn)行。在該過程中，產(chǎn)酸菌所產(chǎn)生的VFA沒有被產(chǎn)甲烷菌充分利用，導(dǎo)致VFA大量積累，造成反應(yīng)器中的pH急劇下降，產(chǎn)甲烷菌受到嚴(yán)重的抑制，最終反應(yīng)器停止運(yùn)行。

圖2不同有機(jī)負(fù)荷下pH變化趨勢Fig．2 Trend of pH on different OLR

2. 2 VFA變化趨勢

不同有機(jī)負(fù)荷下VFA變化趨勢如圖3所示。VFA作為厭氧消化反應(yīng)酸化過程中的主要產(chǎn)物，是反映系統(tǒng)穩(wěn)定的重要指標(biāo)。VFA的大量積累會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌受到抑制，產(chǎn)氣量下降，影響厭氧反應(yīng)進(jìn)程。由圖3可知，在5、6、7 g/( L·d)的有機(jī)負(fù)荷下，VFA隨著有機(jī)負(fù)荷的升高而變大，VFA分別維持在144～240、156～480、601～1 202 mg/L之間，是甲烷菌的適宜范圍［8］。在此過程中，VFA大部分被產(chǎn)甲烷菌利用，沒有造成大量積累，保證了產(chǎn)沼氣的穩(wěn)定進(jìn)行。在8 g/( L·d)的進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷下，第一天的VFA為2 284 mg/L，一直升高，到第四天達(dá)到了4 689 mg/L，反應(yīng)器停止運(yùn)行。在該過程中，VFA大量積累，產(chǎn)甲烷菌受到嚴(yán)重抑制，產(chǎn)氣過程停止。

圖3不同有機(jī)負(fù)荷下VFA變化趨勢Fig．3 Trend of VFA on different OLR

2. 3 SCOD變化趨勢

不同有機(jī)負(fù)荷下SCOD變化趨勢見圖4。SCOD是反應(yīng)餐廚垃圾殘留在反應(yīng)器中的溶解性有機(jī)物的主要指標(biāo)。由圖4可知，整體上看，SCOD隨著進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷的升高而升高，由于隨著進(jìn)料負(fù)荷的增加，水解作用沒有受到抑制。在5、6、7 g/( L·d)的有機(jī)負(fù)荷下，SCOD分別維持在1 225～1 548、1 179～1 660、1 509～2 113 mg/L之間，結(jié)合圖2表明屬于一個(gè)適宜水平，SCOD中的有機(jī)酸被甲烷菌充分利用，說明產(chǎn)甲烷菌沒有受到抑制，將大部分SCOD轉(zhuǎn)化為沼氣。在8 g/( L·d)的進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷下，SCOD由第一天的5 207 mg/L一直升至第四天的12 452 mg/L，可知VFA大量積累，導(dǎo)致pH下降，致使產(chǎn)甲烷菌受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致沼液中殘留了更多的SCOD沒有被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化掉。

圖4不同有機(jī)負(fù)荷下SCOD變化趨勢Fig．4 Trend of SCOD on different OLR

2. 4 氨氮變化趨勢

不同有機(jī)負(fù)荷下氨氮變化趨勢如圖5所示。適宜質(zhì)量濃度的氨氮對(duì)系統(tǒng)起到緩沖作用，保證pH值的穩(wěn)定，同時(shí)為微生物提供氮源。氨氮過高會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)pH升高，對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制作用。由圖5可知，在5、6、7 g/( L·d)的有機(jī)負(fù)荷下，氨氮質(zhì)量濃度分別維持在1 107～1 194、1 165～1 223、1 194～1 253 mg/L之間，結(jié)合圖2可知，以上氨氮質(zhì)量濃度適宜，保證了pH維持在最佳范圍。隨著進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷的提高，氨氮質(zhì)量濃度逐漸升高。這是由于餐廚垃圾中含有大量的有機(jī)氮，多以蛋白質(zhì)形式體現(xiàn)，通過水解作用分解為氨基酸，并通過氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮，導(dǎo)致存留在沼液里的氨氮增多。在8 g/( L·d)的進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷下，氨氮質(zhì)量濃度由第一天的845 mg/L降至第四天的524 mg/L。結(jié)合圖3可發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量濃度的VFA抑制了氨化作用，導(dǎo)致了氨氮的降低，此時(shí)VFA對(duì)系統(tǒng)pH影響起主導(dǎo)作用。

圖5不同有機(jī)負(fù)荷下氨氮變化趨勢Fig．5 Trend of ammonia nitrogen on different OLR

2. 5 沼氣產(chǎn)量變化趨勢

不同有機(jī)負(fù)荷下沼氣產(chǎn)量變化趨勢見圖6。沼氣產(chǎn)量體現(xiàn)了產(chǎn)甲烷階段強(qiáng)弱。由圖6可知，在5、6、7 g/( L·d)的有機(jī)負(fù)荷下，隨著進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷的提高，沼氣產(chǎn)量逐漸提高。沼氣產(chǎn)量分別維持在17. 64～18. 42、20. 22～22. 73、25. 1～26. 35 L之間。結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)，在此過程中，產(chǎn)甲烷菌將反應(yīng)器中的VFA轉(zhuǎn)化為甲烷，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的動(dòng)態(tài)平衡。在8 g/( L·d)的進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷下，沼氣產(chǎn)量由第一天的8. 5 L降至第三天的停止產(chǎn)氣，表明此過程中，產(chǎn)甲烷菌受到嚴(yán)重抑制，反應(yīng)器停止運(yùn)行。

圖6不同有機(jī)負(fù)荷下沼氣產(chǎn)量變化趨勢Fig．6 Trend of biogas production on different OLR

2. 6不同有機(jī)負(fù)荷下甲烷產(chǎn)率和甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖7顯示的是，在5、6、7 g/( L·d)穩(wěn)定運(yùn)行的有機(jī)負(fù)荷下的甲烷產(chǎn)率和甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為0. 416、0. 414、0. 384 L/( g·d)和57. 6%、56%、52. 9%。該數(shù)據(jù)表明，隨著有機(jī)負(fù)荷的升高，甲烷產(chǎn)率η和甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)wCH4都在下降。可以認(rèn)為有機(jī)負(fù)荷不是產(chǎn)甲烷的限制因素，而是由于產(chǎn)酸菌的世代時(shí)間為0. 125 d，小于產(chǎn)甲烷菌的世代時(shí)間0. 5～1. 5 d［9］，產(chǎn)酸菌的繁殖速率快，產(chǎn)甲烷菌的繁殖速率慢。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，產(chǎn)酸菌分解有機(jī)物產(chǎn)生大量有機(jī)酸［10］，產(chǎn)甲烷菌不能消耗大部分的有機(jī)酸，進(jìn)而導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率下降。在有機(jī)負(fù)荷5 g/( L·d)時(shí)，甲烷產(chǎn)率最高為0. 416 L/( g·d)，效果最好。這表明餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣的潛能比較大，最大有機(jī)負(fù)荷為7 g/( L·d)。

圖7不同有機(jī)負(fù)荷下甲烷產(chǎn)率和甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig．7 Methane production rate and average percentage of methane concentration on different OLR

3結(jié)論

( 1)在有機(jī)負(fù)荷為5～7 g/( L·d)時(shí)，CSTR反應(yīng)器可以穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的平衡，pH在7. 0～7. 2，VFA在144～1 202 mg/L，SCOD在1 225～2 113 mg/L，氨氮在1 107～1 253 mg/L。在有機(jī)負(fù)荷為8 g/( L·d)時(shí)，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。

( 2)有機(jī)負(fù)荷在5、6和7 g/( L·d)的條件下，CSTR反應(yīng)器可以正常運(yùn)行，甲烷產(chǎn)率分別為0. 416、0. 414和0. 384 L/( g·d)，甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為57. 6%、56%和52. 9%。

( 3)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)生甲烷的潛力巨大，已成為實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用的有效途徑。

［1］ 王 攀，任連海，趙 苗．青島市餐廚垃圾調(diào)查現(xiàn)狀及分析［J］．環(huán)境污染與防治，2013，23( 4) : 99－103．

［2］ 王 星，王德漢，徐 菲，等．餐廚垃圾厭氧消化的工藝比選研究［J］．能源工程，2005，16( 5) : 27－31．

［3］ 韋成健，張文陽，譚 鵬，等．半連續(xù)泔腳垃圾與豬糞混合厭氧消化研究［J］．科學(xué)與管理，2012，37( 4) : 124－131．

［4］ 楊久滿．以豬糞為接種物的餐廚垃圾中溫厭氧試驗(yàn)研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2012．

［5］ 王巧玲．餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程的影響因素研究［D］．南京:南京大學(xué)，2012．

［6］賀延齡．廢水的厭氧生物處理［M］．北京:中國輕工業(yè)出版社，1998: 509－519．

［7］ 李秀金．固體廢物工程［M］．北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2003．

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［10］ WAU，INT．Course on anaerobic wastewater treatment［M］．［S．l．］: The Netherlands，1990．

(編輯 徐 巖)

Research on methane production from anaerobic digestion of kitchen waste by different organic loading rates

SHI Xiankui1，WANG Lei1，3，HU Chao2，LIU Wei3，KANG Zhaoyu3，GAO Le4
( 1．School of Environmental＆Chemical Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2．Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection，Beijing 100037，China; 3．Guangzhou Great Water Environmental Protection Co．Ltd．，Guangzhou 510670，China; 4．Zhongshan Lede Environmental Protection Engineering Co．Ltd．，Zhongshan 528451，China)

Aimed at recycling the kitchen waste，this paper investigates the law involving the methane production from anaerobic digestion of kitchen waste by using semi-continuous feeding process and changing the organic loading rate( OLR)，under the mesophilic condition of 35℃．The investigation suggests that，with the OLR of 5，6 and 7 g/( L·d)，the CSTR reactor is capable of normal performance，with a methane production rate of 0．416，0．414 and 0．384 L/( g·d) respectively and the average methane volume percentage of 57．6%，56%，and 52．9%，respectively．It follows that the methane production from anaerobic digestion of kitchen waste promises huge potential and thus enables kitchen waste recycling．

kitchen waste; organic loading rate;methane

10. 3969/j．issn．2095－7262. 2014. 02. 008

X703．1; X705

2095－7262( 2014) 02－0144－05

A