餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵處理對產(chǎn)氣量的影響

劉德江　楊　惠　王　璇　劉盛林

（1新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院新疆昌吉8311002新疆石河子西域牧歌農(nóng)業(yè)科技公司新疆石河子832000）

餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵處理對產(chǎn)氣量的影響

劉德江1楊惠1王璇1劉盛林2

（1新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院新疆昌吉8311002新疆石河子西域牧歌農(nóng)業(yè)科技公司新疆石河子832000）

采用固、液兩相發(fā)酵（ADSL）系統(tǒng)處理餐廚垃圾，將原餐廚（RFM）分成固相（FSW）和液相（FLW）。在保持相同發(fā)酵負荷、溫度和周期的條件下，對比三種發(fā)酵原料的產(chǎn)氣率、日產(chǎn)氣速率和pH值變化。結果表明：固液分離后的固相和液相的產(chǎn)氣率均比原餐廚的產(chǎn)氣率高，最大產(chǎn)氣率分別為659、643和581mL/g-VS；在發(fā)酵初期，液相和固相的產(chǎn)氣速率均比原餐廚高，而在發(fā)酵中后期，三種發(fā)酵原料的日產(chǎn)氣速率則無顯著差異；橫向?qū)Ρ热N原料在30天的發(fā)酵周期內(nèi)pH值的大小變化，其順序為：FLW＜FSW＜RFM。

原餐廚；固相；液相；產(chǎn)氣率；產(chǎn)氣速率

我國餐廚垃圾的生物質(zhì)含量平均值在16%～22%，據(jù)李榮平等人［1］測定北京某高校食堂的餐廚垃圾的成分，其中碳水化合物含量高達40%～60%，蛋白質(zhì)含量為15%～17%，脂類含量為6%～24%。因此，餐廚垃圾的可生物、降解能力強，具有很高的開發(fā)利用價值。

一般而言，原餐廚垃圾主要分為兩大部分：餐廚垃圾液體（泔水）和餐廚垃圾固體，固體部分主要為顆粒物質(zhì)或大分子物質(zhì)，例如大米、蔬菜、肉類等；泔水主要由液相和廢油組成，而液相則主要含有無機鹽、可溶性物質(zhì)和小顆粒物質(zhì)。廢油主要為動物脂肪、植物油等［2］。為了提高餐廚垃圾的降解速率，一些研究人員對用于厭氧發(fā)酵的餐廚垃圾做了預處理，例如超聲波預處理、加熱處理和酸處理等［3］。

本研究結合餐廚垃圾的性質(zhì)，采用固、液兩相發(fā)酵（ADSL）處理餐廚垃圾，即首先將餐廚垃圾中的固相和液相分開，然后分別進行厭氧發(fā)酵，同時采用油水分離技術將游離的脂類去除，以減輕油脂和無機鹽對厭氧發(fā)酵的抑制，旨在提高沼氣的產(chǎn)氣率。

1　試驗材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1餐廚垃圾

餐廚垃圾由新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院食堂提供，主要為午餐、晚餐的混合物。發(fā)酵前，對餐廚垃圾進行了預處理：首先通過人工篩選，將餐廚垃圾中的大塊骨頭、塑料袋等對發(fā)酵不利的物質(zhì)篩出，其次利用餐廚垃圾粉碎機（孔徑為3 m m）將其粉碎；粉碎后的餐廚垃圾經(jīng)過混勻，保存于20℃的冰箱中備用。其主要成分詳見表1。

表1　餐廚垃圾主要成分（%干重）

1.1.2接種物

厭氧發(fā)酵的接種物取自昌吉市污水處理廠的活性污泥，其TS和VS特征詳見表2。

表2　活性污泥特征（%干重）

1.2參數(shù)測定

1.2.1TS和VS測定

把樣品放在105℃的烘箱中烘干至恒重，此時物質(zhì)的質(zhì)量就是該樣品的總固體質(zhì)量。再將于105℃下烘干的原料置于600℃的馬福爐中，焙燒2 h，其減輕的質(zhì)量即為該樣品的揮

發(fā)性固體質(zhì)量，剩余的物質(zhì)是樣品的灰分，稱量該樣品灰分質(zhì)量。

TS的計算公式為：TS=W1/W0x100%（1）

式中：TS——樣品的固體物質(zhì)的百分含量；%

W1——樣品中干物質(zhì)的質(zhì)量；Mg

W0——樣品的總質(zhì)量；Mg

VS的計算公式為：VS=W2/W0×100%（2）

式中：VS——樣品中可揮發(fā)性固體的百分含量：%

W2——樣品中可揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量；Mg

1.2.2產(chǎn)氣量的測定

沼氣由排水取氣法收集，每天的沼氣產(chǎn)量可通過量筒的讀數(shù)測得。作圖分析時，按3天的平均值計算。

1.2.3pH值的測定

采用上海雷磁光電儀器廠生產(chǎn)的pH-S3C型酸度計，以復合電極測定發(fā)酵物的pH值，每隔3天測定一次。

1.3試驗方法

由于餐廚垃圾的含水量較高，固液分離后所得到的固相和液相與原餐廚垃圾物化學組成相差較大。另外，由于油脂在ADSL系統(tǒng)中的去除，分離后的固相和液相的油脂含量明顯降低，有利于厭氧發(fā)酵的進行。試驗采取原餐廚（RFM）、固相（FSW）和液相（FLW）三種不同的原料，進行沼氣發(fā)酵，每種有機物的負荷均為8 g-VS/L/d。發(fā)酵周期為30天。

為了對比固相、液相和原餐廚的發(fā)酵產(chǎn)氣能力，本試驗采用批式厭氧發(fā)酵，對每種有機物的產(chǎn)氣情況進行了測定，發(fā)酵實驗裝置如圖1所示，發(fā)酵瓶的體積為1 L，有效體積為0.8 L，發(fā)酵瓶的溫度由電磁恒溫水浴鍋控制，溫度為35℃，發(fā)酵瓶內(nèi)安置攪拌轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子長度為5 cm，轉(zhuǎn)速為180 r/min。每天攪拌一次，攪拌時間為10 min。發(fā)酵瓶的上口有進料口、出料口和排氣口，以確保厭氧發(fā)酵的正常進行。

圖1　發(fā)酵實驗裝置圖

2　試驗結果與分析

2.1原料的物化特征對產(chǎn)氣率的影響

為了研究固相、液相和原餐廚三種原料的產(chǎn)氣能力，進行了對比發(fā)酵試驗。每種有機物的負荷均為8 g-VS/L/d，發(fā)酵溫度均為35℃。30天的產(chǎn)氣試驗結果詳見圖2所示。

圖2　三種發(fā)酵物料的產(chǎn)氣率

圖2中產(chǎn)氣量的變化曲線說明，經(jīng)過18d的發(fā)酵，三種發(fā)酵原料的產(chǎn)氣率均達到最大值（產(chǎn)氣高峰）。固相和液相的總產(chǎn)氣率均比原餐廚的高一些，對應的最高產(chǎn)氣率分別為659，643和581 mL/g-VS。通常來說，水解階段是整個厭氧發(fā)酵過程的限速步驟，由于固相和液相物質(zhì)的水解要比原餐廚的水解容易，因此，對應的產(chǎn)氣率就比原餐廚高。這與張存勝［4］的試驗結果完全一致。

2.2原料的物化特征對產(chǎn)氣速率的影響

在保持每種有機物的負荷均為8 g-VS/L/d、發(fā)酵溫度為35℃的條件下，對比三種發(fā)酵原料的產(chǎn)氣速率。每天測定計算一次，共計30次，作圖分析時，按3天的平均值計算。圖3則顯示了每種有機物的日產(chǎn)氣速率：

圖3　三種發(fā)酵原料的日產(chǎn)氣速率

由結果可知，三種原料的產(chǎn)氣速率在發(fā)酵初始3 d內(nèi)迅速上升然后又迅速下降，在初期的1～9 d內(nèi)，液相的產(chǎn)氣速率最高，其次為固相和原餐廚垃圾，發(fā)酵第9d后，三種有機物的產(chǎn)氣速率無明顯差別。另從圖3可看出：在發(fā)酵初期，液相和固相的產(chǎn)氣速率均比原餐廚高，其中液相的日產(chǎn)氣速率相對最高，其原因可能是液相主要包括廢水和小顆粒物質(zhì)，其中，廢水中含有可溶性物質(zhì)，如糖類和氨基酸類物質(zhì)等等，這些物質(zhì)較易被甲烷菌分解［5，6］。而在發(fā)酵的中、后期，由于三種原料的有機物均已全部水解為乙酸、丙酸等小分子物質(zhì)，產(chǎn)甲烷階段的日產(chǎn)氣率基本相同，因此，產(chǎn)氣速率則無顯著差異。

2.3原料的物化特征對發(fā)酵物pH值的影響

表3　三種原料發(fā)酵液pH值的變化

從表3可看出，三種原料在發(fā)酵的第3天pH值均很低，這是由于在厭氧發(fā)酵初期有機酸積累較多而造成的，從第6天開始，隨著發(fā)酵的進行，有機酸含量逐漸降低，而pH值逐漸升高。當進行到第27天時，三種發(fā)酵物的pH值均穩(wěn)定在7.6，之后不再發(fā)生變化。橫向?qū)Ρ热N處理在30天的發(fā)酵周期內(nèi)pH值的大小，可發(fā)現(xiàn)FLW

3　結語

3.1固液分離后的固相和液相的產(chǎn)氣率均比原餐廚的產(chǎn)氣率高，并且甲烷產(chǎn)率也得到了提高。在發(fā)酵進行到第18天時，固相、液相和原餐廚的產(chǎn)氣率均達到最大值，對應的產(chǎn)氣率分別為659、643和581mL/g-VS。從18天之后到30天的產(chǎn)氣率基本保持不變。

3.2在發(fā)酵初期，液相和固相的產(chǎn)氣速率均比原餐廚高，其中液相的日產(chǎn)氣速率相對最高。

3.3餐廚垃圾與固液分離后的固相和液相在發(fā)酵初期，pH值均很低，隨著發(fā)酵的進行，有機酸含量逐漸降低，而pH值逐漸升高。橫向?qū)Ρ热N原料在30天的發(fā)酵周期內(nèi)pH值的變化，其大小順序為：FLW

［1］李榮平，等.餐廚垃圾特性及其厭氧消化性能的研究［J］.可再生能源，2010，28（1）：76-80.

［2］王梅.餐廚垃圾的綜合處理工藝及應用研究.西北大學碩士學位論文，2008：5-13.

［3］王星，王德漢，張玉帥.國內(nèi)外餐廚垃圾的生物處理及資源化技術進展［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2005，2（13）：25-29.

［4］張存勝.厭氧發(fā)酵技術處理餐廚垃圾產(chǎn)沼氣的研究.北京化工大學博士學位論文，2013，05，30.

［5］尤宇嘉，楊軍華.德國厭氧沼氣工程技術在我國餐廚垃圾處理中的應用［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2011，19（6）：52-54.

［6］王妮娜，鄭立柱.餐廚垃圾資源化處理技術［J］.廣州環(huán)境科學，2011，26（3）：20-22.

［7］陳鍔，顧向陽.餐廚垃圾處理與資源化技術進展［J］.環(huán)境研究與監(jiān)測，2012，3：57+61.

新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院科研項目（XJNZYKJ2016024）。

劉德江（1966—），男，教授，碩士，主要從事沼氣技術領域的研究工作。