城市有機(jī)垃圾與羊糞聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)沼氣研究

韓文彪, 徐 霞， 趙玉柱， 夏曉華， 吳振宇

(1.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

?

城市有機(jī)垃圾與羊糞聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)沼氣研究

韓文彪1,2, 徐 霞1,2， 趙玉柱1,2， 夏曉華1,2， 吳振宇1,2

(1.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

文章以城市有機(jī)垃圾和羊糞為發(fā)酵原料，研究了在中溫(35℃)條件下不同原料配比對厭氧消化過程及消化效率的影響。結(jié)果表明，城市有機(jī)垃圾和羊糞進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵可以提高原料的消化效率。當(dāng)城市有機(jī)垃圾和羊糞TS比為1∶2時(shí)厭氧消化效果最好，COD去除率達(dá)52.73%，TS去除率達(dá)47.39%，VS去除率達(dá)54.93%，累計(jì)產(chǎn)氣量最大且甲烷含量較高。

城市有機(jī)垃圾；羊糞；厭氧消化

伴隨我國城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模也在不斷的擴(kuò)大，城市生活垃圾的產(chǎn)生量也與日俱增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國城市生活垃圾儲存量已經(jīng)達(dá)到60億t,并以年均10% 左右的速度持續(xù)增長，并且城市生活垃圾中的有機(jī)物含量也在逐年增加[1]。城市生活垃圾是城市發(fā)展的必然產(chǎn)物，其特點(diǎn)是含水量大、有機(jī)質(zhì)含量高、成分復(fù)雜等[2]，傳統(tǒng)的填埋處理會造成巨大的資源浪費(fèi)，而采用厭氧發(fā)酵工藝進(jìn)行處理，不僅可以實(shí)現(xiàn)垃圾處理的減量化、資源化和無害化，而且也可進(jìn)行能源回收[3]。畜禽糞便作為一種生物質(zhì)能源,經(jīng)厭氧消化產(chǎn)沼氣的轉(zhuǎn)化率為20%～40%，我國從上世紀(jì)80年代開始大規(guī)模建設(shè)沼氣工程，采用厭氧發(fā)酵工藝處理畜禽糞便[4]。但是，采用單一原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，消化效率會受到很大限制[5-7]。因此，如何提高厭氧消化效率是厭氧發(fā)酵工藝首要解決的問題。有研究表明，采用兩種或多種進(jìn)行原料聯(lián)合發(fā)酵能夠提高厭氧消化效率[8-11]。

實(shí)驗(yàn)以城市有機(jī)垃圾和羊糞為發(fā)酵原料，研究了不同原料配比對厭氧消化效果的影響，以期為城市生活垃圾和羊糞聯(lián)合厭氧發(fā)酵的工程化應(yīng)用提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用生活垃圾原料來自鄂爾多斯市東勝區(qū)垃圾處理廠，生活垃圾經(jīng)粗略分選后，分揀有機(jī)成分進(jìn)行粗破碎，粒徑均勻小于2 cm，然后用膠體磨進(jìn)行研磨、勻漿，粒徑約4～5 mm。

羊糞來自于準(zhǔn)格爾旗沙圪堵鎮(zhèn)養(yǎng)殖場，厭氧消化菌種取自本實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合厭氧消化后的沼液經(jīng)35℃中溫馴化后作為接種物。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)室自制，主要由發(fā)酵瓶與集氣瓶組成。發(fā)酵瓶由1 L圓底燒瓶制成，集氣瓶為1 L細(xì)口瓶，分別用大小合適的橡膠塞密封，橡膠塞上有排氣口和取樣口。發(fā)酵瓶置于35℃恒溫水浴箱內(nèi)保溫，裝置示意圖見圖1[12]。

1.恒溫水浴箱；2.取樣口；3.發(fā)酵瓶；4.儲氣瓶；5.橡膠塞；6.導(dǎo)管；7.儲水瓶圖1 厭氧消化實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.2 測定方法

實(shí)驗(yàn)過程中主要分析項(xiàng)目如下[13]：pH值，5-3C型pH測定儀測定；COD，重鉻酸鉀法進(jìn)行測定；TS，105℃～110℃烘干24 h至恒重后測定；VS，550℃灼燒1 h，前后質(zhì)量差值即為VS；氣體體積，排水法；氣體成分，氣相色譜法(GC112A氣象色譜儀)。

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以城市生活垃圾、羊糞和二者5組不同TS配比的混合原料為發(fā)酵底物，設(shè)7個(gè)實(shí)驗(yàn)組和1個(gè)空白參比組(只有菌種)，每組設(shè)兩個(gè)重復(fù)，按30%的接種量進(jìn)行接種，反應(yīng)液TS為6%，起始pH值調(diào)為7.0，總體積1 L，發(fā)酵周期約45 d(不產(chǎn)氣為止)，在35℃進(jìn)行厭氧消化，每天定時(shí)攪拌兩次(8:00和18:00)，每次約10 min。每天量取產(chǎn)氣體積，每隔四天取樣分析發(fā)酵液。原料配比及發(fā)酵液特性見表1。

表1 原料配比及原料初始指標(biāo)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同原料配比對pH值的影響

pH值是影響厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的重要因素，pH值變化直接影響著微生物的活性，進(jìn)而會影響產(chǎn)氣效率以及消化效果[14-15]。圖2描述了各組實(shí)驗(yàn)中pH值隨發(fā)酵時(shí)間的變化關(guān)系。從圖中可以看出,不同原料配比在其消化過程中，pH值變化趨勢相似，都呈先下降后上升的趨勢。反應(yīng)第4 d時(shí)，各組實(shí)驗(yàn)pH值降到最低，其中，純生活垃圾，S∶Y為3∶1，2∶1和1∶1的處理組pH值迅速下降到5.5左右，而隨著羊糞含量的增加pH值變化逐漸變小，S∶Y為1∶2，1∶3的處理組pH值在第8 d后逐漸上升到6.5以上，并能較長時(shí)間保持在6.5～7.5之間，符合產(chǎn)氣要求的pH值環(huán)境，有利沼氣的產(chǎn)生。因此，通過衡量發(fā)酵效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，S∶Y為1∶2(C/N=29∶1)的實(shí)驗(yàn)組效果最好。

圖2 厭氧消化過程中pH值的變化

2.2 不同原料配比對產(chǎn)氣量的影響

由圖3中可以看出，各組的產(chǎn)氣變化趨勢大致相似,都是在第一天出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量最大的是純生活垃圾，其次是S∶Y為3∶1的處理，而純羊糞的產(chǎn)氣量最小；隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，純羊糞在發(fā)酵第3d開始出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，而且持續(xù)時(shí)間較長，在發(fā)酵第11d和第16d分別出現(xiàn)了產(chǎn)氣高峰，分別為510 mL和775 mL，隨后產(chǎn)氣逐漸降低；S∶Y為1∶2的處理組在發(fā)酵前期產(chǎn)期較少，從第18d產(chǎn)氣逐漸增多，到第31 d出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量達(dá)到1310 mL，產(chǎn)氣持續(xù)至發(fā)酵結(jié)束，而其他處理均未出現(xiàn)明顯的產(chǎn)氣高峰。

圖3 厭氧消化過程中日產(chǎn)氣量的變化

從圖4可以看出，各處理的累積產(chǎn)氣量有明顯的差異，累積產(chǎn)氣量最大的處理是S∶Y為1∶2的處理，產(chǎn)氣量為12863 mL，其次是純羊糞，產(chǎn)氣量為10879 mL，最后是1∶1，2∶1，3∶1，生活垃圾的處理組，分別為9670 mL，9121 mL，8952 mL和8707 mL。由此可見，混合原料中組分不同對產(chǎn)氣量的影響很大，合適的原料配比(主要為C/N)，不僅可以縮短發(fā)酵周期，提前產(chǎn)氣高峰的發(fā)酵時(shí)間，還明顯提高產(chǎn)氣量。

圖4 厭氧消化過程中累積產(chǎn)氣量的變化

2.3 不同原料配比對甲烷含量的影響

不同原料配比與甲烷含量的關(guān)系如圖5所示，發(fā)酵起始階段主要為水解酸化階段，沼氣甲烷含量較低，因此，未進(jìn)行甲烷含量測定，從第12 d開始測定。由圖可知，不同原料配比對厭氧發(fā)酵甲烷含量影響比較明顯，各試驗(yàn)組甲烷含量呈現(xiàn)相似特征，發(fā)酵前期主要為上升階段，隨著反應(yīng)的進(jìn)行甲烷含量逐漸穩(wěn)定。同時(shí)隨著羊糞含量的增加，甲烷含量也相對增高。其中，S∶Y為1∶2，1∶3，純羊糞3組的甲烷含量基本接近，穩(wěn)定后可達(dá)80%左右，S∶Y為1∶2的處理組，甲烷含量最高時(shí)可達(dá)80.16%，而其余3個(gè)試驗(yàn)組甲烷含量相對較低，基本維持在65%左右，以純生活垃圾為原料的發(fā)酵組甲烷含量最低，最高時(shí)只有50.65%。

圖5 厭氧消化過程中甲烷含量的變化

2.4 不同原料配比對發(fā)酵液COD的影響

在厭氧消化過程中，不同原料配比的COD的變化如圖6所示?？梢钥闯?由于發(fā)酵原料配比不同，各組進(jìn)料的初始COD值依次減小,但在發(fā)酵過程中，各處理的COD曲線隨著發(fā)酵時(shí)間的變化而上下波動，發(fā)酵結(jié)束后，除了菌種的COD變化不大外，其他實(shí)驗(yàn)組的COD曲線均呈現(xiàn)下降趨勢。

如圖7所示，各處理組發(fā)酵前后COD的去除率，從發(fā)酵前后各處理的COD去除率上看，S∶Y為1∶2時(shí)的COD去除率最高，為52.73%，比純生活垃圾COD去除率提高了45%，比純羊糞實(shí)驗(yàn)組COD去除率提高了91.2%；其次是S∶Y為1∶1時(shí)，COD去除率為50.6%，而除菌中外，純羊糞的實(shí)驗(yàn)組COD去除率最小，只有27.5%，由此可以看出，S∶Y為1∶2時(shí)，COD去除效果最好，厭氧消化效果最好。

圖6 厭氧消化過程中COD的變化

圖7 厭氧消化COD的降解率

2.5 不同原料配比對TS和VS的影響

如圖8所示，不同原料配比的TS與VS去除率，各實(shí)驗(yàn)組的TS和VS去除率均有較大變化，其中，生活垃圾和羊糞單一發(fā)酵原料的TS去除率分別為30.24%和37.06%，VS的去除率分別為28.75%和47.18%，而 S∶Y為1∶2的TS和VS去除率是各發(fā)酵組中最大的，分別為47.39%和54.93%。相比生活垃圾實(shí)驗(yàn)組分別提高了56.4%和94.5%；相比羊糞實(shí)驗(yàn)組分別提高了27.3%和18.6%。因此，S∶Y為1∶2時(shí)，TS和VS的降解率都最大，最有利于生活垃圾和羊糞的混合厭氧發(fā)酵。

圖8 厭氧消化TS和VS的降解率

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究了有機(jī)生活垃圾和羊糞不同配比對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結(jié)果表明：當(dāng)S∶Y為1∶2時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量最大(為12863 mL)且甲烷含量相對較高(約80%)，厭氧消化前后COD去除率最高，為52.73%，TS去除率為47.39%，VS去除率為54.93%，比其他處理組的去除率均高。由此可見，當(dāng)S∶Y為1∶2時(shí)，有利于生活垃圾和羊糞聯(lián)合厭氧消化。

[1] 肖 鴻,彭 宏.城市生活有機(jī)垃圾濕式動態(tài)厭氧發(fā)酵工藝[J].環(huán)境工程,2007,25(4):65-69.

[2] 林 麗.中國國情下厭氧消化技術(shù)處理城市混合收集生活垃圾可行性研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009.

[3] 張 波,張麗麗,徐劍波,等.城市生活垃圾的厭氧消化處理現(xiàn)狀和研究進(jìn)展[J].中國沼氣,2003,21(4):17-21.

[4] 楊廣忠. 城市生物垃圾與畜禽糞便中溫聯(lián)合厭氧消化研究[D].沈陽:沈陽航空工業(yè)學(xué)院,2010.

[5] Wang G, Gavala H N, Skiadas I V, et al.Wet explosion of wheat straw and co-digestion with swine manure: Effect on the methane productivity[J].Waste Management,2009,29:2830-2835.

[6] 楚莉莉.不同原料及配比厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,2008.

[7] Somayaji D, Kbanna S. Biomethanation of rice and wheat straw[J].Microbiol Biotechnol,1994,10:521-523.

[8] 王永成,李 杰,許宏偉.豬雞糞便及其不同混合比例厭的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,39(7):79～83.

[9] 劉戰(zhàn)廣,朱洪光,王 彪,等.糞草比對干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(4):130-134.

[10] 劉一威. 畜禽糞便、污泥、農(nóng)村垃圾中溫聯(lián)合厭氧消化技術(shù)研究[J].可再生能源,2012,30(6):59-62.

[11] 張洪賓，谷 潔，孫 薇，等．不同原料配比對厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)氣量VFA和脫氫酶活性的影響[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,3l(2):422-427.

[12] 韓文彪,徐 霞,趙玉柱.接種量對城市有機(jī)垃圾和剩余污泥聯(lián)合厭氧消化的影響[J].中國沼氣, 2014(5):12-16.

[13] 國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[14] 張玉靜,蔣建國,王佳明. pH值對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸的影響[J].中國環(huán)境科學(xué), 2013, 33(4):680-684.

[15] 張 彤,李 偉,李文靜,等. 糞秸結(jié)構(gòu)配比厭氧發(fā)酵中pH、VFA與產(chǎn)氣效果的關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 29(12):2425-2430.

Anaerobic Co-digestion of Municipal Organic Garbage and Sheep Manure and Its Biogas Production

HAN Wen-biao1,2, XU Xia1,2, ZHAO Yu-zhu1,2, XIA Xiao-hua1,2, WU Zhen-yu1,2

(1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos 017000,China; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd, Ordos 017000,China)

Anaerobic fermentation of municipal organic garbage mixed with sheep manure was studied under condition of different mixing ratio and temperature of 35 ℃. The results showed that the co-digestion of municipal organic garbage and sheep manure could improve the efficiency of garbage digestion, the TS mixing ratio of municipal organic garbage and sheep manure of 1∶2 obtained the best result,with the COD degradation rate reached 52.73%, TS degradation rate 47.39%, and VS degradation rate 54.93%. The accumulative biogas production obtained the maxium of 12863 mL, and the methane content was high.

municipal organic garbage; sheep manure; anaerobic digestion

2014-12-17

2014-12-29

項(xiàng)目來源： “十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC25B03)

韓文彪(1986-)，男，漢族，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，工程師，研究方向?yàn)槌鞘杏袡C(jī)廢棄物處置與利用，E-mail:13664875366@163.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)01-0025-04