三種預(yù)處理方式對(duì)餐廚垃圾液相厭氧發(fā)酵的影響

曹輝++浦鵬　蔣弟勇　李葉青　周紅軍

摘要：指出了預(yù)處理可以改變餐廚垃圾的性狀，提高厭氧發(fā)酵性能，采用了3種物理處理方式考察了其對(duì)餐廚垃圾性質(zhì)變化和厭氧發(fā)酵性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理后的餐廚垃圾液相中的VS和COD都高于經(jīng)過(guò)過(guò)濾和擠壓的餐廚垃圾液相。餐廚垃圾液相產(chǎn)氣潛力從大到小分別為破碎>擠壓>過(guò)濾，經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理后的樣品累計(jì)產(chǎn)氣分別比過(guò)濾和擠壓高出了145.9%和82.83%，產(chǎn)氣的甲烷含量也明顯高于其他兩種處理方式。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾；預(yù)處理；厭氧發(fā)酵；產(chǎn)氣潛力

中圖分類(lèi)號(hào)：X799.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）12000103

1引言

餐廚垃圾被稱(chēng)為“放錯(cuò)地方的資源”，從來(lái)源上主要分為餐飲垃圾和廚余垃圾兩大類(lèi)[1]。從目前情況看，在城市生活垃圾中餐廚垃圾所占比重很大[2]。中國(guó)每年產(chǎn)生的餐廚垃圾高達(dá)6000萬(wàn)t，個(gè)別大城市如北京、重慶和廣州等十分驚人[3]。因?yàn)椴蛷N垃圾的特點(diǎn)是含水率高，油脂含量高[4]，NaCl含量高[5]；有機(jī)物和各種微量元素含量高；易腐爛發(fā)臭，污染環(huán)境[6]，而隨著餐廚垃圾產(chǎn)量的逐年上漲，所帶來(lái)的衛(wèi)生安全隱患也在增加，所以處理餐廚垃圾勢(shì)在必行。

由于餐廚垃圾的組分復(fù)雜，特性也不同于污水等生物質(zhì)廢物，所以也導(dǎo)致其厭氧發(fā)酵過(guò)程十分復(fù)雜，而現(xiàn)有的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)存在甲烷轉(zhuǎn)換效率低和發(fā)酵周期長(zhǎng)等對(duì)工業(yè)化不利的弊端，所以探索高效的預(yù)處理技術(shù)是十分必要的。

目前餐廚垃圾預(yù)處理的主要方式分為物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和生化預(yù)處理三大類(lèi)。從工業(yè)化的角度來(lái)看，物理預(yù)處理比其他兩種方式更容易操作也更穩(wěn)定。物理預(yù)處理的主要方式是減小顆粒物尺寸，增大顆粒物比表面積，Weemaes[7]、Clarkson[8]等發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)粉碎后的餐廚垃圾可以提高10%～20%的產(chǎn)氣量。

2材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用餐廚垃圾取自中國(guó)石油大學(xué)第一食堂餐廚垃圾收集桶，經(jīng)手工分揀出其中的筷子、勺子和瓷片等雜物，分別經(jīng)過(guò)濾、擠壓和破碎預(yù)處理，取經(jīng)過(guò)3種預(yù)處理后所得的液相組分作為發(fā)酵底物備用，厭氧發(fā)酵接種物取自實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行的CSTR反應(yīng)器。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

對(duì)目前國(guó)內(nèi)外工藝中采用較為廣泛的3種固液分離的機(jī)械預(yù)處理方式：過(guò)濾，擠壓和破碎進(jìn)行對(duì)比。

（1）過(guò)濾預(yù)處理。取經(jīng)過(guò)分檢后的餐廚垃圾，置入裝有濾網(wǎng)的篩桶中，過(guò)濾出餐廚垃圾中的液相部分，收集至燒杯，為后續(xù)的餐廚垃圾批式產(chǎn)氣潛力實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。過(guò)濾預(yù)處理后檢測(cè)物料的pH值、TS、VS、COD等參數(shù)。

（2）擠壓預(yù)處理。取經(jīng)過(guò)分檢后的餐廚垃圾，置入手動(dòng)擠壓機(jī)中，經(jīng)手動(dòng)擠壓后，在擠壓機(jī)出口收集經(jīng)過(guò)擠壓分離的餐廚垃圾中的液相部分，為后續(xù)的餐廚垃圾批式產(chǎn)氣潛力實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。擠壓預(yù)處理后檢測(cè)物料的pH值、TS、VS、COD等參數(shù)。

（3）破碎預(yù)處理。取經(jīng)過(guò)分檢后的餐廚垃圾，置入小型破碎機(jī)中，經(jīng)破碎后，將漿狀的餐廚垃圾放入手動(dòng)擠壓機(jī)中擠壓，在擠壓機(jī)出口收集經(jīng)過(guò)擠壓分離的餐廚垃圾中的液相部分，為后續(xù)的餐廚垃圾批式產(chǎn)氣潛力實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。擠壓預(yù)處理后檢測(cè)物料的pH值、TS、VS、COD等參數(shù)。經(jīng)過(guò)3種預(yù)處理后的餐廚垃圾液相部分性質(zhì)見(jiàn)表1。

2.2.2批式產(chǎn)氣潛力實(shí)驗(yàn)

取經(jīng)過(guò)3種預(yù)處理后的餐廚垃圾液相部分各16 mL分別與184 mL接種物混合，置入250 mL發(fā)酵瓶，用氮?dú)馀懦銎績(jī)?nèi)空氣。每種預(yù)處理方式設(shè)置兩個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，并加設(shè)兩個(gè)發(fā)酵瓶，其中只加入184 mL接種物作為空白組，共計(jì)11發(fā)酵瓶，發(fā)酵21 d。恒溫?fù)u床的溫度設(shè)定在37℃，120 r/min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的分析項(xiàng)目主要包括通過(guò)ANKOM微生物發(fā)酵產(chǎn)氣測(cè)量系統(tǒng)記錄日產(chǎn)氣量和用氣相色譜監(jiān)測(cè)沼氣成分，待每天產(chǎn)氣量低于累積產(chǎn)氣量的1%時(shí)，即可停止實(shí)驗(yàn)。

3結(jié)果與討論

3.1預(yù)處理效果

3.1.1COD的變化

經(jīng)過(guò)3種不同方式的預(yù)處理后餐廚垃圾液相組分的COD如圖1所示。從圖1可以看出經(jīng)過(guò)過(guò)濾預(yù)處理的餐廚垃圾液相COD與經(jīng)過(guò)擠壓預(yù)處理差距不大，而經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的餐廚垃圾液相COD明顯更高，說(shuō)明餐廚垃圾溶液中有機(jī)物質(zhì)含量更高。

3.1.2VS的變化

經(jīng)過(guò)3種不同方式的預(yù)處理后餐廚垃圾液相組分的VS如圖2所示。從圖2可以看出經(jīng)過(guò)過(guò)濾預(yù)處理的餐廚垃圾液相VS最低，經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的餐廚垃圾液相VS最高，經(jīng)過(guò)擠壓預(yù)處理的餐廚垃圾液相VS介于兩者之間。

3.2批式產(chǎn)氣潛力

3.2.1產(chǎn)氣潛力

圖3顯示了批式發(fā)酵日產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3說(shuō)明，經(jīng)過(guò)21 d的發(fā)酵，經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的餐廚垃圾液相的產(chǎn)氣量普遍高于另外兩種預(yù)處理方式，從結(jié)果可知，產(chǎn)氣速率在發(fā)酵初始5 d內(nèi)迅速上升，從第10 d開(kāi)始迅速下降，在最開(kāi)始的3 d，經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的餐廚垃圾液相的產(chǎn)氣量并不是最高，這是因?yàn)槠湄?fù)荷最高，導(dǎo)致其啟動(dòng)偏慢，而另外兩種預(yù)處理方式的負(fù)荷較低，經(jīng)過(guò)過(guò)濾和擠壓預(yù)處理的樣品分別在第9 d和第13 d停止產(chǎn)氣。

圖4顯示了批式發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖4說(shuō)明，經(jīng)過(guò)21 d的發(fā)酵，餐廚垃圾液相累計(jì)產(chǎn)氣量從多到少預(yù)處理方式分別為破碎、擠壓和過(guò)濾，從結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)過(guò)濾預(yù)處理的樣品的最終累計(jì)產(chǎn)氣為1078 mL，經(jīng)過(guò)擠壓預(yù)處理的樣品的最終累計(jì)產(chǎn)氣為1450 mL，經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的樣品的最終累計(jì)產(chǎn)氣為2651 mL，經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的樣品的累計(jì)產(chǎn)氣分別比過(guò)濾和擠壓高出了145.9%和82.83%。

3.2.2產(chǎn)氣組成

在發(fā)酵的前3 d，經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的樣品的沼氣中甲烷含量很低，在這之后的日產(chǎn)沼氣的甲烷含量均保持較高水平，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的樣品負(fù)荷最高，導(dǎo)致其啟動(dòng)偏慢，但因?yàn)槠溆袡C(jī)質(zhì)含量高，所以產(chǎn)氣甲烷含量也高。

4結(jié)論

對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行過(guò)濾、擠壓和破碎3種物理預(yù)處理研究，以pH值、VS和COD三項(xiàng)指標(biāo)做對(duì)比確定最好的物理預(yù)處理是破碎，經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的餐廚垃圾的VS相較于前兩種方式分別提高了125.0%和73.15%，COD相較于前兩種方式分別提高了22.14%和19.24%。經(jīng)過(guò)過(guò)濾、擠壓和破碎三種物理預(yù)處理后的餐廚垃圾液相發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力是破碎>擠壓>過(guò)濾。經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理的樣品產(chǎn)氣啟動(dòng)較慢，但累計(jì)產(chǎn)氣分別比過(guò)濾和擠壓高出了145.9%和82.83%，產(chǎn)氣的甲烷含量也明顯高于其他兩種處理方式。

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