添加劑對(duì)新疆餐廚垃圾厭氧消化性能的影響

王 璇，邱桃玉，韓陽(yáng)花，李 瑜，侯鳳蘭，劉德江

(新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉 831100)

近年來(lái)，利用厭氧消化工藝處理餐廚垃圾以實(shí)現(xiàn)固廢的資源化、減量化、無(wú)害化，這是國(guó)內(nèi)外固體廢物處理領(lǐng)域的熱門研究課題，尤其是在化石能源日益緊缺的當(dāng)今社會(huì)，餐廚垃圾的厭氧消化不僅可以消除這類污染源對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)還能提供清潔的生物天然氣(沼氣)能源，可有效緩解緊張的能源供給需求。硅藻土、膨潤(rùn)土等礦物材料具有良好吸附性能和離子交換性能，它們?cè)诘孜锏膮捬跸^(guò)程中，可以釋放一定量的金屬離子，同時(shí)由于它們廉價(jià)易得，使得它們成為了這一領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)。Angelidaki[1]等研究了膨潤(rùn)土在牛糞高溫厭氧消化過(guò)程中的效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土對(duì)鹽類物質(zhì)具有良好的吸附能力。Milan[2]等研究了天然沸石、斜發(fā)沸石、發(fā)光沸石、蒙脫石等礦物材料在豬場(chǎng)厭氧消化過(guò)程的作用，發(fā)現(xiàn)礦物材料的吸附、離子交換能力對(duì)厭氧消化的過(guò)程具有顯著的促進(jìn)作用。目前，國(guó)內(nèi)宋珍霞[3]等人將礦物材料應(yīng)用到餐廚垃圾的厭氧消化過(guò)程中，馬磊[4]等人通過(guò)礦物材料預(yù)處理研究對(duì)餐廚垃圾高溫厭氧消化的影響，均取得了一定的研究成果。雖然關(guān)于礦物材料提升厭氧消化性能的研究報(bào)道較多，但是針對(duì)新疆的地域特點(diǎn)以及餐廚垃圾的成分差異性，向餐廚垃圾中添加膨潤(rùn)土、硅藻土等礦物質(zhì)對(duì)厭氧消化特性的影響的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少。

本文通過(guò)添加膨潤(rùn)土、硅藻土、沸石粉3種礦物質(zhì)對(duì)新疆餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響，旨在為今后新疆地區(qū)餐廚垃圾的規(guī)模化處理利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 餐廚垃圾

由于餐廚垃圾的成分隨地域、季節(jié)及居民生活習(xí)慣與飲食習(xí)慣等眾多因素存在明顯的差異，因此本試驗(yàn)中所用到的餐廚垃圾是按照新疆城市居民飲食習(xí)慣自行配置的餐廚垃圾。其中各種物質(zhì)的比例見(jiàn)表1，餐廚垃圾中各成分按照表1稱量(以濕基計(jì))后，再經(jīng)過(guò)蒸煮、機(jī)械打漿，制成糊狀半流體態(tài)，于冷柜內(nèi)(-4℃)保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 新疆餐廚垃圾組成成分

1.2 接種物(污泥)

厭氧消化所用的接種物(污泥)取自處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的餐廚垃圾厭氧消化反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)餐廚垃圾的理化性質(zhì)與本試驗(yàn)的相同。污泥的接種比例為：污泥∶餐廚垃圾=1∶1(m/m，以濕基計(jì))。

1.3 添加劑

試驗(yàn)選用的天然膨潤(rùn)土、硅藻土、沸石粉均取自新疆昌吉市某礦區(qū)，其pH值分別為 8.21、8.75、7.96。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，主要研究在相同有機(jī)負(fù)荷下，分別添加膨潤(rùn)土、硅藻土及沸石粉對(duì)餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程的影響，同時(shí)，以不添加礦物質(zhì)的餐廚垃圾作為對(duì)照(CK)。3種礦物質(zhì)的添加量均為20 g，采用1000 mL發(fā)酵瓶(有效容積為900 mL)，4個(gè)處理發(fā)酵瓶中的總固體(TS)含量均為10%，共計(jì)12個(gè)發(fā)酵瓶。采用常溫厭氧消化裝置，連續(xù)進(jìn)行60天的厭氧消化，每天記錄產(chǎn)氣量，同時(shí)測(cè)定CH4含量及pH值。

1.5 測(cè)試項(xiàng)目及方法

(1)pH值:使用pHS-25型精密pH計(jì)測(cè)定。

(2)產(chǎn)氣量:排水集氣法。

(3)產(chǎn)氣率：即單位質(zhì)量揮發(fā)性固體物(VS)的產(chǎn)氣量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法折算而來(lái)。

(4)甲烷(CH4)含量：使用武漢四方公司生產(chǎn)的沼氣成分分析儀(Gasbard 3200)測(cè)定。

(5)固體濃度(TS)：采用常規(guī)烘干法測(cè)定。

(6)揮發(fā)性固體物(VS)：測(cè)量方法同上。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同添加劑對(duì)產(chǎn)氣量的影響

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，每個(gè)處理均設(shè)置3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)發(fā)酵瓶。每天記錄4個(gè)處理3次重復(fù)的的累計(jì)產(chǎn)氣量，并計(jì)算出每個(gè)處理的日平均產(chǎn)氣量，作圖分析時(shí)再按3天的平均產(chǎn)氣量找點(diǎn)繪制曲線。3種添加劑對(duì)餐廚垃圾厭氧消化沼氣產(chǎn)量的影響有著顯著的不同，詳見(jiàn)圖1。

圖1 4種處理的沼氣產(chǎn)量

從圖1可看出：從反應(yīng)的第3天開(kāi)始，產(chǎn)氣量逐漸增加，到第30天左右時(shí)，4個(gè)處理的產(chǎn)氣量均達(dá)到了最大值，之后隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)氣量又逐漸減少。四者的產(chǎn)氣量變化曲線十分相似，但是它們的產(chǎn)氣量卻相差顯著，通過(guò)方差分析得知差異達(dá)到了極顯著，詳見(jiàn)表2。在整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)，添加膨潤(rùn)土、硅藻土、沸石粉的餐廚垃圾與對(duì)照(CK)相比，它們的累計(jì)產(chǎn)氣量分別是18652、16863、15986和14835 mL，大小次序?yàn)椋禾砑优驖?rùn)土>硅藻土>沸石粉>對(duì)照。與對(duì)照(CK)相比，3種添加劑均能顯著提高餐廚垃圾的產(chǎn)氣量，其中膨潤(rùn)土最高，提高了25.7%的產(chǎn)氣量，其次為硅藻土提高了13.5%，沸石粉提高了7.8%。

表2 產(chǎn)氣量方差分析表

2.2 不同添加劑對(duì)產(chǎn)氣率的影響

根據(jù)每天的累計(jì)產(chǎn)氣量折算出單位質(zhì)量揮發(fā)性固體(VS)的產(chǎn)氣量，即產(chǎn)氣率大小，單位為mL·g-1VS。添加膨潤(rùn)土、硅藻土、沸石粉的餐廚垃圾與對(duì)照(CK)產(chǎn)氣率差異較大，結(jié)果詳見(jiàn)圖2。

圖2 4種處理的產(chǎn)氣率

從圖2可看出:添加礦物質(zhì)均能明顯提高餐廚垃圾的產(chǎn)氣率，大小次序依舊為：添加膨潤(rùn)土>硅藻土>沸石粉>對(duì)照。3種添加劑以膨潤(rùn)土的產(chǎn)氣率最高，峰值達(dá)到了228 mL·g-1VS，其次是硅藻土，沸石粉的產(chǎn)氣率最低，峰值只有190 mL·g-1VS。但是，它們?cè)?0天的厭氧消化期內(nèi)，產(chǎn)氣率的變化規(guī)律是完全一致的，即隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)氣率依次增大，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到第30天左右時(shí)，均達(dá)到峰值，之后又逐漸減少。

通過(guò)表3的方差分析得知：3種添加劑與對(duì)照相比產(chǎn)氣率的差異均達(dá)到了極顯著。分析其原因可能是3種礦物質(zhì)材料增加了甲烷菌等厭氧型微生物的活性，促進(jìn)了厭氧消化的過(guò)程，從而顯著提高了產(chǎn)氣量。

表3 產(chǎn)氣率方差分析表

2.3 不同添加劑對(duì)所產(chǎn)沼氣中甲烷(CH4)含量的影響

從圖3可看出：3種添加劑的甲烷含量幾乎接近，但均略高于對(duì)照(CK)。4種處理在整個(gè)厭氧消化過(guò)程中的變化趨勢(shì)也基本一致：即當(dāng)消化進(jìn)行到第30天時(shí)，4個(gè)處理的甲烷含量均達(dá)到了最大值(55%左右)。但從第35天開(kāi)始，甲烷含量便又逐漸下降，最終回落到30%左右。

圖3 4種處理的甲烷含量

甲烷含量之所以先增高后降低，主要是由于厭氧消化微生物的特性所造成的。食乙酸產(chǎn)甲烷菌等發(fā)酵性微生物的活性隨消化過(guò)程的進(jìn)行逐漸增強(qiáng)，到了中期達(dá)到峰值，之后又逐漸下降。直至后期便趨于穩(wěn)定。

總體而言，添加膨潤(rùn)土、硅藻土及沸石粉的餐廚垃圾所產(chǎn)沼氣中甲烷含量略高于對(duì)照(CK)，這是因?yàn)榈V物質(zhì)材料可以縮短厭氧消化反應(yīng)的延滯期[5]，有利于改善體系厭氧消化系統(tǒng)的緩沖能力，促進(jìn)了微生物種間的電子傳遞，提高了產(chǎn)甲烷菌活性，從而促進(jìn)餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷過(guò)程。但是，不同礦物質(zhì)對(duì)餐廚垃圾所產(chǎn)沼氣中甲烷含量的影響差別不顯著。

2.4 不同添加劑對(duì)發(fā)酵液pH值的影響

從圖4可知：在發(fā)酵的前期，消化液的pH值一直處于較低的狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移，pH值逐漸升高。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到第30天時(shí)，4個(gè)處理的發(fā)酵液均達(dá)到了7左右，之后便處于穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于添加礦物材料有利于調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的酸化過(guò)程，并且隨著厭氧消化過(guò)程中大分子物質(zhì)不斷降解，大分子的降解速率會(huì)減慢，產(chǎn)甲烷菌還要消耗體系中的揮發(fā)性脂肪酸，從而使體系的pH值逐漸趨于穩(wěn)定。這與崔少峰[5]等的研究結(jié)果一致。

圖4 4種處理消化液pH值變化

3 結(jié)論

(1)在新疆餐廚垃圾中添加礦物質(zhì)材料可顯著提高其厭氧消化的效率，產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣率比對(duì)照(CK)都有增加。但是不同的添加劑對(duì)產(chǎn)氣的影響有差異，本試驗(yàn)選用的3種添加劑對(duì)產(chǎn)氣的貢獻(xiàn)大小次序?yàn)椋号驖?rùn)土>硅藻土>沸石粉。王星[6]等在餐廚垃圾中添加膨潤(rùn)土進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)也得出相近的研究結(jié)果，分析其原因可能是不同礦物質(zhì)吸附能力及離子交換能力不同，對(duì)甲烷菌的活性和厭氧消化的促進(jìn)能力也就不同，以膨潤(rùn)土的促進(jìn)能力最強(qiáng)。

(2)添加劑對(duì)提高新疆餐廚垃圾厭氧消化中的甲烷化質(zhì)量效果不明顯，即不能顯著提高沼氣中的甲烷含量。而且不同添加劑對(duì)餐廚垃圾厭氧消化所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量影響也不大，3種添加劑的加入與對(duì)照(CK)相比，在60天的消化周期內(nèi)所產(chǎn)沼氣中甲烷含量的變化規(guī)律基本一致。

(3)添加膨潤(rùn)土等礦物材料有利于抑制反應(yīng)體系的酸化過(guò)程，隨著厭氧消化的進(jìn)行，產(chǎn)甲烷菌對(duì)小分子有機(jī)酸的消耗，使體系pH值上升，最后趨于穩(wěn)定在7左右。這與王振雄[7]等人的研究結(jié)果相吻合。