溫度對高校生活垃圾厭氧消化影響的試驗研究

周仲魁， 孫占學， 高 柏

(東華理工大學水資源與環(huán)境工程學院，江西 撫州 344000)

城市生活垃圾是城市居民日常生活或為城市日常生活提供服務的活動中產(chǎn)生的固體廢物，是與城市相伴而生的長期污染源。改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟和城市建設的發(fā)展，城市生活垃圾排出量增長也十分迅速，城市生活垃圾的問題也越來越嚴重。目前我國城市垃圾年產(chǎn)量已達2.5億t左右，而且正以每年約8% ～10%的速度增長(陸衛(wèi)亞，2002)。2008年城市生活垃圾清運量約為1.54億t，而垃圾處理率只有50%左右，實際垃圾無害化處理率僅有30%左右(張益，2010)。未經(jīng)處理的城市垃圾大多采用裸露堆填的粗放棄置，占用城市周邊土地面積達6萬hm2，導致約有2/3的城市處于垃圾包圍之中，既污染水質、土壤、大氣，還將傳播疾病，嚴重影響了城市環(huán)境質量和可持續(xù)發(fā)展。因此，如何科學妥善地處理城市生活垃圾是我國當前面臨的重大課題。

溫度是影響微生物生命活動過程的重要因素，主要通過對酶活性的影響而影響微生物的生長速率與對基質的代謝速率，因此是厭氧生物處理工藝的重要工藝參數(shù)。根據(jù)產(chǎn)甲烷菌在不同溫度下的最佳活性將厭氧消化分為3個溫度范圍:20～25℃稱為低溫消化;30～40℃稱為中溫消化;50～60℃稱為高溫消化(徐云龍等，2006)。一般認為，厭氧生物反應可以在很寬的溫度范圍(5～83℃)內進行，而產(chǎn)甲烷作用則可以在2～100℃的溫度范圍內發(fā)生?？傮w上，整個消化反應每升高10℃，反應速率增加一倍，但在60℃以上時，反應速率迅速下降(任南琪等，2004;胡紀萃等，2003;劉艷等，2004;陳清后等，2006)。本文通過選取不同溫度對高校生活垃圾厭氧消化影響進行研究，探討溫度對產(chǎn)氣率，累積產(chǎn)氣量和厭氧消化周期以及溫度突變對厭氧產(chǎn)氣量的影響等方面的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為東華理工大學本部生活區(qū)新鮮生活垃圾，主要為廚余垃圾，含少量紙張、秸稈和無機物，纖維素含量較多。取來的樣品挑除少量雜物后進行人工破碎，大約5 mm×5 mm左右的小塊，處理后的垃圾特性如表1所示。測定其總固體含量(TS)為17.5%，揮發(fā)性固體為84.5%。發(fā)酵接種物為南昌市污水處理廠馴化污泥。發(fā)酵固含率通過加水和烘干進行調節(jié)控制，NaHCO3調節(jié)pH值。

表1 處理后的垃圾特性Table1 The waste characteristic after disposal

1.2 試驗裝置

本試驗裝置如圖1所示。由發(fā)酵裝置、集氣裝置及控溫裝置三部分組成，采用2 000 mL的平底玻璃燒瓶作為發(fā)酵瓶，用帶有出氣孔的橡膠塞密閉;集氣裝置由500 mL三角瓶和1 000 ml量筒連接而成，產(chǎn)生的氣體量用排水法計量，水為飽和食鹽水，防止沼氣中CO2溶于水中。水浴加熱，溫控儀和繼電器顯示和控制發(fā)酵溫度，溫度波動范圍±0.5 ℃。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Schematic of test device

1.3 試驗方法

在25、35、45、55℃的溫度條件下，分別選取4套發(fā)酵裝置，裝入稱取經(jīng)過處理的發(fā)酵垃圾800 g、接種物200 g。用少量干豬糞調節(jié)碳氮比為(25～30)∶1，每個發(fā)酵罐在實驗時均同時加料，同時開始實驗。

1.4 檢測項目與方法

(1)總固體(TS):烘干法;

(2)揮發(fā)性固體(VS):灼燒法;

(3)pH值:pH測定儀(pHS-22，上海澤安);

(4)碳氮比:C 以 VS估算(C=0.47 VS)，VS以灼燒法測定;N以凱氏測氮法測定。

2 結果與討論

2.1 溫度對產(chǎn)氣量的影響

圖2和圖3為試驗垃圾在不同發(fā)酵溫度下產(chǎn)氣率和累計產(chǎn)氣量的變化情況。

圖2 不同發(fā)酵溫度下的產(chǎn)氣率Fig.2 Biogas production rate at different temperatures

由圖2和圖3可以看出，在反應初期，25℃時的產(chǎn)氣率增長緩慢，第8 d后增長較快，第13 d達到最大峰值為1 201 ml/d，之后緩慢降低，最終累積產(chǎn)氣量為15.31 L;35℃時的產(chǎn)氣率試驗開始后逐漸上升，第9 d達到最大峰值1 544 ml/d，之后緩慢降低，最終累積產(chǎn)氣量為29.77 L，第16 d和第32 d累積產(chǎn)氣量分別占到總累積產(chǎn)氣量的47.13%和92.4%;45℃時的產(chǎn)氣率在試驗開始后第8天達到最大峰值1 861 ml/d，后逐漸降低，最終累積產(chǎn)氣量為39.99 L，第16天和第32天累積產(chǎn)氣量分別為19.06 L和36.43 L，占到總累積產(chǎn)氣量的47.7%和91.1%;55℃時的產(chǎn)氣率在試驗開始后第12 d達到最大峰值1 954 ml/d，之后也逐漸降低，最終累積產(chǎn)氣量為43.12 L，第16 d和第29 d累積產(chǎn)氣量分別為22.02 L和39.01 L，占到總累積產(chǎn)氣量的51.1%和90.5%。由以上分析得知，該生活垃圾在4個溫度試驗組的累積產(chǎn)氣量比較為:55＞45＞35＞25℃。

圖3 不同發(fā)酵溫度下的累積產(chǎn)氣量Fig.3 Cumulative biogas yield at different fermentation temperatures

同時筆者還認為:25℃時的產(chǎn)氣率在初期增長緩慢是由于發(fā)酵罐內厭氧菌處在一個相對較低的溫度，處于適應期，厭氧消化速率低，故產(chǎn)氣量低;其次，四個不同發(fā)酵溫度產(chǎn)氣速率最大峰值均出現(xiàn)在第10 d至第13 d，是因為此時發(fā)酵罐內溫度正好處于厭氧微生物代謝速率最快的35～38℃和50～65℃的溫度范圍內，酶活尤其是纖維素酶的酶活性增強，降解速度加快，從而使得厭氧菌得到更多的養(yǎng)分，使得產(chǎn)氣量增加，發(fā)酵更為徹底。

2.2 溫度對厭氧消化周期的影響

厭氧消化周期的長短決定了城市生活垃圾厭氧消化產(chǎn)氣速率的快慢，也意味著相同時間內處理城市生活垃圾的多少，在工程實際應用中具有重要的意義。一般在實際生產(chǎn)中，以產(chǎn)氣量達到累積產(chǎn)氣量的90%以上認為消化反應完全。由圖2可知，城市生活垃圾在不同溫度下厭氧消化經(jīng)歷了多個波峰，且溫度不同，波峰出現(xiàn)的時間和大小也不一。在25、35、45和55℃溫度條件下，產(chǎn)氣速率分別在第13 d、第10 d、第8 d和第12 d達到第一個峰值1 201 ml/d、1 544 ml/d、1 861 ml/d 和 1 954 ml/d，之后峰值逐漸減小。

試驗過程中，生活垃圾不同溫度條件下厭氧消化發(fā)酵完全情況見表2。

表2 不同溫度條件下厭氧消化發(fā)酵完全情況Table2 The anaerobic digestion and fermentation condition at different temperatures

從表2可知，城市生活垃圾厭氧消化發(fā)酵完全時間隨著溫度的升高而縮短，累積產(chǎn)氣量也增大。

由以上分析得出，在55℃高溫條件下，生活垃圾發(fā)酵處理的優(yōu)勢非常明顯。同時在55℃高溫條件下可殺滅寄生蟲卵達99%以上，大腸菌指數(shù)可達10～100，均能滿足衛(wèi)生要求(衛(wèi)生要求對蛔蟲卵的殺滅率95%以上，大腸菌指數(shù)10～100)(劉輝等，2010;吳滿昌等，2005)。Song等(2004)研究表明，高溫厭氧消化的總大腸桿菌去除率為99.7%，而中溫為 66.7%。

2.3 溫度突變對厭氧消化反應產(chǎn)氣量的影響

相對產(chǎn)氣量指以溫度突變前的產(chǎn)氣量為100%，其他時間的產(chǎn)氣量與其比較而得到相對產(chǎn)氣量(以%表示)，相對產(chǎn)氣量可以用來說明溫度突變對發(fā)酵的影響。為了解溫度突變對厭氧消化反應產(chǎn)氣量的影響，本試驗開展了溫度從55℃降到室溫20℃持續(xù)不同時間后恢復到55℃相對產(chǎn)氣量的研究。

圖4 溫度突變條件下相對產(chǎn)氣量變化Fig.4 Relative gas production under the condition of sudden temperature changes

由圖4可知，溫度從55℃下降到室溫20℃所需時間大約為1.5 h，相反從室溫20℃加熱到55℃所需時間大約為45 min。當55℃下降到室溫20℃后持續(xù)1 h，該生活垃圾最低產(chǎn)氣量為3.0%(體積分數(shù))，溫度恢復到55℃后，產(chǎn)氣量經(jīng)過1.5 h左右恢復到波動前水平;當55℃下降到室溫20℃后持續(xù)1.5 h，產(chǎn)氣量降到0，溫度恢復后，產(chǎn)氣量大約經(jīng)過2.5 h恢復到波動前水平;持續(xù)時間為2 h，產(chǎn)氣量也降到0，且持續(xù)了0.5 h，溫度恢復后，產(chǎn)氣量經(jīng)過約3.5 h才恢復到波動前水平。這充分說明了溫度突變對厭氧消化反應產(chǎn)氣有著重要的影響，溫度降低，產(chǎn)氣量隨之降低，溫度逐漸恢復，產(chǎn)氣量也隨之升高。如溫度波動時間較長時，產(chǎn)氣效率恢復所需時間將相應延長。

3 結論

本試驗研究了不同溫度對東華理工大學有機生活垃圾厭氧消化的影響，試驗結果表明:

(1)溫度是影響厭氧生物處理工藝的重要工藝參數(shù)，對城市生活垃圾厭氧消化產(chǎn)氣率和累計產(chǎn)氣量等有重要影響。溫度越高，產(chǎn)氣率越高，累計產(chǎn)氣量也越高;

(2)城市生活垃圾厭氧消化周期與溫度之間存在重要聯(lián)系，溫度越高，厭氧消化產(chǎn)氣率峰值越大，消化反應完全時間也越短;

(3)溫度突變對厭氧消化反應產(chǎn)氣有著重要的影響，溫度降低，產(chǎn)氣量隨之降低，溫度逐漸恢復，產(chǎn)氣量也隨之升高。如溫度波動時間較長時，產(chǎn)氣效率恢復所需時間將相應延長。

(4)55℃為城市生活垃圾厭氧消化的較佳溫度，具有產(chǎn)氣率高，消化徹底等優(yōu)勢。

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