濕垃圾與豬糞混合厭氧發(fā)酵初步研究

李 玲， 宗文明， 朱洪光， 成瀟偉, 徐宇鵬， 彭勝男

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 安徽 合肥 230036； 2.同濟大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院生物質(zhì)能源研究中心， 上海 201804)

濕垃圾與豬糞混合厭氧發(fā)酵初步研究

李 玲1， 宗文明1， 朱洪光2， 成瀟偉2, 徐宇鵬2， 彭勝男2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 安徽 合肥 230036； 2.同濟大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院生物質(zhì)能源研究中心， 上海 201804)

濕垃圾主要是纖維、竹木、廚房菜渣等含有機物成分的廢棄物，城市生活垃圾中50%以上為濕垃圾，且逐年增長，濕垃圾的處理問題刻不容緩。文章提出將濕垃圾與豬糞進行混合厭氧發(fā)酵，旨在為濕垃圾的循環(huán)利用提供新途徑。將菜葉、剩飯、果皮、爛水果收集粉碎攪勻后，與豬糞按照不同比例混合于55℃下發(fā)酵，通過分析配比率對沼氣產(chǎn)量、甲烷含量、沼液SCOD和堿度的影響，探究該處理方法的可行性以及混合發(fā)酵和單一發(fā)酵間的差別，優(yōu)化發(fā)酵的條件。結(jié)果表明：原料配比率對產(chǎn)氣有顯著影響，合適的配比率不僅能提高總產(chǎn)氣量還能提高甲烷含量，濕垃圾的添加比例過高時則會對發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。具體表現(xiàn)為豬糞和濕垃圾的配比率為4∶3時最適宜，相對豬糞單一發(fā)酵，總產(chǎn)氣量可以提高79%，SCOD去除率可以提高12%，僅需3天便可成功啟動，隨后甲烷含量穩(wěn)定維持在60%左右直到產(chǎn)氣結(jié)束。

厭氧發(fā)酵; 豬糞; 濕垃圾; 混合發(fā)酵; 沼氣工程

在過去的10年里，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，以及群眾對肉類食品消費需求的不斷提高，各省市相繼出臺了相關(guān)政策，鼓勵和扶持畜禽養(yǎng)殖業(yè)，使其走上快速發(fā)展的道路。據(jù)統(tǒng)計，2015年，全國生豬出欄量達到70825 萬頭，豬肉產(chǎn)量達5487萬噸。2015年，全年生豬的平均價格為每千克15.4元，比2014年上漲了13.5%，全國豬肉平均價格每千克24.7元，比上年上漲9.8%。[1]。我國畜禽養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展迅速，由于集中養(yǎng)殖能夠節(jié)約土地，降低管理運營成本，規(guī)模化養(yǎng)殖比例持續(xù)升高，同時產(chǎn)生大量的畜禽糞便，其集中處理也成為一大難題。2010年我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要水污染排放中COD和氨氮排放量分別達到1148萬t，65萬t[2],占農(nóng)業(yè)源排放總量的比例分別為95%和78%。隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的進一步發(fā)展，預(yù)計到2020年，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的COD和氨氮的年排放量將分別達到1480萬t，97萬t，將比2010年分別增加29%和49%，畜禽養(yǎng)殖污染已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)污染源之首。高度集約化的養(yǎng)殖產(chǎn)生大量集中的畜禽廢棄物，種養(yǎng)平衡關(guān)系失調(diào)，養(yǎng)殖廢棄物由農(nóng)業(yè)利用的資源轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐沫h(huán)境的污染物和困擾養(yǎng)殖者的最棘手問題。大量的畜禽污染物直接進入養(yǎng)殖場的地下水體，在局部地區(qū)，畜禽養(yǎng)殖污染相當(dāng)嚴(yán)重，甚至威脅飲用水的安全；養(yǎng)殖場散發(fā)的臭氣日益成為周邊居民投訴和引發(fā)糾紛的原因；沒有及時規(guī)范安全處理病死畜禽尸體的現(xiàn)象也頻頻曝光。如果不能探索一條經(jīng)濟上合理、技術(shù)上可行的污染綜合防治模式，必然會影響我國養(yǎng)殖業(yè)健康良性發(fā)展。

近年來，沼氣發(fā)酵技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為提高農(nóng)村畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈資源化利用的有效途徑[3-5]。單一原料發(fā)酵已得到深入細(xì)致的研究，并形成了較成熟的技術(shù)體系而應(yīng)用于實際生產(chǎn)生活中[6-9]。人畜糞便、有機垃圾單獨發(fā)酵時，糞便的發(fā)酵效果明顯優(yōu)于有機垃圾的發(fā)酵效果，但人畜糞便是堿性物質(zhì)，是有機垃圾較好的混合物，而利用兩種或多種有機廢棄物混合發(fā)酵，通過調(diào)節(jié)進料配比，可以使有機質(zhì)的C/N處于適宜的范圍，提高厭氧發(fā)酵效率[10]。微生物生長和產(chǎn)沼氣的過程需要多種營養(yǎng)元素，營養(yǎng)元素的平衡也是微生物生長必須的[10]，而多種多樣的有機垃圾恰巧可以提供多種營養(yǎng)元素。厭氧消化技術(shù)是最重要的生物質(zhì)能利用技術(shù)之一，它使固體有機物變?yōu)槿芙庑杂袡C物，再將蘊藏在廢棄物中的能量轉(zhuǎn)化為沼氣，以實現(xiàn)資源和能源的回收；厭氧消化后殘渣少，性質(zhì)穩(wěn)定；反應(yīng)設(shè)備密閉，可控制惡臭的散發(fā)。厭氧消化極大地改善了有機廢棄物處理過程的能量利用率，在經(jīng)濟和環(huán)境上均有較大的優(yōu)勢[11]。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用豬糞為上海市崇明縣花園村的新鮮豬糞，接種物為取自富民農(nóng)場以豬糞為發(fā)酵原料正常發(fā)酵的沼氣工程所產(chǎn)生的沼渣，濕垃圾由剩米飯、菜葉和果皮按照質(zhì)量比為1∶1∶1的比例混合，剩米飯取自同濟大學(xué)食堂，菜葉和果皮取自同濟大學(xué)對面的菜市場。接種物是在實驗室中高溫(55℃±1℃)馴化成功的污泥。在試驗前測定了3 者的理化性質(zhì)，如表 1 所示。

表1 試驗材料的理化性質(zhì) (%)

1.2 試驗裝置

試驗所采用的厭氧發(fā)酵裝置由以下4 個部分組成( 見圖 1)：恒溫水浴振蕩箱、藍蓋玻璃瓶、導(dǎo)氣管、采氣袋。其中藍蓋玻璃瓶容積為250 mL，采氣袋為 1 L 的鋁箔采氣袋。

1.恒溫水浴振蕩箱； 2.藍蓋玻璃瓶； 3.導(dǎo)氣管； 4.鋁箔采氣袋圖1 試驗裝置圖

試驗工作過程為:按一定接種率向混合發(fā)酵原料里添加接種物，攪拌均勻后加入到厭氧發(fā)酵瓶中蓋上瓶蓋并用蠟密封好，將藍蓋玻璃瓶置于恒溫水浴振蕩箱中，發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣通過導(dǎo)氣管輸入到鋁箔采氣袋中，每日更換采氣袋，并用100 mL注射器抽出其中的氣體，測出其體積得到日產(chǎn)氣量，在測定氣體成分時，用10 mL注射器抽取5 mL氣體注入氣相色譜儀中進行氣體成分分析。

1.3 試驗方法

將不同比例(7∶0，6∶1，5∶2，4∶3，3∶4，2∶5，1∶6，0∶7)混合的生活垃圾和豬糞，混合均勻后作為發(fā)酵原料分為A～H組，采用一次投料的方式，在接種率為30%，進料濃度為5%的情況下加入相應(yīng)質(zhì)量的接種物和水，最終調(diào)節(jié)發(fā)酵總重為200 g，同時設(shè)置僅有接種物的對照組，以此來排除接種物對實驗產(chǎn)氣的影響。將厭氧發(fā)酵瓶密封后置于 2 臺恒溫水浴振蕩器中，設(shè)置溫度為55℃，同時設(shè)置振蕩頻率為 100 r·min-1。啟動試驗后每天測定產(chǎn)氣量，每兩天測定一次氣體成分，以一周內(nèi)無氣體產(chǎn)生判斷為反應(yīng)結(jié)束。

1.4 分析方法

總固體含量( TS) ： 烘干法( 恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，溫度為105℃ 下烘至恒重) ；揮發(fā)性固體含量( VS) ：烘干法( 馬弗爐中溫度為600℃烘干 2 h) ；含水率、灰分烘干法；pH 值: 精密 pH 計( PHS-25) 測定; 總有機碳( TOC) ：大約為有機質(zhì)的 47%[12]，TOC = 0． 47 × VS；總氮( TN) : H2SO4-H2O2消煮滴定法( NY525-2012) ； 產(chǎn)氣量：注射器抽取測定；氣體成分：氣相色譜分析儀測定( GC122，TCD 檢測器，氫氣載氣，上海精科) 。物料的產(chǎn)氣潛力用 TS 產(chǎn)氣量表示，物料有機質(zhì)轉(zhuǎn)化潛力用 VS 產(chǎn)氣量表示[13]，計算公式如下：

TS產(chǎn)氣量=總產(chǎn)氣量-空白組總產(chǎn)氣量總固體含量

(1)

VS產(chǎn)氣量=總產(chǎn)氣量-空白組總產(chǎn)氣量揮發(fā)性固體含量

(2)

2 結(jié)果

2.1 日產(chǎn)氣量

圖2為不同試驗組的日產(chǎn)氣量變化情況。由圖可以看出，各實驗組的產(chǎn)氣情況在試驗的前12 d有較大的區(qū)別，當(dāng)試驗進行到12 d之后8個試驗組的日產(chǎn)氣量走勢十分接近，也就是說這幾組不同配比的試驗組之間最大的區(qū)別是在前11 d。隨著濕垃圾的比例增加試驗周期變短，日產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)的越早。A(純豬糞)，B(豬糞∶垃圾=6∶1)，D(豬糞∶垃圾=4∶3)均在第2天達到第一個峰值，日產(chǎn)氣分別為77 mL，152 mL，329 mL，第3天產(chǎn)氣量均出現(xiàn)驟減，整體開始呈現(xiàn)一個振蕩下降的趨勢，并在第13天左右降到最低值，日產(chǎn)氣量僅在10 mL左右，隨即3組的日產(chǎn)氣量又開始逐漸上升，并在20天左右達到第2個峰值，此后3組的日產(chǎn)氣量開始迅速減少，反應(yīng)趨向于停止。C(豬糞∶垃圾=5∶2)，D(豬糞：垃圾=4∶3)，F(xiàn)(豬糞∶垃圾=2∶5)，G(豬糞∶垃圾=1∶6)，H(單一濕垃圾)組在試驗進行第1天達到第1個峰值，分別為396 mL，568 mL，414 mL，506 mL，558 mL，隨后日產(chǎn)氣開始迅速下降。H組(單一濕垃圾)在試驗進行到第5天發(fā)酵停止。

圖2 不同試驗組日產(chǎn)氣量變化圖

2.2 總產(chǎn)氣量

圖3為不同試驗組總產(chǎn)氣量的變化情況，圖4為各組的總產(chǎn)氣量。由兩圖可知，在試驗的前5 d，D，F(xiàn)，G組的產(chǎn)氣量十分相似除空白組外的各試驗組產(chǎn)氣量幾乎一致，第6天開始，D組的總產(chǎn)氣量明顯高于F組和G組，可能由于D組的豬糞和有機垃圾的混合比例相當(dāng)，使其pH值接近弱堿性，有利于厭氧發(fā)酵的進行，使其總產(chǎn)氣量呈穩(wěn)定上升趨勢，而F和G組由于有機垃圾的比例較大，使其pH值低于D組。同樣H組由于是濕垃圾的單一發(fā)酵，各種菜葉、果皮偏酸性，使其pH值較低不利于厭氧發(fā)酵的進行，從而導(dǎo)致H組在發(fā)酵進行的第5天停止產(chǎn)氣。從試驗的總產(chǎn)氣量的柱狀圖來看的話，總產(chǎn)氣量隨著濕垃圾添加比例的增加，總產(chǎn)氣量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H組的總產(chǎn)氣量分別為909 mL，975 mL，1337 mL，1798 mL，2523 mL，1216 mL，1625 mL，1316 mL，而造成這種結(jié)果也是由于豬糞與有機垃圾的比例不同，使每個試驗組的pH不同才導(dǎo)致總產(chǎn)氣量的不同。因為pH值對厭氧發(fā)酵能否順利進行至關(guān)重要，因為pH值可以影響產(chǎn)甲烷菌的菌體及酶系統(tǒng)的生理功能及活性，影響發(fā)酵環(huán)境的氧化還原電位以及基質(zhì)的可利用性[14]。

2.3 甲烷含量

圖5為各試驗組甲烷含量的變化情況，由圖可知，A組，F(xiàn)組，G組的甲烷含量在厭氧發(fā)酵啟動后的前5 d內(nèi)較為相似，且一直處于一個較低的水平，僅在30%上下浮動，不同的是A組為純豬糞組隨著發(fā)酵的進行，甲烷含量雖增長緩慢，但一直穩(wěn)定的增加，最后維持在一個穩(wěn)定的水平。B組，C組，D組，E組隨著發(fā)酵的進行，前6天左右甲烷含量都呈明顯的上升趨勢，隨著就一直維持在一個穩(wěn)定的水平，在60%～70%左右?？梢娯i糞與有機垃圾混合只要比例適當(dāng)，使pH值維持在適合厭氧發(fā)酵的水平，就可以使甲烷含量迅速穩(wěn)定在一個較高的范圍，所以只要比例恰當(dāng)這兩種原料混合更適合厭氧發(fā)酵。

圖3 不同試驗組總產(chǎn)氣量變化圖

圖4 不同試驗組的總產(chǎn)氣量圖

圖5 不同試驗組的甲烷含量變化圖

2.4 單位 TS 和 VS 產(chǎn)氣量

根據(jù)各試驗組所測得的產(chǎn)氣量和投加物料的TS 值和 VS 值計算出各物料單位 TS 和 VS 產(chǎn)氣量分別如圖6和圖7所示。高溫發(fā)酵時，豬糞的單位TS 和 VS 產(chǎn)氣量分別為 129.86 mL·g-1和 179.28 mL·g-1，E組(豬糞∶垃圾=3∶4)的混合物料單位 TS產(chǎn)氣量、VS 產(chǎn)氣量最高，分別為360.43 mL·g-1，342.84 mL·g-1。從A組到H組隨著豬糞/垃圾比值的降低，TS產(chǎn)氣量和VS 產(chǎn)氣量的變化趨勢都是先升高后降低的模式，而最佳混合比例的E組的TS的產(chǎn)氣量要比單一豬糞組提高277%，比單一垃圾組提高192%；VS產(chǎn)氣量要比單一豬糞組提高191%，比單一垃圾組提高236%。

圖6 各物料TS產(chǎn)氣量對比圖

圖7 各物料VS產(chǎn)氣量對比圖

2.5 高溫組SCOD去除率

從A組～H組隨著豬糞含量的逐次降低，SCOD去除率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，與產(chǎn)氣總量的趨勢十分吻合，這也說明當(dāng)豬糞：垃圾的比值為4∶3時更加有利于兩者混合發(fā)酵。D(豬糞：垃圾=4∶3)，E(豬糞：垃圾=3∶4)兩組的SCOD去除率相近且較高。而F(豬糞：垃圾=2∶5)，G(豬糞：垃圾=1∶6)，H(單一垃圾)3組的去除率偏低在20%～30%以內(nèi)，可能是由于厭氧發(fā)酵過早結(jié)束發(fā)酵。

圖8 SCOD去除率

2.6 堿度

圖9 各物料發(fā)酵結(jié)束堿度對比圖

3 試驗分析

3.1 一定比例的有機垃圾與豬糞混合有利產(chǎn)氣

通過對各試驗組日產(chǎn)氣量、總產(chǎn)氣量、甲烷含量的分析可知：純豬糞A組需要發(fā)酵16天左右才可以使甲烷的含量超過50%，而當(dāng)豬糞和有機垃圾混合時可以迅速縮短甲烷含量趨于穩(wěn)定的時間且只要5天左右就可以使甲烷含量超過50%。兩者以一定的比例混合可以明顯提高產(chǎn)氣總量和甲烷含量。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的周領(lǐng)曾研究用堿性溶液對畜禽糞便進行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)用2.5%濃度的NaOH溶液處理牛糞反應(yīng)效果較好[18]，但出于對實際工程應(yīng)用成本的角度考慮本試驗所用豬糞并沒有用堿性溶液處理過。從產(chǎn)甲烷菌的角度出發(fā)兩者混合也有利于豐富菌種所需的營養(yǎng)，因為有機垃圾中所含的維生素、微量元素、生物素、葉酸、泛酸等確實是產(chǎn)甲烷菌所需要的。

3.2 當(dāng)豬糞中有機垃圾的比例添加過量時會抑制厭氧發(fā)酵

由上述結(jié)果可知，當(dāng)豬糞和有機垃圾的比例為5∶2，6∶1，7∶0時試驗組的pH值會偏低不利于厭氧發(fā)酵的進行，會使厭氧發(fā)酵提前終止。分析原因是有機垃圾本身的pH值較低，所以純有機垃圾組無法進行厭氧發(fā)酵，而即使兩者混合若豬糞的微堿環(huán)境沒有中和有機垃圾中的酸性物質(zhì)，使兩者混合后的pH值適合厭氧發(fā)酵那么試驗也不能很好的進行。試驗所用的接種物的含固率很低，這樣就使得30%的接種率需要加入相當(dāng)大一部分體積的接種物，而接種物偏堿性，就使得按以上比例混合的發(fā)酵物一旦加入接種物之后，其pH值都是適合厭氧發(fā)酵的。開始我們認(rèn)為這可能不是由于pH值得原因，后期我們又重復(fù)了一次試驗，這次我們將豬糞和有機垃圾混合后(沒有加入接種物前)的pH值測了一下，發(fā)現(xiàn)當(dāng)僅僅只有豬糞和有機垃圾混合后的pH值適合厭氧發(fā)酵，那么后期試驗不會過早結(jié)束，而二者混合的pH值不適合厭氧發(fā)酵的試驗產(chǎn)氣時間一般不會超過5 d。這就證明如果未加入接種物的發(fā)酵原料，只要pH值在厭氧發(fā)酵范圍都可以進行厭氧發(fā)酵，若混合后pH值不在合適范圍就不能很好的進行厭氧發(fā)酵。一定濃度的有機酸會打破細(xì)胞內(nèi)的酸堿平衡，導(dǎo)致細(xì)胞失活，這樣產(chǎn)甲烷菌的降解速率會降低，導(dǎo)致有機酸積累從而使得發(fā)酵料液酸化，最終使發(fā)酵趨于停止[18]。

4 結(jié)論

通過批式試驗，首先驗證了當(dāng)原料為豬糞和濕垃圾時厭氧發(fā)酵是可行的，其次說明了向豬糞中添加一定比例的濕垃圾對最終的厭氧發(fā)酵非常有利：一個合適的豬糞與濕垃圾的添加比例能夠同時提高總產(chǎn)氣量和甲烷含量。但當(dāng)有機垃圾的添加比例過高時會對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用從而影響沼氣工程的正常運行。試驗組中當(dāng)豬糞∶有機垃圾=4∶3時最有利于厭氧發(fā)酵，且與單一豬糞組相比總產(chǎn)氣量可以提高79%，SCOD去除率可以提高12%，甲烷含量第3天就可以提高到50%以上，且從第3天開始甲烷含量就一直穩(wěn)定在60%左右直到產(chǎn)氣結(jié)束。

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Preliminary Study on Wet Garbage and Pig Manure Mixed Anaerobic Digestion /

LI Ling1, ZONG Wen-ming1, ZHU Hong-guang2, CHENG Xiao-wei2, XU Yu-peng2, PENG Sheng-nan2/

(1.Anhui Agriculture University，College of engineering,Hefei 230036, China; 2.Bio-Energy Research Center, Institute of New Rural Development, Tongji University, Shanghai 201804, China)

More than 50% of the city waste were wet garbage containing organic matters as fiber, bamboo, kitchen vegetable wastes, etc.This approach was to mix the wet garbage with pig manure for anaerobic fermentation, so that to find a effective way for recycle use of wet garbage. Smashing and stirring the collected kitchen leftovers, leaves, peel rotten fruit and then mixed with pig manure in different ratio at 55℃, parameters of biogas yield, methane content, SCOD and alkalinity in biogas slurry, were measured and analyzed. The results showed that the mixing ratio had significant effect on gas production.A proper mixing ratio could not only increase the total gas production, but also increase the methane content. In this experiment, the optimum pig manure and wet garbage mixing ratio was 4∶3, which increased total gas production by 79% comparing with the sole pig manure fermentation, increased the SCOD removal rate by 12%, and only need 3 days for starting up successfully. The methane content was maintained at about 60% until the end of fermentation.

anaerobic fermentation； pig manure； organic waste； wet garbage; mixed fermentation； biogas engineering

2016-10-14

2016-12-13

項目來源： 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)科培育項目(2014XKPY-53)； 國家科技支撐計劃項目(2015BAD21B04)； 安徽省自然科學(xué)基金面上項目(1308085MC30)； 安徽省高校省級科研重點項目(KJ2012A104)； 自然光植物工廠集成示范(2013AA103006)

李 玲(1990-)，女，碩士，主要研究方向為生物質(zhì)能源工程，E-mail: 1239792568@qq.com

宗文明，E-mail:wmzong@ahau.edu.cn； 朱洪光，E-mail:zhuhg@#edu.cn

S216.4； X705； X713

A

1000-1166(2017)02-0062-06