生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的影響

王粟 裴占江 史風(fēng)梅 高亞冰 劉曉燁 劉杰

摘要 [目的]探究生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程的影響。[方法]通過(guò)向序批式厭氧消化系統(tǒng)中添加不同比例生物炭，研究其對(duì)餐廚垃圾厭氧消化效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。[結(jié)果]生物炭的添加可有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)C/N，減少氨氮抑制，增強(qiáng)微生物活性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及厭氧消化產(chǎn)氣效率。未添加生物炭處理（CK）的累計(jì)產(chǎn)氣量為1 618 mL，甲烷含量為39%；而添加生物炭處理平均累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)（2 939±473） mL，且平均甲烷含量均在50%以上；反應(yīng)體系中添加生物炭處理的氨氮濃度均保持在2 000 mg/L左右，而對(duì)照處理的氨氮濃度均在2 500 mg/L以上，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。生物炭添加量7%處理的累計(jì)產(chǎn)氣量最高，達(dá)3 307 mL，平均甲烷含量55%，產(chǎn)甲烷菌群活性最高時(shí)，輔酶F420吸光值可達(dá)0.68，TS、VS和油脂去除率分別為60%、72%和61%。[結(jié)論]該研究可為餐廚垃圾的無(wú)害化處理和資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 生物炭；餐廚垃圾；厭氧消化

中圖分類(lèi)號(hào) S216.4；X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）04-0055-03

Effect of Biochar on Anaerobic Digestion of Kitchen Waste

WANG Su，PEI Zhan-jiang，SHI Feng-mei，LIU Jie* et al （Rural Energy Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin，Heilongjiang 150086）

Abstract [Objective] To explore effects of biochar on anaerobic digestion of kitchen waste.[Method] Effects of biochar on efficiency，performance and stability of kitchen waste anaerobic digestion system were investigated.[Result] The results showed that addition of biochar was an important approach to adjust the C/N，reduce inhibition of ammonia nitrogen，improve the stability of system，enhance the microbial activity and improve the efficiency of biogas production.Mean biogas yields of treatments by adding different concentration of biochar and CK were （2 939±473） mL and 1 618 mL，respectively.Mean content of methane in treatments and CK were above 50% and 39% respectively.The ammonia nitrogen content in treatments and CK kept about 2 000 mg/L and 2 500 mg/L，respectively.The system with 7% of biochar dosage had the maximal cumulative gas production of 3 307 mL，maximal methane content of 55% and the highest absorbance value of coenzyme F420 of 0.68，and the removal rate of TS，VS and grease were 60%，72% and 61%，respectively.[Conclusion]The study can provide scientific basis for harmless treatment and resource utilization of kitchen waste.

Key words Biochar；Kitchen waste；Anaerobic digestion

目前，我國(guó)每年產(chǎn)生城市餐廚垃圾約1億t，大量餐廚垃圾不僅帶來(lái)了一系列的環(huán)境污染問(wèn)題，還造成了大量生物質(zhì)能源的浪費(fèi)[1-2]。餐廚垃圾是良好的厭氧消化底物，產(chǎn)甲烷潛力可達(dá)0.48 m3/kg[3]，但由于其高油脂、高有機(jī)質(zhì)、碳氮比不協(xié)調(diào)等特點(diǎn)，厭氧消化過(guò)程經(jīng)常受到抑制，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，易酸化，氨氮濃度高，菌群活性差，物料難降解，導(dǎo)致運(yùn)行失敗[4-6]。國(guó)內(nèi)外研究多采用向反應(yīng)器中投放外源性添加劑加以處理，但工藝復(fù)雜，處理成本高。

生物炭是生物質(zhì)在缺氧或絕氧條件下不完全燃燒所生成的固態(tài)炭質(zhì)，具有可溶性低、高度羥酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu)，大孔隙度和比表面積，富含多種微量元素和小分子有機(jī)物等特點(diǎn)[7-9]。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用生物炭在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了探索和研究。黃劍[10]、Kimetu等[11]研究表明，在土壤中施加生物炭可有效提高土壤微生物量及碳、氮水平，增加土壤酶的催化容量；Lehmann等[12]通過(guò)研究生物炭微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其表面官能團(tuán)可影響土壤的環(huán)境功能特性，使得生物炭在土壤固碳、土壤改良、溫室氣體減排及環(huán)境修復(fù)等方面均具有潛在功效；潘君廷等[13]研究了生物炭添加對(duì)雞糞厭氧消化的影響，其產(chǎn)氣率提高了45%，氨氮濃度得到了很好的抑制，并認(rèn)為生物炭的粒徑對(duì)甲烷體積分?jǐn)?shù)具有一定的影響；Kolb等[14]、杜連柱等[15]、周丹丹[16]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以選擇性地吸附多種離子，生物炭顆?？扇コ鬯谢瘜W(xué)需氧量（COD）和含氮污染物，其COD去除率分別達(dá)到87.9%，NH4+、NO3-去除率達(dá)到60.0%和95.0%。筆者采用序批式厭氧消化工藝，通過(guò)梯度試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將不同比例的生物炭直接投入反應(yīng)體系中，研究添加生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程的影響，以期為拓展生物炭應(yīng)用領(lǐng)域及餐廚垃圾的無(wú)害化處理和資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

餐廚垃圾取自黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院職工食堂，去除雜質(zhì)，剩余主要成分為米飯、肉類(lèi)、蔬菜等，經(jīng)粉碎后，收集于透明聚乙烯袋中，于-4 ℃環(huán)境保存?zhèn)溆?；生物炭是以黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)家級(jí)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)廢棄玉米秸稈為原料制備的，粉碎后經(jīng)40目篩篩取，留存?zhèn)溆?；接種污泥取自于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源研究所沼氣發(fā)酵罐，試驗(yàn)前將接種污泥置于35 ℃，2 Hz搖床上振蕩24 h，減少內(nèi)生甲烷氣體對(duì)結(jié)果的影響[17]。各材料的理化性狀見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

采用批式厭氧消化方法，以1 L廣口瓶為反應(yīng)容器，采用600 mL反應(yīng)體系，干物質(zhì)含量（TS）為6.0%，于（30±1）℃恒溫培養(yǎng)，采用排飽和食鹽水法收集沼氣，試驗(yàn)進(jìn)行至反應(yīng)啟動(dòng)后第30天。

根據(jù)生物炭投放量的不同，共設(shè)4個(gè)添加生物炭梯度處理，分別記為T(mén)1（3%）、T2（5%）、T3（7%）、T4（9%），為了更好地檢測(cè)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的啟動(dòng)效率及穩(wěn)定性，另設(shè)未添加生物炭對(duì)照處理（CK），每處理3次重復(fù)。將原料充分混勻后，裝入反應(yīng)器，按1∶1接種沼液，接種時(shí)厭氧瓶?jī)?nèi)充入500 mL/min氮?dú)饬?，保? min以上，使反應(yīng)系統(tǒng)處于嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。記錄每天產(chǎn)氣體積，測(cè)定甲烷含量，消化液每次取樣4 mL，并補(bǔ)充反應(yīng)液，檢測(cè)氨氮濃度、揮發(fā)性指肪酸（VFAs）含量及輔酶F420活性；根據(jù)厭氧消化反應(yīng)前后消化液及干物質(zhì)的變化，檢測(cè)油脂、TS、揮發(fā)性固體含量（VS）等指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

沼氣產(chǎn)量采用自制排水裝置測(cè)定；甲烷含量采用安捷倫7890A測(cè)定，色譜條件：HP-PLOT molesieve色譜柱，柱箱溫度40 ℃恒溫，以氮?dú)鉃檩d氣，TCD檢測(cè)器，檢測(cè)器溫度250 ℃；氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測(cè)定[18]；VFAs采用高速微量離心機(jī)測(cè)定，方法為消化液經(jīng)離心后取350 μL上清液，注入裝有FID 檢測(cè)器的氣相色譜（安捷倫6890）中，高純氮?dú)庾鳛檩d氣，氣體流量為50 mL/min，柱箱溫度120 ℃，前進(jìn)樣口溫度為200 ℃，前檢測(cè)器的溫度為200 ℃；輔酶F420活性采用紫外分光光度法測(cè)定[19]；油脂采用索氏抽提法，SZF-06 型粗脂肪測(cè)定儀測(cè)定；TS、VS含量參照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氣效率的影響

從圖1～3可以看出，各處理的產(chǎn)氣啟動(dòng)速度較快，在第3天產(chǎn)氣量開(kāi)始升高。其中，CK的最高日產(chǎn)氣量出現(xiàn)在第4天，達(dá)210 mL，產(chǎn)氣高峰期到第11天，隨后產(chǎn)氣量迅速下降，第15天基本停止產(chǎn)氣，平均甲烷含量為39%，累計(jì)產(chǎn)氣量為1 618 mL；處理T1～T4，啟動(dòng)第3天產(chǎn)氣量升高，隨后逐漸下降，在第12天產(chǎn)氣量再次迅速升高，其中T3日產(chǎn)氣量最高為256 mL，第19 d后產(chǎn)氣量逐漸趨于穩(wěn)定，T1～T4累計(jì)產(chǎn)氣量分別達(dá)到2 647、2 879、3 307、3 924 mL，平均甲烷含量均達(dá)到50%以上，其中T3甲烷含量最高，達(dá)55%。由此可見(jiàn)，添加生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氣量的影響較大，尤其是在產(chǎn)氣中后期，可以保證較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性及產(chǎn)氣效率。

2.2 生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化氨氮濃度的影響

蛋白質(zhì)的分解率可用反應(yīng)溶液中上清液所含氨氮的濃度來(lái)估算。從圖4可以看出，各處理在啟動(dòng)后第3天，氨氮濃度迅速升高，這是由于蛋白質(zhì)和氨基酸的分解及其他含氮有機(jī)物的降解產(chǎn)生大量氨氮，隨著厭氧消化反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)甲烷菌群繁殖需要消耗大量氮源作為營(yíng)養(yǎng)元素，因此氨氮濃度又會(huì)逐漸下降。CK的氨氮濃度波動(dòng)性較大，且含量多在2 500 mg/L以上，最高濃度達(dá)3 000 mg/L以上，可見(jiàn)厭氧消化反應(yīng)產(chǎn)生了明顯的抑制作用；T1～T4處理的氨氮濃度隨著產(chǎn)甲烷菌群活性的逐漸增強(qiáng)而緩慢下降，最后趨于平衡，氨氮濃度均保持在2 000 mg/L左右，保證了反應(yīng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化VFAs含量的影響

VFAs是餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中酸化階段的主要產(chǎn)物，主要由乙酸、丙酸、丁酸組成，是產(chǎn)甲烷菌群主要利用底物，VFAs的濃度常作為評(píng)價(jià)水解酸化和產(chǎn)甲烷是否平衡的重要指標(biāo)。從圖5可以看出，各處理VFAs含量在前5 d迅速積累，隨后緩慢下降，并維持在較穩(wěn)定水平。但CK在第20天后的 VFAs含量多維持在1 700 mg/L左右，明顯高于T1～T4處理（1 400～1 600 mg/L）。這可能是由于T1～T4處理的產(chǎn)甲烷菌群活性更強(qiáng)，VFAs中乙酸和丁酸得到了更好的分解。

2.4 生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化輔酶F420活性的影響

輔酶F420是產(chǎn)甲烷菌所特有的一種酶，是產(chǎn)甲烷菌代謝途徑中重要的輔酶之一，其作為電子載體，在產(chǎn)甲烷的電子傳遞鏈中起著重要作用，因此輔酶F420可以用來(lái)反映厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)甲烷菌群的數(shù)量或者產(chǎn)甲烷菌群活性。從圖6可以看出，各處理反應(yīng)初期（第0天至第9天）輔酶F420吸光值（OD）均在0.3～0.4，并保持相對(duì)平穩(wěn)，這是由于在產(chǎn)氣初始階段，發(fā)酵產(chǎn)生的酸使產(chǎn)甲烷菌群生長(zhǎng)受到抑制，而隨著酸的利用，產(chǎn)甲烷菌群快速增長(zhǎng)而活性增大，隨后各處理輔酶F420吸光值呈上升趨勢(shì)，并逐漸趨于平穩(wěn)，其中T3處理的產(chǎn)甲烷菌群活性最高時(shí)（第18天），其OD值達(dá)0.68；發(fā)酵剩余反應(yīng)液中，各處理輔酶F420的OD值依次為T(mén)3、T4、T2、T1、CK?？梢?jiàn)，生物炭的投放對(duì)提高反應(yīng)體系中產(chǎn)甲烷菌群活性有較明顯的效果。

2.5 生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化料液特性的影響

從圖7可以看出，T1～T4處理的去除率均明顯高于CK，說(shuō)明添加生物炭可以促進(jìn)餐廚垃圾厭氧消化，提升產(chǎn)氣效率及TS、VS及油脂的去除效率，其中T3處理效果最好，TS去除率達(dá)到60%，VS去除率達(dá)到72%，油脂去除率達(dá)到61%。

3 結(jié)論

（1）餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化時(shí)，系統(tǒng)易出現(xiàn)酸抑制和氨抑制現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失敗。而添加生物炭后，系統(tǒng)緩沖能力增強(qiáng)。生物炭含有的大量小分子有機(jī)物可被厭氧微生物利用，對(duì)系統(tǒng)C/N起到一定的調(diào)節(jié)作用；同時(shí)，生物炭的空隙度和粗糙的比表面積為微生物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，可以增加發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷群落數(shù)量，減緩生物活性衰退，去除反應(yīng)過(guò)程中有害物質(zhì)，從而增強(qiáng)體系緩沖能力，提高餐廚垃圾厭氧消化效率。

（2）未添加生物炭對(duì)照處理（CK）的累計(jì)產(chǎn)氣量為1 618 mL，甲烷含量為39%，而添加生物炭處理（T1～T4）平均累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)（2 939±473） mL，且平均甲烷含量均在50%以上；反應(yīng)體系中T1～T4處理氨氮濃度均保持在2 000 mg/L左右，而CK的氨氮濃度均在2 500 mg/L以上，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

（3）通過(guò)向厭氧反應(yīng)器內(nèi)添加不同比例的生物炭，得出最佳生物炭添加量為7%，該條件下累計(jì)產(chǎn)氣量可達(dá)3 307 mL，平均甲烷含量為55%，產(chǎn)甲烷菌群活性最高時(shí)，輔酶F420吸光值可達(dá)0.68，TS、VS和油脂去除率分別為60%、72%和61%。

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