甘蔗葉添加對餐廚垃圾厭氧消化性能的影響

羅 娟， 趙立欣， 姚宗路， 馮 晶， 李秀金， 袁海榮

(1.北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100029; 2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院， 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

項目來源： 北京市自然科學(xué)基金項目(8142030)； 十二五科技支撐項目(2014BAL05B03，2014BAC24B01)

甘蔗葉添加對餐廚垃圾厭氧消化性能的影響

羅 娟1,2， 趙立欣2， 姚宗路2， 馮 晶2， 李秀金1， 袁海榮1

(1.北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100029; 2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院， 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

為研究餐廚垃圾各組分的厭氧消化性能，試驗將餐廚垃圾分為果蔬類、主食類、肉類與混合餐廚分別進行厭氧發(fā)酵實驗。結(jié)果表明，果蔬類餐廚產(chǎn)氣最快，主食類餐廚產(chǎn)氣峰值最大，混合餐廚累積產(chǎn)氣量最大、產(chǎn)氣性能最優(yōu)；肉類、果蔬類、主食類和混合餐廚的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量分別為201.24，343.63，418.40和436.71 mL·g-1TS。為提高餐廚垃圾的厭氧消化性能，解決我國南方大量甘蔗葉廢棄、焚燒等引起的污染問題，文章以餐廚垃圾為主要發(fā)酵原料，研究添加甘蔗葉對餐廚垃圾中溫厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣特性，pH值，TS和VS去除率等參數(shù)的影響，尋求最佳的甘蔗葉添加量配比。結(jié)果表明，甘蔗葉添加后與餐廚垃圾發(fā)生協(xié)同作用，可以促進厭氧發(fā)酵，提高產(chǎn)氣量，產(chǎn)氣過程相對比較平穩(wěn)；混合物料的累積產(chǎn)氣量隨甘蔗葉所占比例的降低而先升高后降低，當(dāng)餐廚垃圾與甘蔗葉干物質(zhì)比為4∶1時產(chǎn)氣性能最佳，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量達到452.67 mL·g-1TS，TS和VS去除率比純餐廚垃圾分別提高了6.43%和11.98%。

餐廚； 甘蔗葉； 厭氧消化； 沼氣

隨著我國經(jīng)濟的快速增長、城市化進程的加快和人民生活水平的提高，日常生活垃圾正在快速增加，其中餐廚垃圾所占比例越來越大[1-2]。餐廚垃圾成分復(fù)雜，主要成分包括油、水、果蔬、主食、肉類、骨頭以及塑料、紙巾等。與其他垃圾相比，餐廚垃圾具有水分、有機物、油脂及鹽分含量高，易腐爛，營養(yǎng)元素豐富等特點[3-4]，處置不當(dāng)很容易引起環(huán)境污染甚至危害人類健康[5-6]，如何有效地收集及合理處理利用餐廚垃圾已成為當(dāng)前的研究熱點之一[7]。研究表明，采用厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾是一種非常有效的手段[8-9]，越來越受到政府部門和研究人員的關(guān)注。

單一餐廚垃圾厭氧消化存在易酸化，含水率高，C/N低等問題[10-11]，與秸稈等物料聯(lián)合厭氧消化可以很好地解決這些問題[12]。研究表明，通過添加秸稈類纖維素含量高的物料，可以有效調(diào)節(jié)混合原料的碳氮比，均衡物料中的營養(yǎng)物質(zhì)，促進厭氧消化[13]，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。陳雪[14]等人采用響應(yīng)面實驗設(shè)計對影響餐廚垃圾和稻草混合發(fā)酵酸化相產(chǎn)酸效果的4個因素進行了實驗研究，得到了較佳的參數(shù)組合；董玉林[15]采用批式發(fā)酵實驗優(yōu)化得到了餐廚垃圾和秸稈聯(lián)合發(fā)酵的配比、秸稈粒徑以及有有機負荷等發(fā)酵條件；李晶宇[16]等人認為餐廚廢棄物、牛糞和秸稈混合比例對消化效果有顯著影響，VS比例為0.4∶1.6∶1時產(chǎn)氣效果最佳。甘蔗葉中粗蛋白、粗纖維含量高，既可作為調(diào)節(jié)沼氣發(fā)酵酸堿度和碳氮比的原料，又可作為速效、高產(chǎn)的沼氣發(fā)酵原料[17-18]。筆者試驗以餐廚垃圾為主要發(fā)酵原料，以甘蔗葉作為添加物料，研究在模擬中溫條件下，添加甘蔗葉對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響，以期尋找一條既能提高餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣的性能，又能解決南方甘蔗種植區(qū)大量甘蔗葉廢棄、焚燒造成的環(huán)境污染問題的途徑，為實現(xiàn)餐廚垃圾和甘蔗葉的無害化、資源化和能源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

研究使用的餐廚垃圾取自北京某單位食堂，將塑料袋、骨頭等雜物分揀出來后，使用粉碎機粉碎，混勻后裝袋，保存在-20℃冰箱中備用；甘蔗葉取自廣東省茂名市電白縣某農(nóng)戶家庭，在自然條件下風(fēng)干后進行粉碎，過20目篩備用。甘蔗葉在厭氧消化前，先用6%的NaOH溶液進行預(yù)處理，室溫浸泡3 d[19]?；旌衔锪嫌锰妓釟滗@調(diào)節(jié)碳氮比至所需值。接種用活性污泥取自研究團隊實驗室培養(yǎng)的活性污泥。取一定量餐廚垃圾，進一步分揀，分為肉類、果蔬類、主食類(米飯、饅頭、面條等)。各試驗原料的TS和VS等主要特性見表1。

表1 原料特性表

1.2 試驗裝置

試驗裝置由厭氧發(fā)酵瓶(1000 mL廣口瓶)、集氣裝置(1000 mL廣口瓶和1000 mL量筒)和溫度控制裝置(恒溫水浴鍋)組成，廣口瓶用于盛放發(fā)酵物料，用橡膠塞密封后置于恒溫水浴鍋中，溫度控制在38℃±1℃。發(fā)酵裝置和集氣裝置直接采用玻璃管與乳膠管相連。采用排水法收集沼氣。

1.3 試驗方法

1.3.1 餐廚垃圾及各組分產(chǎn)氣特性試驗

取干物質(zhì)約為10 g的分揀后的肉類、果蔬類、主食類餐廚垃圾以及混合餐廚垃圾分別放入不同厭氧發(fā)酵瓶中，并加入接種物100 g，用蒸餾水調(diào)節(jié)TS濃度約為5%，混合均勻后密封。將厭氧發(fā)酵瓶置于大容量恒溫水浴鍋中，并調(diào)節(jié)溫度至38℃±1℃，利用排水法測定日產(chǎn)氣量。每日搖晃厭氧發(fā)酵瓶一次，每組設(shè)置3個平行。

1.3.2 混合物料厭氧消化試驗

為比較不同甘蔗葉添加量方式下餐廚垃圾的產(chǎn)氣性能，設(shè)計4組混配實驗(A，B，C，D)，改變其中甘蔗葉添加的量。餐廚垃圾和甘蔗葉混配的干物質(zhì)量比分別為2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，混合物料總有機負荷為50 gTS·L-1，采用碳酸氫銨將C/N調(diào)節(jié)至25∶1。將各組實驗物料轉(zhuǎn)移至厭氧發(fā)酵瓶內(nèi)，發(fā)酵瓶中加入150 g接種污泥并將物料混合均勻。設(shè)置2組對照實驗(E，F(xiàn))，對照實驗D的厭氧發(fā)酵瓶內(nèi)僅加入109 g餐廚垃圾和150 g污泥，對照實驗E的厭氧發(fā)酵瓶內(nèi)僅加入23 g甘蔗葉和150 g污泥。之后，將發(fā)酵瓶密封，連接厭氧發(fā)酵瓶、排水集氣瓶與集水瓶，并檢驗裝置氣密性。置于38℃±1℃的水浴鍋中，利用排水法測定日產(chǎn)氣量。每天搖晃厭氧發(fā)酵瓶一次，每組實驗設(shè)置3個平行。

1.3.3 檢測方法

原料的總固體(Total solid，TS)與揮發(fā)性固體(Volatile solid，VS)的測定采用重量法，其中樣品稱重、烘干與灼燒分別采用分析天平(BSA223S-CW，賽多利斯，德國)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DGG-9240B，上海森信)與高效節(jié)能快速升溫馬弗爐(2200型，北京市華北實驗儀器有限公司)。采用便攜式沼氣分析儀(GA5000，Geotech，英國)測試沼氣成分，采用微量流量計(MGC，Ritter，德國)測定產(chǎn)氣量；采用便攜式pH計(IQ150)測定pH值。

2 結(jié)果與討論

2.1 餐廚垃圾產(chǎn)氣特性

混合餐廚垃圾及不同組分的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣情況如圖1和圖2所示。從圖1可以看出，反應(yīng)初期各物料的產(chǎn)氣量均較高，此時氣體主要為氫氣和CO2，之后迅速下降，說明出現(xiàn)了有機酸積累的現(xiàn)象，產(chǎn)氣減少；之后產(chǎn)甲烷菌迅速繁殖分解有機酸，產(chǎn)氣量逐漸恢復(fù)并繼續(xù)增加；可降解有機物消耗完畢后產(chǎn)氣逐漸停止。果蔬類餐廚的產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)最早(第6天)，產(chǎn)氣量為369.4 mL，這是由于果蔬類餐廚含有大量易于降解的有機物；主食類餐廚產(chǎn)氣峰值最大(第10天)，達到470.6 mL，且后期產(chǎn)氣量明顯高于其他各組，說明持續(xù)產(chǎn)氣能力相對較強；混合餐廚的日最大產(chǎn)氣量為(第9天)431.2 mL，產(chǎn)氣高峰時間相對較長且穩(wěn)定(第6～15天)，產(chǎn)氣性能優(yōu)于其他各組；肉類餐廚產(chǎn)氣量一直處于較低水平，在第13天產(chǎn)氣量最大，為242.3 mL。

如圖2和表2所示，混合餐廚垃圾的累積產(chǎn)氣量最高，肉類餐廚的累積產(chǎn)氣量顯著低于其他各組餐廚垃圾。肉類餐廚在厭氧消化結(jié)束時累積產(chǎn)氣量僅為2026.4 mL；果蔬類和主食類餐廚的累積產(chǎn)氣量分別達到了3444.7 mL和4166.2 mL，分別比肉類餐廚提高了70%和106%；混合餐廚的累積產(chǎn)氣量達到4407.5 mL。肉類、果蔬類、主食類和混合餐廚的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量分別為201.24 mL·g-1TS，343.63 mL·g-1TS，418.40 mL·g-1TS和436.71 mL·g-1TS。這主要是由于肉類含有較多的蛋白質(zhì)，在單獨進行厭氧發(fā)酵過程中，產(chǎn)生大量的氨氮，對厭氧過程產(chǎn)生較強的抑制作用，導(dǎo)致肉類的產(chǎn)氣量較低?；旌喜蛷N廢棄物內(nèi)各個組分之間營養(yǎng)互補，營造了更為良好的發(fā)酵條件，因此其產(chǎn)氣量比單一組分的餐廚垃圾更高，其T50，T70和T90分別為10，13和19 d，產(chǎn)氣均衡性相對較好。

圖1 不同組分餐廚垃圾日產(chǎn)沼氣量

圖2 不同組分餐廚垃圾累積產(chǎn)沼氣量

發(fā)酵原料T50T70T90累積產(chǎn)氣量單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量dddmL(mL·g-1TS)混合餐廚 1013194407.5436.71肉類餐廚 1114212026.4201.24果蔬類餐廚710173444.7343.63主食類餐廚1114234166.2418.40

注：表2中T50，T70，T90[20-21]分別表示物料在厭氧發(fā)酵一個周期內(nèi)達到總產(chǎn)氣量的50%，70%和90%所需的時間。

2.2 不同甘蔗葉添加量對餐廚垃圾厭氧消化性能的影響

2.2.1 對產(chǎn)氣特性的影響

當(dāng)帶電粒子在沒有初始速度在均勻電場中時，如果帶正電荷，它將沿電場線以零初速度勻加速直線運動，如果粒子帶負電荷，它將在與電場線相反的方向移動。當(dāng)帶電粒子的初始速度方向平行與電場線時，根據(jù)帶電粒子的帶電情況決定其做初速度不為零的勻加速還是勻減速直線運動，這取決于。當(dāng)帶電粒子的初速度方向與電場線成一定夾角θ時，將物體的初速度分解在電場線方向上或垂直于電場線方向上，并分步求解。

不同甘蔗葉添加量下混合物料日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量如圖3和圖4所示。各組實驗產(chǎn)氣量均呈現(xiàn)出先降低后大幅升高，經(jīng)過一段時間的波動后再逐漸降低的趨勢。反應(yīng)初期產(chǎn)酸菌群以物料中可溶性有機物為原料，在將其降解為揮發(fā)性有機酸的同時，產(chǎn)生了CO2和H2；經(jīng)過短暫的酸化物質(zhì)累積后，產(chǎn)甲烷菌迅速適應(yīng)并生長繁殖，不斷分解有機物，出現(xiàn)產(chǎn)氣量較高并不斷波動的現(xiàn)象，此時氣體成分主要為CH4和CO2；反應(yīng)后期，可降解的有機物大量減少，產(chǎn)氣量持續(xù)減少。由圖3可知，純餐廚垃圾(對照組E)的日最高產(chǎn)氣量最大，達到835.2 mL；整個厭氧發(fā)酵速度相對較快，T90為20 d，比實驗組A，B，C，D分別減少了2 d，2 d，3 d和3 d。各實驗組產(chǎn)氣相對比較平穩(wěn)，產(chǎn)氣量較高的時間段大致為第7～22天。

餐廚垃圾添加秸稈后，實驗組C(干物質(zhì)混合比例為4∶1)的累積產(chǎn)氣量最高，達到了9053.7 mL·g-1TS，高于實驗組另外3個混合比例和2個對照組。此外，4組混合物料中，物料的累積產(chǎn)氣量隨著物料中甘蔗葉所占比例的降低而先升高后降低。當(dāng)甘蔗葉添加量從2∶1 (餐廚垃圾∶甘蔗葉)降低至3∶1，4∶1時，其累積產(chǎn)氣量從7928.3 mL·g-1TS升高至8530.8 mL·g-1TS，9053.7 mL·g-1TS。這主要是由于甘蔗葉中纖維素類物質(zhì)含量較高，降解速度相對較慢，可以作為支撐混合物料的骨架，提高混合物料的孔隙率，更加適宜微生物的生存；同時，甘蔗葉與餐廚垃圾的營養(yǎng)成分有很大區(qū)別，物料混配后，混合物料內(nèi)營養(yǎng)成分互補，更有利于微生物的生長和繁殖。但當(dāng)甘蔗葉添加量降至5∶1 (餐廚垃圾∶甘蔗葉)時，混合物料的產(chǎn)氣量反而降低至8611.4 mL·g-1TS，說明當(dāng)甘蔗葉添加量過少時，對混合物料的骨架支撐及營養(yǎng)成分均衡的作用不再明顯。

圖3 不同混配比例餐廚與甘蔗葉日產(chǎn)沼氣量

圖4 不同混配比例餐廚與甘蔗葉累積產(chǎn)沼氣量

假設(shè)在餐廚垃圾中添加甘蔗葉后，兩種物料未發(fā)生任何作用，則混合物料的理論累積沼氣產(chǎn)量應(yīng)為餐廚垃圾和甘蔗葉各自累積產(chǎn)氣量的加權(quán)和。由表3可知，在餐廚垃圾中添加甘蔗葉之后，實驗組A，B，C，D的實際累積產(chǎn)氣量為7928.3，8530.8，9053.7和8611.4 mL·g-1TS，均高于混合物料的累積沼氣產(chǎn)量的理論計算值，分別提高了4.21%，8.16%，12.36%和5.39%。這表明餐廚垃圾與甘蔗葉在混合后進行厭氧發(fā)酵時產(chǎn)生了一定的協(xié)同作用[21]，促進了混合物料中有機物的降解，從而提高了產(chǎn)氣量。從單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量來看，實驗組C(餐廚垃圾∶甘蔗葉=4∶1)的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量(452.67 mL·g-1TS)比對照組E(純餐廚垃圾)的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量(433.72 mL·g-1TS)提高了4.37%，但不是很顯著；實驗組A、B、D的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量比對照組E反而略有降低，這主要是由于甘蔗葉本身的干物質(zhì)產(chǎn)氣量(268.23 mL·g-1TS)較低引起的。

2.2.2 發(fā)酵過程pH值的變化

各組實驗物料厭氧發(fā)酵過程中的pH值相差不大，且變化趨勢一致(見圖5)。整個反應(yīng)過程中pH值基本維持在產(chǎn)甲烷菌適宜的范圍(6.7～7.4[22])內(nèi)波動。厭氧消化初期，各組物料的初始pH值在6.85～7.12范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)的進行，pH值略有下降，這說明發(fā)酵初期在產(chǎn)酸菌的作用下物料被分解為乳酸、乙酸等有機酸類產(chǎn)物，有機酸積累導(dǎo)致pH值降低；隨后pH值逐漸上升至初始pH值左右，并呈現(xiàn)小幅度波動，說明隨著厭氧消化的進行，水解酸化反應(yīng)和產(chǎn)甲烷反應(yīng)基本達到平衡；在厭氧消化后期，物料中可以被降解的有機物逐漸被分解殆盡，產(chǎn)甲烷反應(yīng)強于水解酸化反應(yīng)，有機酸逐漸被消耗，pH值上升。實驗各組的最終pH值在7.19～7.35范圍內(nèi)。

圖5 pH值的變化

2.2.3 TS和VS去除率

圖6 TS和VS去除率

3 結(jié)論

(1)混合餐廚垃圾的產(chǎn)沼氣量最高，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量達到436.71 mL·g-1TS，其次為主食類餐廚垃圾，肉類餐廚垃圾的產(chǎn)沼氣量最低?；旌喜蛷N垃圾的各個組分之間營養(yǎng)互補，產(chǎn)氣量更高、穩(wěn)定性更好。

(2)餐廚垃圾與甘蔗葉混合物料的累積產(chǎn)氣量和單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量隨甘蔗葉所占比例降低先升高后降低，添加甘蔗葉提高了餐廚垃圾的厭氧消化性能；餐廚垃圾與甘蔗葉混合厭氧發(fā)酵時產(chǎn)生了協(xié)同作用，餐廚垃圾與甘蔗葉干物質(zhì)比為4∶1的混合物料單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量最高，達到452.67 mL·g-1TS，比純餐廚垃圾提高了4.37%。

(3)各組物料發(fā)酵過程中pH值呈現(xiàn)先降低后微幅波動最后略有升高的趨勢，整個發(fā)酵過程處于產(chǎn)甲烷菌適宜的pH值范圍內(nèi)；餐廚垃圾與甘蔗葉干物質(zhì)比為4∶1的混合物料TS、VS去除率比純餐廚垃圾分別提高了6.43%和11.98%。

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TheInfluencesofAddingSugarcaneLeavesonAnaerobicFermentationofFoodWaste/

LUOJuan1,2,ZHAOLi-xin2,YAOZong-lu2,FENGJing2,LIXiu-jin1,YUANHai-rong1/

(1.CollegeofChemicalEngineering，BeijingUniversityofChemicalTechnology，Beijing100029，China; 2.ChineseAcademyofAgriculturalEngineering,KeyLaboratoryofEnergyResourceUtilizationfromAgriculturalResidues,Beijing100125,China)

In order to study the gas production performance of different component of the food waste, the food waste was divided into vegetable & fruit (VF), cereal, meat and mixed food waste, and the anaerobic fermentation experiments were done respectively. The results showed that VF had the fastest biogas generation, cereal had the largest gas production peak; mixed food waste had the maximum cumulative gas production and the best gas production performance. The gas productions per unit dry mass were: meat 201.24 mL·g-1TS, VF 343.63 mL·g-1TS, cereal 418.40 mL·g-1TS, and mixed food waste 436.71 mL· g-1TS, respectively. To improve the anaerobic digestion performance of food waste and solve the pollutions caused by abandoned and burned sugarcane leaves in the south China, the experiments were done that food waste was used as the main raw material and sugarcane leaves were used as auxiliary materials. The effect of adding different amount of sugarcane leaves on the biogas production, pH value, TS and VS removal rate under temperature of 38℃±1℃ were investigated. The results showed that there was synergistic effect for mixture of sugarcane leaves and food waste, which could promote anaerobic fermentation and improve gas production, and the operation was more stable. The cumulative gas production of mixture increased with the decreasing of sugar cane leaves at first and then declined. The mixing ratio of food waste and sugarcane leaves at 4∶1 obtained the best performance when gas production per unit dry mass reached 452.67 mL·g-1TS. Compared with the sole food waste fermentation, the TS and VS removal rate increased 6.43% and 11.98%, respectively.

food waste； sugarcane leaves； anaerobic digestion； biogas

2016-06-22

2016-10-13

羅 娟(1986-)，女，湖南人，博士，主要研究方向為生物質(zhì)能源技術(shù)裝備與環(huán)境保護，E-mail:emimi2008@126.com

李秀金，E-mail:xjli@mail.buct.edu.cn

S216.4; X705

A

1000-1166(2017)04-0021-06