餐廚垃圾中的不同組分厭氧消化特性研究

劉德江， 侯鳳蘭， 李 瑜， 馬 芳， 陳宗軼

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

隨著我國(guó)餐飲業(yè)的快速發(fā)展和人們生活水平的日益提高，餐廚垃圾的排放量急劇增長(zhǎng)，目前，我國(guó)每年產(chǎn)生城市餐廚垃圾約1億t，大量的餐廚垃圾不僅帶來了一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，而且也造成了大量生物質(zhì)能源的浪費(fèi)[1-2]。厭氧消化技術(shù)是現(xiàn)階段比較適合于我國(guó)國(guó)情和餐廚垃圾性質(zhì)特點(diǎn)的處理技術(shù)之一，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪是食物中的3大有機(jī)成分，也是餐廚垃圾的主要組成成分。隨著人們生活水平的逐步提高和飲食結(jié)構(gòu)的改變，蔬菜在一日三餐中的比例越來越大。因此，蔬菜(葉菜類、茄果類)已成為餐廚垃圾的第4種組分，蔬菜中的有機(jī)物主要為纖維素和維生素。李榮平[3]等人測(cè)定出了餐廚垃圾中這4種有機(jī)組分所占的比例：碳水化合物為42.5%～55.2%，蛋白質(zhì)為15.0%～16.9%，脂肪為16%～24%，蔬菜為14%～20%。在厭氧消化過程中，由于脂肪的組成中含有較高的碳?xì)湓乇壤鼙忍妓衔锖偷鞍踪|(zhì)產(chǎn)生更多的甲烷氣體。但是當(dāng)脂肪含量過高時(shí)，容易造成脂肪酸的積累，從而抑制產(chǎn)甲烷的過程。碳水化合物中含有較多的多糖，易水解成葡萄糖進(jìn)而再變成乙酸，在產(chǎn)甲烷菌的作用下產(chǎn)生甲烷，因此易發(fā)生厭氧消化作用。蛋白質(zhì)水解后生成多肽和氨基酸，在產(chǎn)酸菌的作用下生成丙酸，再產(chǎn)生甲烷。蔬菜中的纖維素和維生素則不易水解、酸化生成乙酸等小分子有機(jī)物，因而產(chǎn)生甲烷的數(shù)量不會(huì)太多。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究餐廚垃圾厭氧消化特性的文獻(xiàn)報(bào)道很多，但大多是混合組分的沼氣發(fā)酵。有關(guān)餐廚垃圾分類收集組分、并針對(duì)不同組分進(jìn)行厭氧消化方面的研究報(bào)道則很少見，類似的文獻(xiàn)也不多。本研究針對(duì)餐廚垃圾中的四種主要組成分的厭氧消化特性開展研究，旨在探討不同組分的餐廚垃圾產(chǎn)甲烷的規(guī)律，為餐廚垃圾的能源化利用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的原料采自新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生食堂，采取分類收集的方式采集4種不同組分：1)純碳水化合物類(米飯、面條、饅頭等)； 2)純油脂類(動(dòng)物脂肪及植物油等)； 3)純蛋白質(zhì)類(豆腐、雞蛋等)； 4)純蔬菜類(葉菜、茄果、食用菌等)。每種組分的總固體(TS)及揮發(fā)性固體(VS)含量詳見表1。4類樣品分別用餐廚垃圾粉碎機(jī)(ML-C620)研磨至3～5 mm大小，在厭氧消化之前冷藏在-20℃冰箱內(nèi)。接種污泥(SS)取自新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)沼氣池底部的沼渣，其性能指標(biāo)詳見表2。試驗(yàn)之前將接種污泥置于35℃，120 r·min-1的搖床內(nèi)搖動(dòng)24 h，以減少內(nèi)生甲烷氣體對(duì)結(jié)果的影響。

表1 餐廚垃圾不同組分的TS及VS含量 (%)

表2 接種污泥(SS)的性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置4種發(fā)酵原料：處理1：純碳水化合物類； 處理2：純油脂類； 處理3：純蛋白質(zhì)類；處理4：純蔬菜類。發(fā)酵瓶的有效容積為5 L，發(fā)酵液的濃度(TS)均設(shè)定為60 g·L-1，則4個(gè)處理所投入的原料量為： 處理1:300 g/35% =857 g； 處理2:300 g/28%=1072 g； 處理3：300 g/25%=1200 g； 處理4:300 g/12%=2500 g。

1.3 試驗(yàn)方法

將4種發(fā)酵原料分別置入4個(gè)容量瓶中，加入等量的接種物，攪拌搖勻后靜置3 d，以馴化沼氣微生物。然后分別加水至5 L容積，充入氮?dú)庖员３职l(fā)酵瓶?jī)?nèi)的厭氧環(huán)境，立即密封發(fā)酵瓶口，連接好導(dǎo)氣裝置，開始進(jìn)行厭氧發(fā)酵。發(fā)酵溫度為35℃恒溫，將發(fā)酵瓶放入水浴鍋中。

1.4 分析指標(biāo)與方法

總固體(TS):重量法，CS101-3 電熱鼓風(fēng)干燥器；pH值:玻璃電極法，pHS-3C型pH計(jì)；VS:600℃下灼燒減重，馬弗爐；產(chǎn)氣量:濕式流量計(jì)測(cè)定法，LML-3型濕式氣體流量計(jì)；氣體成分:紅外測(cè)定法，GAS BOARD 2000。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同組分厭氧消化的日產(chǎn)氣量

每天觀測(cè)記錄每升發(fā)酵液的產(chǎn)氣量，45 d的產(chǎn)氣量如圖1所示。

圖1 4種組分厭氧消化的日產(chǎn)氣量

由圖1可知，在45 d的厭氧消化周期內(nèi)，4種不同組分的發(fā)酵原料均出現(xiàn)了兩次產(chǎn)氣高峰，第1次約出現(xiàn)在第15天，第2次出現(xiàn)在第35天。餐廚垃圾的組分不同，其日產(chǎn)沼氣量也有差異，油脂類和蛋白質(zhì)類餐廚的產(chǎn)氣量大小很接近，碳水化合物類與蔬菜類餐廚的產(chǎn)氣量也很接近。在45 d的厭氧消化期內(nèi)，累計(jì)產(chǎn)氣量的大小次序?yàn)椋河椭惒蛷N>蛋白質(zhì)類餐廚>碳水化合物類餐廚>蔬菜類餐廚。油脂類和蛋白質(zhì)類餐廚的產(chǎn)氣量遠(yuǎn)大于蔬菜類及碳水化合物類餐廚。在第1次產(chǎn)氣高峰時(shí)，油脂類餐廚和蛋白質(zhì)類餐廚的日產(chǎn)氣量分別達(dá)到了630 mL·L-1d-1和60 mL·L-1d-1，產(chǎn)氣量最小的是蔬菜類餐廚，只有430 mL·L-1d-1。這與李榮平[3]和覃亞宏[4]等人的試驗(yàn)結(jié)果是基本上一致的。再次表明了油脂類及蛋白質(zhì)類餐廚具有較高的產(chǎn)氣潛能，而蔬菜類餐廚的產(chǎn)氣量較低，分析其原因：一是油脂和蛋白質(zhì)中含有較高的碳?xì)湓乇壤鼙忍妓衔锂a(chǎn)生更多的甲烷氣體,而蔬菜中的纖維素和維生素則不易水解、酸化生成乙酸等小分子有機(jī)物，因而產(chǎn)生甲烷的數(shù)量就不會(huì)太多；二是蔬菜中的干物質(zhì)含量較低、含水量較大，揮發(fā)性固體的含量?jī)H是油脂、蛋白質(zhì)和碳水化合物的1/3～1/2 ，所以，蔬菜類餐廚產(chǎn)甲烷的潛力就較小。

2.2 不同組分厭氧消化的產(chǎn)氣率

在厭氧消化結(jié)束時(shí)，分別計(jì)算出4種不同餐廚組分揮發(fā)性有機(jī)固體(VS)的產(chǎn)氣率(mL·g-1VS·d-1)，其結(jié)果詳見圖2。

圖2 4種組分厭氧消化的日產(chǎn)氣率

從圖2中可以看出：4種不同餐廚組分在45 d的厭氧消化期間，產(chǎn)氣率變化規(guī)律大致相同，第1天～30天逐漸增加并達(dá)到最大的產(chǎn)氣率，之后相對(duì)穩(wěn)定，第40天后又逐漸降低。單位質(zhì)量的揮發(fā)性固體所產(chǎn)沼氣的數(shù)量，即累計(jì)產(chǎn)氣率(mL·g-1VS)，4種餐廚垃圾的累計(jì)產(chǎn)氣率差異不太大，在消化結(jié)束時(shí)，處理1～處理4單位VS累計(jì)產(chǎn)氣量分別為227 mL，454 mL，410 mL和215 mL。單位VS累計(jì)產(chǎn)氣量(mL·g-1VS)較高的兩類餐廚依然是油脂類和蛋白質(zhì)類；較低的是蔬菜類。這與Ruihong Zhang[5]等在中溫條件下，獲得的餐廚垃圾(每克VS)累積甲烷產(chǎn)量472 mL·g-1，以及Cho，Park和Heo[6]等所報(bào)道的489 mL·g-1VS，相差不大。而與徐衣顯[7]等采用連續(xù)半干式餐廚垃圾高溫(55℃)厭氧消化，所獲得的累計(jì)產(chǎn)氣率973.2 mL·g-1VS相比，偏低了近2倍。再次表明，揮發(fā)性固體的累計(jì)產(chǎn)氣率(mL·g-1VS)不僅與餐廚垃圾的來源和組成成分有關(guān)，而且還與發(fā)酵方式及溫度的高低有關(guān)。

2.3 不同組分厭氧消化的甲烷含量

4個(gè)處理的甲烷含量詳見圖3所示。圖3表明：在消化過程的前10天，甲烷含量持續(xù)增加，從10%迅速提高到40%以上。在第10天之后，4種發(fā)酵原料所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量變化在45%～65.1%之間，在第30天后，各處理的甲烷含量開始緩慢下降。從圖3可看出：在45 d的發(fā)酵期內(nèi)，日平均甲烷含量的大小順序?yàn)椋河椭?蛋白質(zhì)類>碳水化合物類>蔬菜類。油脂類與蛋白質(zhì)類幾乎相等，碳水化合物類與蔬菜類十分接近。分析其原因是：油脂類和蛋白質(zhì)類化合物含有較多的C和H元素，易水解生成乙酸、丙酸和甘油等物質(zhì)，在產(chǎn)甲烷菌的作用下能產(chǎn)生較多的甲烷；而碳水化合物及蔬菜類中含有較多的纖維素及木質(zhì)素等物質(zhì)，水解程度較困難。

圖3 4種組分厭氧消化的甲烷含量

2.4 不同組分厭氧消化期周內(nèi)pH值的變化

系統(tǒng)pH值對(duì)厭氧消化反應(yīng)穩(wěn)定性至關(guān)重要，其變化能夠直觀體現(xiàn)反應(yīng)過程中產(chǎn)氣環(huán)境的好壞，4種組分厭氧消化液的pH值變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出：在厭氧消化的前10天之內(nèi)，4種組分發(fā)酵液的pH值均保持在7以下，表明在發(fā)酵初期(即酸化階段)，消化液中含有較多的有機(jī)酸。第10天至第30天，pH值就從7緩慢提高到8，表明在產(chǎn)甲烷階段，有機(jī)酸逐漸被微生物分解生成了甲烷，達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)氣階段。第30天以后，碳水化合物和蔬菜類的pH值穩(wěn)定在7.5～7.9之間，而蛋白質(zhì)和油脂類的pH值穩(wěn)定在8～8.2之間。在整個(gè)厭氧消化期間，不同組分的消化液pH值并沒有出現(xiàn)因水解酸化導(dǎo)致pH值急劇下降的情況，也沒有出現(xiàn)因產(chǎn)甲烷導(dǎo)致pH值急劇升高的現(xiàn)象。證明反應(yīng)器內(nèi)微生物環(huán)境的緩沖能力較強(qiáng)，能夠自行調(diào)節(jié)pH值。這與裴占江[9]和董濱[10]等人的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖4 4種組分厭氧消化的pH值變化

3 結(jié)論

(1)餐廚垃圾的不同組分均可厭氧消化生產(chǎn)沼氣，但所產(chǎn)生甲烷的數(shù)量是不一樣的。在45 d的厭氧消化期內(nèi)，單位質(zhì)量的VS(即每克揮發(fā)性固體)累計(jì)產(chǎn)氣量的大小次序?yàn)椋河椭?蛋白質(zhì)類>碳水化合物類>蔬菜類。4類餐廚的數(shù)值差異較大，最高的為油脂類，達(dá)到了454 mL·g-1VS；最低的為蔬菜類，只有215 mL·g-1VS 。

(2)4種不同組分的餐廚垃圾所產(chǎn)沼氣的氣體組成差異不大，尤其是甲烷的含量相差不顯著，均變化在45%～65%之間。但日平均甲烷含量的大小順序?yàn)椋河椭?蛋白質(zhì)類>碳水化合物類>蔬菜類。

(3)在整個(gè)厭氧消化期間，不同發(fā)酵組分的消化液pH值較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)因水解酸化導(dǎo)致急劇下降或因產(chǎn)甲烷導(dǎo)致pH值急劇升高的現(xiàn)象。

(4)綜合比較4種餐廚組分的厭氧消化效率，以蛋白質(zhì)類及油脂類的產(chǎn)氣效率較高，其次為碳水化合物類，最差的是蔬菜類。此結(jié)論可為餐廚垃圾的處理提供依據(jù)。