甘蔗物料與餐廚垃圾協(xié)同厭氧發(fā)酵及工程參數(shù)分析

田啟歡， 姚建剛， 譚 婧， 陳 堯

(1.杭州能源環(huán)境工程有限公司， 浙江 杭州 310020； 2.浙江省生物燃料利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310014； 3.廣西維爾利環(huán)保技術(shù)開發(fā)有限公司， 廣西 南寧 530112)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平日益提高，能源短缺問(wèn)題不斷顯現(xiàn)，生物質(zhì)能因其清潔安全、資源豐富、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)被視為最有潛力的可再生能源之一[1]。南方地區(qū)甘蔗的年產(chǎn)量達(dá)7000萬(wàn)t，基于甘蔗渣的綜合利用，符合國(guó)家倡導(dǎo)的可再生能源發(fā)展規(guī)劃的生物燃料基礎(chǔ)原料[2]。餐廚垃圾是指居民生活、食品加工、飲食服務(wù)等活動(dòng)中產(chǎn)生的食物廢料，是第二大城市生活垃圾產(chǎn)生源[3]。將餐廚垃圾進(jìn)行厭氧發(fā)酵進(jìn)行資源和能源化，由于高油脂、高鹽分、高蛋白、高 COD含量、低 pH 值等特點(diǎn)，容易導(dǎo)致發(fā)酵體系酸化，單純餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的問(wèn)題有較多研究和工程案例[4-5]。采取有效措施處理甘蔗渣和餐廚垃圾是實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物資源化利用，推進(jìn)城市綠色可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。沼氣生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)廢棄物主要是秸稈和動(dòng)物糞便，對(duì)單一形式的原料已不能滿足迅速發(fā)展的沼氣工程建設(shè)，因此需要探索多種原料混合發(fā)酵協(xié)同生產(chǎn)生物沼氣的技術(shù)工藝[6]。由于甘蔗渣等農(nóng)林廢棄物 C/N 較高，而餐廚垃圾通常具有高鹽、高油、高蛋白的特性，將兩者進(jìn)行共發(fā)酵能夠有效地相互促進(jìn)，在發(fā)酵底物中形成最佳的營(yíng)養(yǎng)供給，從而充分地保證了微生物的活性，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力，使厭氧發(fā)酵高效穩(wěn)定運(yùn)行，提高沼氣產(chǎn)量[7]。混合發(fā)酵同時(shí)預(yù)處理發(fā)酵原料，同時(shí)也有效提高發(fā)酵原料的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化率。與餐廚垃圾相比甘蔗渣酸化時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，將兩者進(jìn)行混合發(fā)酵可以緩解餐廚垃圾的酸化程度，避免厭氧細(xì)菌生長(zhǎng)被抑制，提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)餐廚垃圾與甘蔗渣、牛糞等的共發(fā)酵可以更好地提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善營(yíng)養(yǎng)平衡和有機(jī)負(fù)荷，降低化合物的毒性[8-9]。

本試驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用為宗旨，著重關(guān)注于甘蔗物料和餐廚垃圾混合發(fā)酵生產(chǎn)生物質(zhì)綠色能源沼氣。試驗(yàn)過(guò)程分別以餐廚垃圾、甘蔗物料作為單一物料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，同時(shí)以混合物料厭氧發(fā)酵，通過(guò)對(duì)比產(chǎn)甲烷效果，驗(yàn)證混合原料協(xié)同厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物沼氣的良好性能。并通過(guò)混合物料的工程運(yùn)行的過(guò)程參數(shù)分析，為甘蔗物料和餐廚垃圾的資源化利用問(wèn)題提供一定的技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)餐廚垃圾來(lái)自廣西南寧市武鳴區(qū)各高校及飯店，經(jīng)過(guò)人工將塑料袋、瓶蓋、筷子等雜質(zhì)篩分，破碎擠壓后得到的漿料。甘蔗物料取自武鳴區(qū)甘蔗種植地甘蔗秸稈及廢棄尾葉等，經(jīng)過(guò)破碎機(jī)破碎后，人工剪至粒徑小于2 cm。接種物取自廣西維爾利環(huán)保技術(shù)開發(fā)有限公司正常運(yùn)行的生物天然氣項(xiàng)目的厭氧消化沼液池。

本試驗(yàn)餐廚垃圾、甘蔗物料和接種物，具體成分見表1。

表1 原料理化特性 (%)

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用1000 mL的廣口瓶作為厭氧發(fā)酵瓶，集氣瓶1000 mL和排水量筒1000 mL組合。發(fā)酵瓶置于恒溫水浴鍋中，溫度控制在為35℃±1℃。廣口瓶用橡膠塞密封，塞上插入不銹鋼管導(dǎo)氣，發(fā)酵裝置和集氣裝置用乳膠管連接。采用排水集氣法收集沼氣。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

發(fā)酵潛力試驗(yàn)設(shè)置餐廚垃圾、甘蔗物料兩種單一物料，混合物料為模擬工程運(yùn)行的配比物料(按鮮重比甘蔗物料∶餐廚垃圾=10∶1)。為了防止試驗(yàn)中受到酸抑制和保證較好的物質(zhì)擴(kuò)散，基于VS底物/VS菌種≤0.5，分別取30 g、25 g、45 g置于發(fā)酵瓶中，接種率按德國(guó)VDI能源手冊(cè)，加入接種物600 g,充分混合均勻后密封，置于溫度為35℃±1℃的恒溫水浴鍋中。每日早晚手動(dòng)搖晃發(fā)酵瓶1次，定時(shí)測(cè)量產(chǎn)氣量，同時(shí)測(cè)量CH4含量。每組試驗(yàn)均設(shè)置3組平行組。

混合物料沼氣工程項(xiàng)目利用甘蔗物料和餐廚垃圾混合，采用CSTR全混式厭氧發(fā)酵罐經(jīng)中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，利用膜分離沼氣提純凈化工藝，去除其中的H2S、CO2等主要雜質(zhì)，再經(jīng)脫水壓縮成為高壓生物天然氣。

1.4 檢測(cè)方法

原料的總固體(Total solid，TS)與揮發(fā)性固體(Volatile solid，VS)的測(cè)定采用重量法；采用沼氣分析儀(ADOS-Biogas 401，ADOS，德國(guó))測(cè)試沼氣成分；批式試驗(yàn)沼氣流量采用排水法測(cè)量，沼氣工程采用熱質(zhì)式流量計(jì)(Proline t-mass 65，Endress+Hauser，德國(guó))測(cè)量沼氣流量；采用便攜式pH計(jì)(PHS-2C，雷磁)測(cè)定pH值。其他指標(biāo)外送正規(guī)機(jī)構(gòu)檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同物料產(chǎn)氣特性

2.1.1 不同物料日產(chǎn)氣量特性

不同物料厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量情況如圖1所示。餐廚垃圾日產(chǎn)氣規(guī)律不同于其他兩種物料，是由于其蛋白質(zhì)、油脂等有機(jī)物含量高，在微生物作用下易被分解。發(fā)酵過(guò)程初期產(chǎn)酸菌群利用物料中的可溶性有機(jī)物，產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸累積，造成體系pH值下降，導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制[10-11]，產(chǎn)氣量會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)有較大的波動(dòng)，出現(xiàn)多個(gè)產(chǎn)氣峰值?；旌衔锪系漠a(chǎn)氣較餐廚垃圾波動(dòng)小，秸稈的纖維結(jié)構(gòu)提高了物料的孔隙率，增強(qiáng)了餐廚物料對(duì)微生物環(huán)境的緩沖能力，更加適宜產(chǎn)甲烷微生物的生存[12]。餐廚垃圾的日產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)在第8天和第13天，分別為434.0 mL和370.0 mL?；旌衔锪袭a(chǎn)氣峰值較餐廚垃圾提前，為4 d和13 d，產(chǎn)氣量分別為392.0 mL和418.0 mL。甘蔗物料日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)在第5天，為256.5 mL。

圖1 不同物料日產(chǎn)沼氣量

2.1.2 不同物料產(chǎn)氣率特性

圖2為不同物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率情況。一般認(rèn)為物料反應(yīng)初期氣體成分主要是CO2和H2等，隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)行，產(chǎn)氣率逐漸趨于平緩。餐廚垃圾物料產(chǎn)氣率最高，為167.32 mL·g-1，混合物料產(chǎn)氣率為140.34 mL·g-1，單一甘蔗物料則為90.18 mL·g-1。依據(jù)本研究可知，甘蔗秸稈中混入9.09%的餐廚垃圾，整體的物料產(chǎn)氣率較單一的甘蔗物料提高55.63%。混合物料累積產(chǎn)氣速率較其他兩種物料平緩，是由于甘蔗物料與餐廚垃圾進(jìn)行協(xié)調(diào)共發(fā)酵有利于維持發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性[13]，隨著甘蔗物料產(chǎn)氣性能減弱，產(chǎn)氣性能與餐廚垃圾保持一致。

圖2 不同物料產(chǎn)沼氣率

2.1.3 不同物料TS、VS及甲烷產(chǎn)氣特性

物料TS和VS/TS是厭氧發(fā)酵的重要參數(shù)，由表1數(shù)據(jù)可知，餐廚垃圾和甘蔗物料的有機(jī)含量均較高，VS/TS高達(dá)90%[14]。從表2可以看出，混合物料的TS產(chǎn)氣率為774.52 mL·g-1TS，較甘蔗物料提高103.34%。同時(shí)對(duì)比產(chǎn)氣時(shí)間T50和T70，混合物料較餐廚垃圾均提前，由于產(chǎn)氣周期的增加，較甘蔗物料分別退后4 d和5 d。甲烷含量及甲烷產(chǎn)氣率方面，餐廚垃圾的添加可明顯提升甘蔗物料的甲烷含量和甲烷產(chǎn)率。將餐廚垃圾與甘蔗物料進(jìn)行混合發(fā)酵，不僅有效處理餐廚垃圾，還有效促進(jìn)甘蔗物料的產(chǎn)氣效率，與餐廚垃圾和甘蔗物料單獨(dú)厭氧發(fā)酵相比，混合物料厭氧消化的產(chǎn)甲烷效率提高，厭氧發(fā)酵裝置產(chǎn)氣效率也有提高。

表2 原料產(chǎn)氣率特性

2.2 混合物料沼氣工程運(yùn)行參數(shù)分析

2.2.1 日處理量及物料產(chǎn)氣率參數(shù)變化

本項(xiàng)目日處理甘蔗物料100 t，餐廚廢棄物10 t。取正常運(yùn)行80 d的一個(gè)產(chǎn)氣區(qū)間為對(duì)象，分析日處理量與物料產(chǎn)氣率的關(guān)系，如圖3所示。在運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，由于原料和設(shè)備運(yùn)行問(wèn)題，甘蔗物料和餐廚垃圾進(jìn)料量的變化，物料產(chǎn)氣率出現(xiàn)上下波動(dòng)，物料產(chǎn)氣率整體在100～150 m3·t-1波動(dòng)，與上文混合物料產(chǎn)氣率相符。

圖3 混合物料投入量與物料產(chǎn)氣率的關(guān)系

2.2.2 pH值參數(shù)變化

混合物料厭氧發(fā)酵體系pH值變化如圖4所示，可知厭氧罐內(nèi)混合物料pH值始種處于一種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，pH值維持在7.9左右，該條件下厭氧發(fā)酵體系微生物活性好，產(chǎn)甲烷性能穩(wěn)定[15]。二級(jí)厭氧罐物料pH值較一級(jí)厭氧罐穩(wěn)定，CSTR全混式厭氧反應(yīng)器可使物料保持流動(dòng)的全混狀態(tài)，保證發(fā)酵原料與微生物的接觸，避免物料局部酸化等現(xiàn)象。

圖4 混合物料厭氧發(fā)酵體系pH值

2.2.3 CH4含量參數(shù)變化及利用方式

圖5為混合物料厭氧發(fā)酵系統(tǒng)在80 d區(qū)間內(nèi)的CH4含量，可見發(fā)酵體系CH4含量較平穩(wěn)，均值為59.63%±3.35%，呈現(xiàn)較高的甲烷含量。該項(xiàng)目為中央預(yù)算內(nèi)規(guī)?；锾烊粴夤こ淘圏c(diǎn)項(xiàng)目，以設(shè)計(jì)日產(chǎn)沼氣量4.11萬(wàn)Nm3(甲烷含量按60%計(jì))，沼氣經(jīng)過(guò)脫硫、脫水、膜分離等工藝提純后獲得的生物燃?xì)饧淄楹靠蛇_(dá)97%以上，經(jīng)凈化提純后日產(chǎn)生物天然氣2萬(wàn)Nm3，年產(chǎn)生物天然氣730萬(wàn)Nm3。生物天然氣熱值完全滿足GB18047—2000 車用壓縮天然氣要求，符合GB17820—1999天然氣II類以上標(biāo)準(zhǔn)，可用作車用燃?xì)饣虿⑷氤擎?zhèn)天然氣管網(wǎng)[16]。在項(xiàng)目調(diào)試運(yùn)行中，1 m3沼氣通過(guò)提純凈化后可轉(zhuǎn)化天然氣0.55 m3以上。

圖5 混合物料厭氧發(fā)酵體系CH4含量

沼氣一般可根據(jù)建設(shè)規(guī)模和用途，除提純作天然氣，還可用來(lái)發(fā)電并網(wǎng)、熱電聯(lián)產(chǎn)等。沼氣具有較高的熱值(20～23 MJ·m-3)，國(guó)產(chǎn)機(jī)組電效率在30%～35%，1 m3沼氣(CH4含量55%～65%)可發(fā)電1.8 kW·h左右；國(guó)外機(jī)組電效率35%～42%，1 m3沼氣則可發(fā)電2.0～2.2 kW·h。基于沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)是一種同時(shí)滿足熱(冷)、電等多種能量需求的能源供給方式，可選擇“以電定熱”、“以熱定電”等多種模式。

3 結(jié)論

(1)餐廚垃圾的加入，提升了甘蔗物料的日產(chǎn)氣量，協(xié)同作用下減緩了餐廚垃圾單一物料日產(chǎn)氣量的波動(dòng)?；旌衔锪系漠a(chǎn)氣峰值較餐廚垃圾提前，混合物料產(chǎn)氣峰值為第4天，餐廚垃圾的日產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)在第8天。餐廚垃圾物料產(chǎn)氣率最高，混合物料產(chǎn)氣率為140.34 mL·g-1，單一甘蔗物料則為90.18 mL·g-1，混合物料產(chǎn)氣率較單一的甘蔗物料提高55.63%?；旌衔锪系腡S產(chǎn)氣率為774.52 mL·g-1TS，較甘蔗物料提高103.34%。餐廚垃圾的添加可明顯提升甘蔗物料的甲烷含量和甲烷產(chǎn)率。將餐廚垃圾與甘蔗物料進(jìn)行混合發(fā)酵，不僅有效處理餐廚垃圾，還有效促進(jìn)甘蔗物料的產(chǎn)氣效率，提高厭氧發(fā)酵裝置的產(chǎn)氣效率。

(2)基于日處理甘蔗廢棄物100 t，餐廚廢棄物10 t的沼氣工程，混合物料產(chǎn)氣率整體在100～150 m3·t-1，與上文混合物料產(chǎn)氣率相符。CSTR全混式厭氧反應(yīng)器可使物料保持流動(dòng)的全混狀態(tài)，pH值維持在7.9左右?；旌衔锪蠀捬醢l(fā)酵系統(tǒng)CH4含量均值在59.63%±3.35%，呈現(xiàn)較高的甲烷含量。在項(xiàng)目調(diào)試運(yùn)行中，1 m3沼氣通過(guò)提純凈化后可轉(zhuǎn)化天然氣0.55 m3以上,可依據(jù)工程規(guī)模和利用途徑，用來(lái)發(fā)電并網(wǎng)、熱電聯(lián)產(chǎn)或提純天然氣等。