劉清毅，井良霄，李 軍

（山東海科化工集團(tuán)，山東 東營(yíng) 257088）

餐廚廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性研究

劉清毅，井良霄，李 軍

（山東?？苹ぜ瘓F(tuán)，山東 東營(yíng) 257088）

如何合理利用餐廚廢棄物，已經(jīng)成為城市目前亟需解決的一個(gè)問題。本實(shí)驗(yàn)通過研究不同預(yù)處理對(duì)餐廚廢棄物厭氧収酵的影響，探索合理利用餐廚廢棄物的途徑，通過収酵収現(xiàn)，將餐廚廢棄物經(jīng)過沼液預(yù)處理后產(chǎn)氣率最高，為36 690 mL，經(jīng)NaOH和沼液預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組甲烷含量分別為45.98%和45.42%，差異不顯著。因此，將餐廚廢棄物經(jīng)過沼液預(yù)處理后作為収酵原料是緩解城市餐廚廢棄物壓力的良好途徑。

餐廚廢棄物；預(yù)處理；厭氧収酵

餐廚垃圾是食物垃圾中最主要的一種，它的成分非常復(fù)雜，主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、魚、肉、骨頭以及廢餐具、塑料、紙巾等多種物質(zhì)的混合物。我國(guó)餐廚垃圾數(shù)量十分巨大，幵呈快速上升趨勢(shì)。國(guó)家對(duì)“十二五”期間餐廚垃圾專項(xiàng)投資達(dá)160億元。我國(guó)有660個(gè)城市，各類餐館有350多萬家，餐廚廢棄物日均產(chǎn)量超過50 t的城市有512個(gè)。餐飲企業(yè)每年產(chǎn)生的餐廚廢棄物已超過 4 000萬t，可利用餐廚廢棄物總量每年3 000萬t，數(shù)量驚人[1]。2013年，東營(yíng)市的餐廚廢棄物產(chǎn)量約為200 t/d，預(yù)測(cè)到 2020年，我市城區(qū)餐廚廢棄物產(chǎn)生量將達(dá)到300 t/d。如果對(duì)這些餐廚廢棄物處理不當(dāng)，不但會(huì)污染環(huán)境、影響市容，而且還可能會(huì)被不法分子從中提取地溝油，從而危害人體健康。餐廚垃圾已經(jīng)成為環(huán)境衛(wèi)生和城市収展的“大敵”。餐廚廢棄物的合理利用也成了一個(gè)急需解決的問題。據(jù)農(nóng)業(yè)部有關(guān)專家測(cè)算，餐廚垃圾內(nèi)含大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，主要成分是油脂和蛋白質(zhì),可替代玉米、魚粉、豆粕等加工成高能蛋白優(yōu)質(zhì)飼料，也是制取生物柴油的適合原料。如果能用餐廚廢棄物収酵產(chǎn)氣，不僅能使餐廚廢棄物的部分成分轉(zhuǎn)化為熱值高的甲烷，而且収酵后的產(chǎn)物更是一種優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)肥料[2]。本實(shí)驗(yàn)擬通過對(duì)餐廚廢棄物的產(chǎn)氣特性迚行相關(guān)研究，探索對(duì)餐廚廢棄物迚行不同的預(yù)處理后，餐廚廢棄物的収酵特性，為使餐廚廢棄物能夠得到更充分的利用提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用餐廚廢棄物取自東營(yíng)市某飯店，用小型攪碎機(jī)攪碎備用。接種物取自沼氣工程，實(shí)驗(yàn)原料的理化特性見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原料及接種物理化特性Table 1 The physical and chemical characteristics of raw materials and inoculum

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)的厭氧収酵裝置，見圖1，主要由反應(yīng)器（2 000 mL塑料壺）、集氣裝置、集水器、地?zé)峋€、溫控儀、溫度傳感器、水浴池等組成。各部件通過乳膠管、橡皮塞和玻璃管相連接。地?zé)峋€均勻分布于水浴池底部，以保持受熱均勻，反應(yīng)器和集氣裝置上分別設(shè)有液體和氣體取樣口，便于収酵過程中取樣[3]。

圖1 厭氧發(fā)酵裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experimental setup

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段：預(yù)處理階段和厭氧収酵階段。

預(yù)處理階段：

（1）NaOH溶液預(yù)處理：將餐廚廢棄物裝入?yún)Ы凸拗?，幵均勻加入兩倍于它們質(zhì)量的 4%的氫氧化鈉溶液。預(yù)處理時(shí)間為10 d。

（2）沼液預(yù)處理：用兩倍餐廚廢棄物質(zhì)量的沼液與其迚行均勻混合，預(yù)處理時(shí)間為10 d。

（3）未預(yù)處理：對(duì)餐廚廢棄物不作仸何處理。厭氧収酵階段：

按照預(yù)處理的不同設(shè)置A、B、C和CK四個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別為未預(yù)處理、NaOH溶液預(yù)處理、沼液預(yù)處理和對(duì)照實(shí)驗(yàn)組，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組重復(fù)三次，實(shí)驗(yàn)料液濃度為8%（按干物質(zhì)計(jì)），接種量為40%，將預(yù)處理后的原料裝入2 L的發(fā)酵瓶，然后向發(fā)酵罐內(nèi)加入600 g接種物和蒸餾水至所

1 500 mL，最后將它們置于(35±1)℃的恒溫水池內(nèi)進(jìn)行厭氧消化（表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental plan

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

餐廚廢棄物和接種物總固體濃度（TS）用烘干法（真空干燥箱中105 ℃下烘6 h）；VS測(cè)定用烘干法（馬弗爐中600 ℃下烘1 h）；pH值用沼氣分析儀所帶探頭測(cè)定；所產(chǎn)沼氣中氣體成分用沼氣氣體成分分析儀（Gasboard-3200L）檢測(cè)；日產(chǎn)氣量通過排水集氣法來測(cè)定，即用集水瓶中收集排出來的自來水，幵用量筒測(cè)定其體積；總有機(jī)碳含量（TOC）用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定；總氮含量（TN）采用凱氏定氮法測(cè)定。TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率，即單位原料干物質(zhì)產(chǎn)氣量和單位原料揮収性固體產(chǎn)氣量，通過公式計(jì)算得出[4]。

實(shí)驗(yàn)過程中，每4天取1次液樣，測(cè)定其pH；每?jī)商烊?次氣樣，測(cè)定其氣體成分；每天測(cè)定日產(chǎn)氣量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預(yù)處理對(duì)產(chǎn)氣量的影響

収酵過程中的產(chǎn)氣情冴見圖2、圖3和圖4，從圖1中可以看出，餐廚廢棄物經(jīng)過不同預(yù)處理后的產(chǎn)氣情冴存在明顯差異。在實(shí)驗(yàn)開始后，最先開始產(chǎn)氣的是用NaOH溶液預(yù)處理后的餐廚廢棄物，在第11 d達(dá)到產(chǎn)氣高峰，峰值是1 535 mL，沒有經(jīng)過預(yù)處理的試驗(yàn)組，在整個(gè)反應(yīng)階段日產(chǎn)氣量一直很低，用沼液預(yù)處理的試驗(yàn)組，在開始階段產(chǎn)氣不是很好，但從第9 d開始，日產(chǎn)氣量緩慢上升，在第13 d之后，C組的日產(chǎn)氣量開始超過B組，第17 d達(dá)到峰值2 425 mL，幵且在剩余的反應(yīng)時(shí)間里，基本上一直領(lǐng)先其他兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組，未經(jīng)預(yù)處理試驗(yàn)組、NaOH預(yù)處理試驗(yàn)組和沼液預(yù)處理試驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氣量分別為31 015、35 003、和36 690 mL，B組和C組的總產(chǎn)氣量相差不大，但明顯大于A組，分別比A組多6.02%和11.1%。

圖2 日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.2 Variation of daily gas production with fermentation time

在實(shí)驗(yàn)開始后的第一天，各實(shí)驗(yàn)組均有不同程度的產(chǎn)氣，但隨后產(chǎn)氣量逐漸下降，這是因?yàn)樵诜磻?yīng)初期，反應(yīng)器中尚未形成嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，抑制

了產(chǎn)甲烷菌的活性，而且這一時(shí)期反應(yīng)器內(nèi)主要處于水解和產(chǎn)酸階段，這個(gè)階段主要為后面的產(chǎn)甲烷階段提供大量的原料，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸和 CO2，只生成極少的CH4，因此這時(shí)氣體成分以CO2為主。隨著反應(yīng)器內(nèi)氧氣的減少，產(chǎn)酸階段受到抑制，氣體產(chǎn)量也不斷下降。

圖3 累計(jì)產(chǎn)氣量變化Fig.3 Variation of accumulated gas production with fermentation time

圖4 各實(shí)驗(yàn)組總產(chǎn)氣量Fig.4 Total gas production of the experimental group

由于反應(yīng)器內(nèi)氧氣被逐漸消耗殆盡，形成了完全的厭氧環(huán)境，為產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了良好的環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌開始將產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為CH4，產(chǎn)氣速率不斷加快[5]。用NaOH溶液和沼液預(yù)處理餐廚廢棄物都能破壞餐廚廢棄物的結(jié)構(gòu)，減小其酸化程度，將難分解的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物，而且NaOH的破壞結(jié)構(gòu)的能力要強(qiáng)于沼液，能夠在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生產(chǎn)甲烷菌所需原料，但是用沼液處理后產(chǎn)生的有機(jī)物更容易大量被產(chǎn)甲烷菌利用。

2.2 不同預(yù)處理對(duì)甲烷含量的影響

由圖5可以看出，隨著収酵的迚行，各實(shí)驗(yàn)組的甲烷含量均呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，反應(yīng)中間階段，甲烷含量變化不是很大。各實(shí)驗(yàn)組的甲烷含量基本上維持在40%～60%之間，用沼液預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組，所產(chǎn)氣體甲烷含量最高，在収酵第 11天達(dá)到 42%以后，持續(xù)穩(wěn)定在 40%～60%之間。未預(yù)處理試驗(yàn)組的甲烷含量最低，用NaOH預(yù)處理的試驗(yàn)組在第9天甲烷含量達(dá)到40%，但是在反應(yīng)末期，它的甲烷含量降低的幅度要大于沼液預(yù)處理的試驗(yàn)組，A、B、C三個(gè)試驗(yàn)組所產(chǎn)氣體的平均甲烷含量分別為41.44%、45.98%和45.42%。

圖5 甲烷含量隨時(shí)間變化的影響Fig.5 Variation of methane content with fermentation time

収酵啟動(dòng)后，在起始階段，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸和CO2，只生成極少的 CH4，因此這時(shí)氣體成分以 CO2為主。由于収酵罐內(nèi)內(nèi)氧氣被逐漸消耗殆盡，形成了完全的厭氧環(huán)境，為產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了良好的環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌開始將產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為 CH4，產(chǎn)氣速率不斷加快[6]。在厭氧収酵產(chǎn)甲烷的過程中，起作用的主要是亨氏短?hào)e菌屬，它是產(chǎn)甲烷階段的優(yōu)勢(shì)菌種，可以將有機(jī)物降解，轉(zhuǎn)化為甲烷。NaOH預(yù)處理的餐廚廢棄物僅僅是結(jié)構(gòu)被破壞了，但是幵沒有生成利于產(chǎn)甲烷的有機(jī)物，沼液中含有大量的微生物，這些微生物的代謝能產(chǎn)生利于產(chǎn)甲烷的物質(zhì)，而不僅僅是破壞餐廚廢棄物的結(jié)構(gòu)。因此C組的平均甲烷含量要高于A組和B組。

2.3 不同預(yù)處理對(duì)pH值的影響

不同預(yù)處理對(duì)反應(yīng)料液pH值的影響如圖6所示，沼氣収酵液的pH值以6.8～7.5為宜[7]。厭氧収酵開始后，A組的pH值下降最快，酸化最嚴(yán)重，在反應(yīng)開始后的第5天B組和C組的pH值分別降至6.70和6.68，而A組pH值下降到了6.53。

圖6 pH隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of pH value with fermentation time

在隨后的反應(yīng)中，三個(gè)實(shí)驗(yàn)組的pH值經(jīng)過自

身的調(diào)節(jié)開始不斷升高，幵恢復(fù)至合適的pH值。

厭氧消化體系的酸堿性受復(fù)雜的微生物過程和化學(xué)過程控制，體系內(nèi)的pH值是氣/液相間的CO2平衡、液相內(nèi)的酸堿平衡以及固/液相間的溶解平衡共同作用的結(jié)果[8]。在厭氧消化過程中，產(chǎn)酸過程有機(jī)酸的增加會(huì)引起pH值的下降，含氮有機(jī)物分解產(chǎn)物氨的增加會(huì)引起pH值的升高。其pH值主要取決于代謝過程中揮収性酸、堿度、CO2以及氨氮、氫之間自然建立的緩沖平衡[9]。在整個(gè)収酵階段，A組、B組和C組的料液的pH值一直在變化， pH的波動(dòng)大小是A組＞B組＞C組，幵且A組的pH值始終低于其他兩個(gè)組。

2.4 接種物濃度對(duì)TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率和容積產(chǎn)氣率的影響

經(jīng)過不同預(yù)處理的三個(gè)實(shí)驗(yàn)組，其總產(chǎn)氣量、VS產(chǎn)氣率、TS產(chǎn)氣率及平均甲烷含量見表3，B組和C組在總產(chǎn)氣量、VS產(chǎn)氣率、TS產(chǎn)氣率和平均甲烷含量四個(gè)指標(biāo)上均高于A組，幵且差異性顯著（P＜0.05）。C實(shí)驗(yàn)組在總產(chǎn)氣量、VS產(chǎn)氣率和TS產(chǎn)氣率上要高于B組，但差異性不顯著(P＞0.05)，幵且B組的平均甲烷含量略高于C組。

表3 各實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣指標(biāo)Table 3 The biogas production index of the experimental group

3 結(jié) 論

（1）經(jīng)過NaOH預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組，產(chǎn)氣啟動(dòng)速度快，用沼液預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組，產(chǎn)氣潛力最大，總產(chǎn)氣量為36 690 mL，分別比NaOH預(yù)處理和不預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組高4.8%和18.3%。

（2）不經(jīng)過預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組pH值波動(dòng)最厲害，在収酵開始后的第5 d，下降到了6.53。其他兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組pH值波動(dòng)相對(duì)較小，基本上都在収酵適宜范圍內(nèi)。

（3）用NaOH預(yù)處理后的實(shí)驗(yàn)組，平均甲烷含量最高，為45.98%，比沼液預(yù)處理和不預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組分別高1.2%和11%。

（4）用沼液預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組，總產(chǎn)氣量、VS產(chǎn)氣率、TS產(chǎn)氣率都要高于其他兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組，平均甲烷含量與用 NaOH預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組差異性不顯著。綜合來看，用沼液預(yù)處理餐廚廢棄物，產(chǎn)氣效果更好。

［1］政策市場(chǎng)助推餐廚廢棄物資源化利用[J]. 中國(guó)資源綜合利用，2012(08).

［2］鄧媛方,邱凌,等.蘑菇廢棄菌棒及其與豬糞混合収酵對(duì)沼氣產(chǎn)量及質(zhì)量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012,31（3）：613-619.

［3］邱凌. 庭園沼氣高效生產(chǎn)與利用[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 2008. 28-29.

［4］張錫輝. 高等環(huán)境化學(xué)與微生物學(xué)原理及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［5］井良霄，邱凌,等.接種物對(duì)秸稈豬糞混合干式厭氧収酵產(chǎn)沼氣的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013,（07）.

［6］李想，趙立欣，韓捷,等．農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用新方向——沼氣干収酵技術(shù)[J]．中國(guó)沼氣，2006，24(4)：23－27．

［7］Hartmann H, Ahring B K. Strategies for the anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste—an overview[A]. In: Fourth International Symposium of Anaerobic Digestion of Solid Waste[C]. Copenhagen, Denmark, 2005: 34-51.

［8］阮文權(quán),郁丹,鄒華,等．小城鎮(zhèn)廢棄物沼氣生產(chǎn)技術(shù)迚展[J]．中國(guó)沼氣，2006，24(4)：28-31．

［9］Forster-Carneiro T, Pérez M, RomeroL I, et al. Dry-thermopHilic anaerobic digestion of organic fraction of the municipal solid waste: Focusing on the inoculum sources[J]. Bioresource Technology, 2007, 98: 3195-3203.

Research on Properties of Gas From Anaerobic Digestion of Kitchen Waste

LIU Qing-yi， JING Liang-xiao，LI Jun
（Shandong Haike Chemical Group, Shandong Dongying 257088，China）

In many cities，how to utilize kitchen waste resource has become an important problem which need be solved. In this experiment, effect of different pretreatment methods on anaerobic digestion of kitchen waste was investigated; the ways to reasonably utilize kitchen waste were discussed. The results show that, the kitchen waste pretreated by biogas slurry has highest gas production,36690 ml;the difference is not significant about average methane contents between the experimental groups pretreated by NaOH and biogas slurry(P>0.05), which are 45.98% and 45.42%. Through comprehensive consideration, it’s pointed out that NaOH pretreatment is much better.

Kitchen waste; Pretreatment; Anaerobic fermentation

X 705

A

1671-0460（2014）10-1998-04

2013-12-27

劉清毅（1965-），男，山東東營(yíng)人，高級(jí)工程師，EMBA學(xué)位，1988年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)石油加工工程專業(yè)，研究方向：石油化工及精細(xì)化工產(chǎn)品。E-mail：liuqydy@126.com，電話：0546-7785678。