朱洪艷 王粟 裴占江 等

摘要：為了解決餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵時(shí)容易發(fā)生酸化等問題，以餐廚垃圾和牛糞為原料，在35 ℃下，采用批式厭氧發(fā)酵方法，研究了不同餐廚垃圾和牛糞配比對(duì)混合厭氧發(fā)酵效率的影響。結(jié)果表明，餐廚垃圾和牛糞比例為3∶1時(shí)反應(yīng)效果最好，累積產(chǎn)氣量為3 750.5 mL，是餐廚垃圾單獨(dú)厭氧發(fā)酵（T6）產(chǎn)氣量的3倍，氣體甲烷含量可達(dá)52.1%。反應(yīng)后期消化液的pH保持在7.3～7.5，沒有發(fā)生酸化現(xiàn)象；氨氮濃度保持在2 000～2 200 mg/L；輔酶F420最大值為0.72。而餐廚垃圾單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)發(fā)生酸化效應(yīng)，反應(yīng)運(yùn)行失敗。由以上結(jié)果可知，混合發(fā)酵有利于厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，用混合發(fā)酵方法處理餐廚垃圾可以提高餐廚垃圾厭氧發(fā)酵效率。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾；牛糞；混合厭氧發(fā)酵；反應(yīng)配比

中圖分類號(hào)：S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）20-5145-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.055

Study on Biogas Production from Anaerobic Co-digestion of Food Waste and Cow Manure

ZHU Hong-yan1，WANG Su2，PEI Zhang-jiang2，GAO Ya-bing2，WANG Xiang-he1，YAN Hong1，LIU Jie2

（1. College of Chemical and Environmental Engineering，Harbin University of Science and Technology/Key Laboratory of Green Chemical Engineering and Technology of College of Heilongjiang Province，Harbin 150040，China；2. Rural Energy Insititute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin 150086，China）

Abstract： Food waste anaerobic digestes alone will easily acidificate. Anaerobic co-digestion method was adpot to solve this problem.Food waste（FW） and cow manure（CM） were used as raw material，at the temperature of 35 ℃，the impact of the different reaction ratio to the co-anaerobic digestion efficiency with food waste and cow manure was studied by sequencing batch. The results showed that the best FW and CW reaction rate was 3∶1，the total gas production was 3 750.5 mL，which was there times of the FW digestesd alone，and the methane volume fraction was 58.7%，pH kept at 7.3～7.5，and the system didnt acidificate.The concentration of ammonia nitrogen kept at 2 000～2 200 mg/L. The highest absorbance value of coenzyme F420 was 0.72. Food waste anaerobic digested alone acidificated， the reaction failed to run. From the above results，we can know that co-digestion is benefit for anaerobic digestion，it could improve the efficiency of the anaerobic fermentation of food waste.

Key words： food waste；cow manure；anaerobic co-digestion；reaction ratio

餐廚垃圾是中國城市生活垃圾的主要組成部分，具有顯著的危害和資源二重性，它的主要特點(diǎn)是鹽分、有機(jī)物含量高，并富含氮、磷、鉀及各種微量元素[1]。由于餐廚垃圾中存在病原微生物，易導(dǎo)致腐爛、變質(zhì)、發(fā)臭、滋生蚊蟲等情況發(fā)生[2]。隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人口的增加，餐廚垃圾的排放量也與日俱增，如何妥善地處理餐廚垃圾，消除其帶來的危害，實(shí)現(xiàn)其資源化利用是目前中國面臨的嚴(yán)峻問題之一。

厭氧發(fā)酵技術(shù)是一種科學(xué)的處理有機(jī)垃圾的生態(tài)方法，也是處理餐廚垃圾的一種有效的途徑[3，4]，這不僅可以減少污染物的排放、消除環(huán)境污染，還可以獲得清潔能源?；旌蠀捬醢l(fā)酵將是厭氧發(fā)酵技術(shù)的重要研究方向[5]。研究表明，混合發(fā)酵遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單獨(dú)發(fā)酵，餐廚垃圾單獨(dú)進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，由于其有機(jī)物含量高，碳氮比較高，體系不穩(wěn)定，發(fā)酵時(shí)極易酸化，導(dǎo)致發(fā)酵失敗[6]。楚莉莉等[7]以豬糞、麥稈為原料，研究了不同比例混合對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結(jié)果表明，豬糞與麥稈配比（干物質(zhì)量比）1∶1時(shí)，產(chǎn)氣量是麥稈單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)氣量的1.6倍。丁琨等[8]研究了豬糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果，結(jié)果表明，糞秸比為30%時(shí)發(fā)酵產(chǎn)氣效果最好。Zarkadas等[9]將DWE（洗滌廢水）與牛糞、豬糞混合發(fā)酵，產(chǎn)氣率提高了50%。目前，針對(duì)餐廚垃圾和牛糞混合厭氧發(fā)酵的研究較少。牛糞的碳氮與餐廚垃圾相比較低[10]，將牛糞和餐廚垃圾混合發(fā)酵，可以達(dá)到厭氧發(fā)酵的合適碳氮比，而且牛糞有較強(qiáng)的緩沖能力，可以使厭氧發(fā)酵體系穩(wěn)定[11]。畜禽糞便是農(nóng)村環(huán)境污染的主要來源[12]，隨意堆放畜禽糞便導(dǎo)致的環(huán)境問題，影響了新農(nóng)村的面貌，對(duì)農(nóng)民的生活環(huán)境和健康也造成了直接威脅。將餐廚垃圾和牛糞混合發(fā)酵，既可以提高餐廚垃圾厭氧發(fā)酵效率，又可以解決城市和農(nóng)村的環(huán)境污染問題。

研究了餐廚垃圾和牛糞按不同配比混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣情況，以產(chǎn)氣量、產(chǎn)甲烷量、pH、輔酶F420活性、氨氮濃度等作為指標(biāo)，對(duì)混合發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律進(jìn)行了分析，以期得到最佳原料配比。

1 材料與方法

1.1 材料

餐廚垃圾（FW）取自黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院職工食堂，挑出骨頭、塑料等不易發(fā)酵雜質(zhì)，經(jīng)粉碎后，收集于20 L的透明聚乙烯袋里，于-4 ℃保存?zhèn)溆?。牛糞（CM）取自黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所奶牛養(yǎng)殖場，取鮮樣后于-4 ℃保存?zhèn)溆?。接種污泥（SS）取自黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源研究所沼氣發(fā)酵罐。

1.2 裝置

采用批式厭氧發(fā)酵方法，以1 L廣口瓶為反應(yīng)容器，采用700 mL反應(yīng)體系，試驗(yàn)時(shí)干物質(zhì)量的TS含量為6.8%，在恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，反應(yīng)溫度（35±1） ℃，采用排水法收集沼氣，直至不再產(chǎn)氣為止[13]。

1.3 方法

1.3.1 原料處理 試驗(yàn)前，采用烘干法測定餐廚垃圾（FW）和牛糞（CM）的干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)TS（%）及揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)VS（%），并將接種污泥（SS）置于35 ℃、2 Hz搖床上搖24 h，以減少內(nèi)生甲烷氣體對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[14]。

1.3.2 分組設(shè)計(jì) 根據(jù)FW∶CM比例不同設(shè)6個(gè)處理，分別為T1（0∶1）、T2（1∶1）、T3（2∶1）、T4（3∶1）、T5（4∶1）、T6（1∶0），每個(gè)處理3次重復(fù)。將原料充分混合后，裝入反應(yīng)器，按1∶1接種沼液，接種時(shí)厭氧瓶內(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，每3 d測定氣體中甲烷含量，每3 d取消化液樣品1次，每次取樣4 mL，并補(bǔ)充反應(yīng)液。

1.3.3 指標(biāo)測定 采用排水法測定產(chǎn)氣量；反應(yīng)器內(nèi)料液的pH采用pHS-2C型數(shù)顯pH計(jì)進(jìn)行測定；甲烷含量采用安捷倫7890A測定（HP-PLOT molesieve色譜柱，柱箱溫度40 ℃恒溫，以氮?dú)鉃檩d氣，TCD檢測器，檢測器溫度250 ℃）；氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測定[15]；輔酶F420活性采用紫外分光光度法測定[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料性質(zhì)

各原料基本性質(zhì)如表1所示。

2.2 不同反應(yīng)物配比對(duì)產(chǎn)氣量的影響

由圖1可知，各處理在發(fā)酵反應(yīng)第1 天均有氣體產(chǎn)生，牛糞單獨(dú)發(fā)酵（T1）時(shí)，在反應(yīng)第8天達(dá)到最大產(chǎn)氣量，T2～T5處理在反應(yīng)第5天達(dá)到最大產(chǎn)氣量；餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵（T6）時(shí)，在反應(yīng)第3天達(dá)到最大產(chǎn)氣量。即產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化呈先上升再下降的趨勢，該趨勢與前人研究的廚垃圾與牛糞混合厭氧發(fā)酵最佳配比[17]時(shí)得出的結(jié)論一致，最大產(chǎn)氣量T4>T3>T5>T2>T1>T6。由圖2可知，發(fā)酵反應(yīng)結(jié)束后，各處理的累積產(chǎn)氣量不同，T1～T6處理的累積產(chǎn)氣量分別為1 589、2 065、2 442、3 750、2 111、1 267 mL，T4累積產(chǎn)氣量最多。由此可知，牛糞具有緩沖作用，加入牛糞可以減慢厭氧發(fā)酵反應(yīng)，提高餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量，有利于厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，但當(dāng)牛糞超過或少于一定量時(shí)，產(chǎn)氣量降低，抑制了餐廚垃圾的發(fā)酵反應(yīng)。當(dāng)餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時(shí)，產(chǎn)氣效果最好。

2.3 不同反應(yīng)物配比對(duì)甲烷含量的影響

由圖3可知，在整個(gè)厭氧發(fā)酵過程中，甲烷含量呈上升趨勢，在發(fā)酵反應(yīng)第15天時(shí)甲烷含量達(dá)到最大值，并保持穩(wěn)定。各處理的最大甲烷含量大小為T4>T3>T2>T5>T1>T6，與累積產(chǎn)氣量變化基本一致。由此可知，適當(dāng)加入牛糞可以提高餐廚垃圾產(chǎn)甲烷量，當(dāng)餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時(shí)，最高甲烷含量可達(dá)52.1%，產(chǎn)氣效果最好。

2.4 不同反應(yīng)物配比對(duì)反應(yīng)液pH的影響

由圖4可知，各處理組的pH呈先下降后上升的趨勢，在發(fā)酵反應(yīng)初期（0～9 d），不溶性的大分子有機(jī)物分解為可溶性小分子有機(jī)酸，有機(jī)酸逐漸積累，pH下降。隨著發(fā)酵發(fā)應(yīng)的進(jìn)行，有機(jī)酸被產(chǎn)甲烷菌利用，含氮有機(jī)物分解產(chǎn)生的氨使pH上升。發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行到20 d左右時(shí)，T4處理的pH保持在7.3～7.5，而其他處理的pH一般保持在6.3左右，T6處理pH低于6.3。產(chǎn)甲烷菌的活性要求pH在6.8～7.2之間，pH小于6.3時(shí)，甲烷菌活性降低，甚至失活，產(chǎn)甲烷活性大小與產(chǎn)氣量的多少呈正相關(guān)[18]。從圖1也可以得出，發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行到20 d時(shí)，除T4處理外，其他各處理產(chǎn)氣量降低，直至不再產(chǎn)氣。由此可知，當(dāng)餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時(shí)，反應(yīng)液的pH可以保持在厭氧發(fā)酵反應(yīng)所需范圍內(nèi)。

2.5 不同反應(yīng)物配比對(duì)氨氮濃度的影響

由圖5可知，氨氮濃度的變化呈先上升后下降的趨勢，在厭氧發(fā)酵初期（0～13 d），餐廚垃圾和牛糞中的蛋白質(zhì)和氨基酸的發(fā)酵及其他含氮有機(jī)物的降解產(chǎn)生氨氮，使氨氮濃度升高。隨著厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)甲烷菌大量繁殖需要消耗氮源作為營養(yǎng)元素，氨氮的濃度又逐漸下降。除T4處理外，T1～T6處理的最大氨氮含量在2 300 mg/L左右，通常認(rèn)為氨氮濃度在2 000 mg/L時(shí)就會(huì)產(chǎn)生明顯的抑制效果[19]，T4處理的氨氮含量2 000 mg/L以下，保證了發(fā)酵反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行。由此可知，當(dāng)餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時(shí)，消化液不會(huì)發(fā)生氨氮抑制現(xiàn)象。

2.6 不同反應(yīng)物配比對(duì)輔酶F420活性的影響

輔酶F420是產(chǎn)甲烷菌特有的物質(zhì)，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非常重要的作用[20]。輔酶F420可以用來反映厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量或者產(chǎn)甲烷菌活性。通過輔酶F420在420 nm處的吸光度來反映輔酶F420的活性，進(jìn)而評(píng)價(jià)產(chǎn)甲烷菌的活性大小。由圖6可知，輔酶F420的活性呈先下降后上升的趨勢，反應(yīng)初期（0～9 d）輔酶F420活性上升，反應(yīng)進(jìn)行到12 d時(shí)又逐漸下降。其原因是在產(chǎn)氣初始階段，發(fā)酵產(chǎn)生的酸使甲烷菌生長受到抑制，而隨著酸的利用，產(chǎn)甲烷菌快速增長而活性增大。當(dāng)產(chǎn)氣量達(dá)到最大峰值時(shí)，產(chǎn)甲烷菌活性大小為T4>T2>T5>T3>T1>T6。由此可知，當(dāng)餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時(shí)，輔酶F420活性最高，其吸光度可達(dá)到0.72。

3 小結(jié)

餐廚垃圾單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵反應(yīng)運(yùn)行失敗。餐廚垃圾與牛糞混合厭氧發(fā)酵可以提高餐廚垃圾厭氧發(fā)酵效率，F(xiàn)W∶CM為3∶1時(shí)，累積產(chǎn)氣量和甲烷含量最高，分別為3 750 mL和52.1%，反應(yīng)后期消化液pH保持在7.3～7.5，沒有發(fā)生酸化現(xiàn)象；氨氮濃度為2 000～2 200 mg/L，沒有發(fā)生氨氮抑制現(xiàn)象；產(chǎn)甲烷菌的吸光度為0.72，產(chǎn)甲烷菌活性較高。不同處理的累積產(chǎn)氣量與甲烷含量的大小為T1>T4>T3>T2>T5>T6，即加入適量的牛糞，有利于餐廚垃圾進(jìn)行厭氧發(fā)酵反應(yīng)。

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